Segreti del Design ASIC Personalizzato per il Mining di Bitcoin e Criptovalute

\nTan Shuai
tanshuai@btc.com
tanshuai.com

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Abstract

Nel competitivo mondo del mining di criptovalute, l'efficienza energetica, le prestazioni dell'hashrate e l'affidabilità sono fondamentali. Questo documento approfondisce il design ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) full custom di livello superiore, rivelando segreti del settore e metodologie esperte che guidano il mining ad alte prestazioni di Bitcoin e criptovalute. Scritto da un esperto tecnologico di una delle principali aziende di miner ASIC, questo documento sfrutta tecniche di progettazione avanzate, layout fisico meticoloso e processi di verifica completi per mostrare le eccezionali capacità degli ASIC full custom nel massimizzare l'efficienza e la redditività del mining.

Introduzione

L'evoluzione del mining di criptovalute, in particolare il mining di Bitcoin, ha visto una transizione dall'uso di CPU, FPGA e GPU generici agli ASIC specializzati. Questi ASIC offrono prestazioni e efficienza energetica senza pari. Il design ASIC full custom rappresenta il culmine di questa evoluzione, consentendo soluzioni su misura che soddisfano le esigenze specifiche delle operazioni di mining.

Gran parte della letteratura esistente sul design ASIC per il mining di criptovalute proviene dal mondo accademico o da imprese non minerarie, che spesso manca di applicabilità nel mondo reale. Ad oggi, solo una manciata di aziende, principalmente cinesi (ad es. MicroBT, Bitmain), hanno sviluppato con successo ASIC per il mining di Bitcoin commerciabili. Questo documento cerca di colmare questa lacuna fornendo approfondimenti tratti dalla pratica industriale effettiva, offrendo una prospettiva basata sulle realtà del settore minerario.

Come professionista con oltre dieci anni di esperienza nell'industria tecnologica, l'autore di questo documento ha sviluppato il miglior Bitcoin ASIC Miner al mondo (WhatsMiner), miner LTC/DOGE ed ETH, e ha svolto un ruolo chiave in aziende come MicroBT, BTC.COM e altre fabless pubbliche. Ha ricoperto posizioni chiave in aziende quotate al NASDAQ, HKSE e NYSE. Con una vasta esperienza nella creazione di partnership con TSMC, Texas Instruments, ARM e Intel, porta una ricchezza di conoscenze ed esperienza pratica nel campo del design ASIC custom per il mining di Bitcoin e criptovalute.

Metodologia e Flusso di Progettazione

Filosofia del Design

Il nostro approccio al design ASIC full custom è guidato dalla volontà di massimizzare PPA (Power, Performance, and Area), in particolare in condizioni di funzionamento a bassa tensione. Questa sezione descriverà la nostra filosofia e metodologia di progettazione:

1. Architettura Pipeline: Sfruttare i benefici intrinseci delle strutture pipeline per gli algoritmi di mining, caratterizzati da registri e fasi di logica combinatoria. Utilizzando un'architettura pipeline, possiamo gestire efficacemente le operazioni ad alta frequenza richieste per il mining di criptovalute.
2. Netlist Manuale e Posizionamento: Script dettagliati per la creazione del netlist e posizionamento manuale delle celle per ottimizzare i percorsi critici. Ciò consente un controllo preciso dei tempi e riduce gli effetti parassiti.
3. Librerie di Celle Custom: Sviluppare celle specializzate con conteggi di transistor ottimizzati e funzionalità dinamiche di risparmio energetico. Le celle custom sono progettate per funzionare alla tensione più bassa possibile, garantendo un consumo energetico minimo.

