ビットコインと暗号通貨マイニングのためのフルカスタムASIC設計の秘密

概要

仮想通貨マイニングの競争激しい世界では、電力効率、ハッシュレート性能、信頼性が非常に重要です。本稿では、トップクラスのフルカスタムASIC（特定用途向け集積回路）設計について、業界の秘密と専門的な手法を明らかにします。この論文は、トップASICマイナー企業の技術専門家によって書かれており、高性能なビットコインや仮想通貨マイニングを支えるための高度な設計技術、詳細な物理レイアウト、および包括的な検証プロセスを駆使して、フルカスタムASICの卓越した能力を最大限に引き出す方法を紹介しています。

はじめに

仮想通貨マイニング、特にビットコインマイニングの進化は、汎用CPU、FPGA、およびGPUから、専用のASICへとシフトしてきました。これらのASICは、比類のない性能とエネルギー効率を提供します。フルカスタムASIC設計はこの進化の頂点を示し、マイニングオペレーションの特定の要求に応じたカスタマイズされたソリューションを可能にします。

仮想通貨マイニング向けASIC設計に関する既存の文献の多くは、学界や非マイニング企業から出されており、実際の適用性に欠けることが多いです。これまでのところ、主に中国（例：MicroBT、Bitmain）を中心に、数社のみが市場性のあるビットコインマイニングASICを成功裏に開発してきました。本稿は、実際の業界の実践から得られた洞察を提供し、マイニングセクターの現実に基づいた視点を提供することを目的としています。

技術業界で10年以上の経験を持つ著者は、世界最高のビットコインASICマイナー（WhatsMiner）、LTC/DOGEおよびETHマイナーを開発し、MicroBT、BTC.COM、その他のパブリックファブレス企業で重要な役割を果たしてきました。著者は、NASDAQ、HKSE、およびNYSEに上場している企業で要職を歴任し、TSMC、テキサス・インスツルメンツ、ARM、インテルとのパートナーシップを確立する豊富な経験を持ち、ビットコインおよび仮想通貨マイニング向けのカスタムASIC設計の分野に豊富な知識と実践的な専門知識をもたらします。

手法と設計フロー

設計理念

我々のフルカスタムASIC設計へのアプローチは、特に低電圧動作条件下でPPA（Power, Performance, and Area）を最大化することに重点を置いています。このセクションでは、我々の設計理念と手法について説明します。

パイプラインアーキテクチャ: パイプライン構造の持つ特性を活かしたマイニングアルゴリズムに最適な設計。レジスタと組み合わせ論理段階により構成されるパイプラインアーキテクチャを使用することで、暗号通貨マイニングに必要な高周波動作を効率的に処理します。
手動ネットリストと配置: クリティカルパスの最適化のための詳細なスクリプトによるネットリスト作成と手動セル配置。これにより、タイミングの精密な制御が可能になり、寄生効果を減少させます。
カスタムセルライブラリ: トランジスタ数を最適化し、動的省電力機能を備えた特別なセルの開発。カスタムセルは可能な限り低い電圧で動作するよう設計されており、電力消費を最小限に抑えます。

PPAのメリットを達成するために

カスタム設計によるPPAのメリットを達成するための詳細な戦略：

カスタムレジスタ設計: クロックパワーを削減し、タイミング借用を改善するためのマルチビットレジスタとラッチベースの設計。マルチビットレジスタはクロックツリーの電力消費を最小限に抑え、全体の面積を削減します。
手動配置: 配線長を短縮し、セットアップタイムとホールドタイムのバランスを取り、全体のパフォーマンスを向上。手動配置により、相互接続遅延やクロストークをより良く制御し、信号の整合性を向上させ、電力消費を削減します。
最適化されたセル設計: カスタムセルは低電圧で動作するよう設計され、動的電力消費を最小限に抑え、効率を最大化します。セル設計をマイニングアルゴリズムの特定のニーズに合わせることで、パフォーマンスの大幅な向上を実現します。

低電圧での信頼性

低電圧でカスタム設計されたタイミングロジックの信頼性を確保するためには：

正確なシミュレーション: 特定の条件下でカスタムセルの動作を検証するための回路レベルシミュレーション。SPICEなどのツールを使用して詳細な電気シミュレーションを行い、すべてのPVT（プロセス、電圧、温度）コーナーでセルが正しく動作することを確認します。
一貫性のある配置: 均一性を確保し、変動性を減少させるための手動配置。物理レイアウトを制御することで、プロセス変動の影響を最小限に抑え、一貫したパフォーマンスを確保します。
正確なPVTキャリブレーション: プロセス、電圧、温度の変動に対する検証。異なる動作条件下での設計の堅牢性を確保するために、広範なテストとキャリブレーションを実施します。

ケーススタディと結果

フルマスクテープアウトの実例データとケーススタディを紹介します：

プロジェクト	プロセスノード	電圧/電力効率	アルゴリズム
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

これらの結果は、私たちのカスタム設計アプローチによって達成可能な効率と性能の大幅な向上を示しています。

統合と検証

ミックスセルサインオフ

カスタムセルの統合: カスタムセルは、TSMCや他のファウンドリからの標準セルと統合され、互換性と性能を確保します。カスタムセルは標準セルライブラリの要件に一致するように特性評価と検証が行われ、シームレスな統合が可能です。
サインオフ戦略: シームレスな互換性と性能を確保するための戦略には、詳細なDRC（設計規則チェック）およびLVS（レイアウトと回路図の一致チェック）、および業界標準のEDA（電子設計自動化）ツールを使用したタイミングおよび電力解析が含まれます。

デジタルとアナログの共同設計

統合技術: 全体のチップ性能を最適化するためにデジタルおよびアナログコンポーネントを統合します。適切な統合と機能を確保するために、ミックスシグナル検証および共同シミュレーションなどの技術が使用されます。
検証手法: 異なる動作条件での堅牢性を確保するための手法には、コーナー分析、モンテカルロシミュレーション、およびエージングや電気移動に対処するための信頼性検証が含まれます。

結論

フルカスタムASIC設計は、ビットコインおよび暗号通貨のマイニングにおいて、比類のない性能、電力効率、および信頼性を提供します。本稿では、トップクラスのカスタムASIC設計の秘密を明らかにし、業界のリーダーを際立たせる手法と革新を強調しています。暗号通貨のマイニングが進化を続ける中で、カスタムASICは高効率・高性能の次世代マイニングハードウェアを推進する上で重要な役割を果たすでしょう。

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