Raggiungere i Benefici del PPA

Strategie dettagliate per ottenere i benefici del PPA attraverso la progettazione su misura:

1. Progettazione di Registri Personalizzati: Utilizzo di registri multi-bit e progetti basati su latch per ridurre la potenza dell'orologio e migliorare il prestito di temporizzazione. I registri multi-bit minimizzano il consumo energetico dell'albero dell'orologio e riducono l'area complessiva.
2. Posizionamento Manuale: Riduzione della lunghezza dei fili e bilanciamento dei tempi di setup e hold per migliorare le prestazioni complessive. Il posizionamento manuale consente un miglior controllo dei ritardi di interconnessione e della diafonia, migliorando l'integrità del segnale e riducendo il consumo di energia.
3. Progettazione di Celle Ottimizzate: Le celle personalizzate sono progettate per operare a tensioni inferiori, minimizzando il consumo di energia dinamica e massimizzando l'efficienza. Adattando i progetti delle celle alle esigenze specifiche degli algoritmi di mining, possiamo ottenere miglioramenti significativi nelle prestazioni.

Affidabilità a Basse Tensioni

Garantire l'affidabilità della logica di temporizzazione progettata su misura a basse tensioni implica:

1. Simulazione Accurata: Simulazioni a livello di circuito per convalidare il comportamento delle celle personalizzate in condizioni specifiche. Strumenti come SPICE sono utilizzati per simulazioni elettriche dettagliate per garantire che le celle funzionino correttamente in tutte le condizioni PVT (Processo, Tensione, Temperatura).
2. Uniformità nel Posizionamento: Posizionamento manuale per garantire uniformità e ridurre la variabilità. Controllando il layout fisico, possiamo minimizzare l'impatto delle variazioni di processo e garantire prestazioni costanti.
3. Calibrazione PVT Precisa: Verifica contro le variazioni di processo, tensione e temperatura. Vengono eseguiti test e calibrazioni estensive per garantire la robustezza del design in diverse condizioni operative.

Studi di Caso e Risultati

Presentazione di dati reali e studi di caso da tape-out completi:

Progetto	Nodo di Processo	Efficienza Tensione/Potenza	Algoritmo
SC	TSMC 28nm	0.45V, 257J/T	Blake2b
DCR	TSMC 28nm	0.45V, 150J/T	Blake256
DASH	TSMC 16nm	0.38V, 6.2J/G	X11
BTC	TSMC 16nm	0.38V, 65J/T	SHA-256d
BTC	TSMC 7nm	0.30V, 37J/T	SHA-256d
BTC	Samsung 8nm	0.31V, 45J/T	SHA-256d
BTC	SMIC N+1	0.30V, 35J/T	SHA-256d

Questi risultati dimostrano i notevoli guadagni in efficienza e prestazioni ottenibili attraverso il nostro approccio di progettazione personalizzata.

Integrazione e Verifica

Signoff di Celle Miste

• Integrazione di Celle Personalizzate: Le celle personalizzate sono integrate con celle standard di TSMC e altre fonderie, garantendo compatibilità e prestazioni. Le celle personalizzate sono caratterizzate e convalidate per soddisfare i requisiti della libreria di celle standard, consentendo un'integrazione senza soluzione di continuità.
• Strategie di Signoff: Le strategie per garantire compatibilità e prestazioni senza problemi includono controlli DRC (Design Rule Check) e LVS (Layout Versus Schematic) dettagliati, nonché analisi di temporizzazione e potenza utilizzando strumenti EDA (Electronic Design Automation) standard del settore.

Progettazione Co-Design Digitale e Analogico

• Tecniche di Integrazione: Integrazione di componenti digitali e analogici per ottimizzare le prestazioni complessive del chip. Tecniche come la verifica mixed-signal e la co-simulazione sono utilizzate per garantire un'integrazione e una funzionalità adeguate.
• Metodologie di Verifica: Le metodologie per garantire la robustezza in diverse condizioni operative includono l'analisi corner, le simulazioni Monte Carlo e la verifica dell'affidabilità per affrontare l'invecchiamento e l'elettromigrazione.

Conclusione

Il design ASIC completamente personalizzato offre vantaggi significativi per il mining di Bitcoin e criptovalute, fornendo prestazioni, efficienza energetica e affidabilità senza pari. Svelando i segreti del design ASIC personalizzato di alto livello, questo documento mette in evidenza le metodologie e le innovazioni che distinguono i leader del settore. Man mano che il mining di criptovalute continua ad evolversi, gli ASIC personalizzati giocheranno un ruolo cruciale nel guidare la prossima generazione di hardware di mining ad alta efficienza e alte prestazioni.

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