Segredos do Design ASIC Customizado para Mineração de Bitcoin e Criptomoedas

Tan Shuai
tanshuai@btc.com
tanshuai.com

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Resumo

No competitivo mundo da mineração de criptomoedas, a eficiência energética, o desempenho do hashrate e a confiabilidade são primordiais. Este artigo explora o design ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) full custom de ponta, revelando segredos da indústria e metodologias especializadas que impulsionam a mineração de Bitcoin e criptomoedas de alto desempenho. Escrito por um especialista em tecnologia de uma das principais empresas de mineradores ASIC, este artigo utiliza técnicas avançadas de design, layout físico meticuloso e processos de verificação abrangentes para mostrar as capacidades excepcionais dos ASICs full custom em maximizar a eficiência e a lucratividade da mineração.

Introdução

A evolução da mineração de criptomoedas, particularmente a mineração de Bitcoin, passou de CPUs de propósito geral, FPGAs e GPUs para ASICs especializados. Esses ASICs oferecem desempenho e eficiência energética incomparáveis. O design ASIC full custom representa o ápice dessa evolução, permitindo soluções personalizadas que atendem às demandas específicas das operações de mineração.

Grande parte da literatura existente sobre design ASIC para mineração de criptomoedas vem da academia ou de empresas não mineradoras, muitas vezes carecendo de aplicabilidade no mundo real. Até o momento, apenas algumas empresas, principalmente chinesas (por exemplo, MicroBT, Bitmain), desenvolveram com sucesso ASICs de mineração de Bitcoin comercializáveis. Este artigo busca preencher essa lacuna, oferecendo insights extraídos da prática real da indústria, proporcionando uma perspectiva fundamentada nas realidades do setor de mineração.

Como profissional com mais de dez anos de experiência na indústria de tecnologia, o autor deste artigo desenvolveu o maior minerador ASIC de Bitcoin do mundo (WhatsMiner), mineradores de LTC/DOGE e ETH, e desempenhou um papel fundamental em empresas como MicroBT, BTC.COM e outras fablesses públicas. Ele ocupou posições-chave em empresas listadas na NASDAQ, HKSE e NYSE. Com vasta experiência no estabelecimento de parcerias com TSMC, Texas Instruments, ARM e Intel, ele traz um vasto conhecimento e expertise prática para o campo do design ASIC customizado para mineração de Bitcoin e criptomoedas.

Metodologia e Fluxo de Design

Filosofia de Design

Nossa abordagem ao design ASIC full custom é orientada pelo foco em maximizar PPA (Power, Performance, and Area), particularmente em condições de operação de baixa voltagem. Esta seção descreverá nossa filosofia e metodologia de design:

1. Arquitetura Pipeline: Aproveitando os benefícios inerentes das estruturas de pipeline para algoritmos de mineração, caracterizados por registradores e estágios de lógica combinacional. Utilizando uma arquitetura pipeline, podemos lidar eficientemente com as operações de alta frequência necessárias para a mineração de criptomoedas.
2. Netlist e Colocação Manual: Scripting detalhado para criação de netlist e colocação manual de células para otimizar caminhos críticos. Isso permite um controle preciso sobre o timing e reduz efeitos parasitários.
3. Bibliotecas de Células Customizadas: Desenvolvimento de células especializadas com contagens de transistores otimizadas e recursos dinâmicos de economia de energia. As células customizadas são projetadas para operar nas menores voltagens possíveis, garantindo consumo mínimo de energia.

Alcançando Benefícios de PPA

Estratégias detalhadas para alcançar benefícios de PPA através de design customizado:

1. Design de Registradores Customizados: Utilização de registradores multi-bit e designs baseados em latch para reduzir o consumo de energia do clock e melhorar o empréstimo de tempo. Registradores multi-bit minimizam o consumo de energia da árvore de clock e reduzem a área total.
2. Posicionamento Manual: Redução do comprimento dos fios e balanceamento dos tempos de configuração e retenção para melhorar o desempenho geral. O posicionamento manual permite um melhor controle sobre os atrasos de interconexão e a diafonia, melhorando a integridade do sinal e reduzindo o consumo de energia.
3. Design de Células Otimizadas: Células customizadas são projetadas para operar em voltagens mais baixas, minimizando o consumo de energia dinâmica e maximizando a eficiência. Ao adaptar os designs das células às necessidades específicas dos algoritmos de mineração, podemos alcançar melhorias significativas no desempenho.

Confiabilidade Sob Baixa Voltagem

Garantir a confiabilidade da lógica de temporização customizada em baixas voltagens envolve:

1. Simulação Precisa: Simulações em nível de circuito para validar o comportamento das células customizadas sob condições específicas. Ferramentas como SPICE são usadas para simulações elétricas detalhadas para garantir que as células operem corretamente em todas as variações de PVT (Processo, Voltagem, Temperatura).
2. Consistência no Posicionamento: Posicionamento manual para garantir uniformidade e reduzir variabilidade. Controlando o layout físico, podemos minimizar o impacto das variações do processo e garantir um desempenho consistente.
3. Calibração Precisa de PVT: Verificação contra variações de processo, voltagem e temperatura. Testes extensivos e calibração são realizados para garantir a robustez do design em diferentes condições operacionais.

Estudos de Caso e Resultados

Apresentando dados do mundo real e estudos de caso de tape-outs de máscara completa:

Projeto	Nó de Processo	Eficiência de Voltagem/Energia	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

Esses resultados demonstram os ganhos substanciais em eficiência e desempenho alcançáveis através de nossa abordagem de design customizado.

Integração e Verificação

Assinatura de Células Mistas

• Integração de Células Customizadas: Células customizadas são integradas com células padrão da TSMC e outras foundries, garantindo compatibilidade e desempenho. As células customizadas são caracterizadas e validadas para atender aos requisitos da biblioteca de células padrão, permitindo uma integração sem problemas.
• Estratégias de Assinatura: Estratégias para garantir compatibilidade e desempenho sem problemas incluem verificações detalhadas de DRC (Verificação de Regras de Design) e LVS (Layout Versus Esquemático), bem como análises de temporização e energia usando ferramentas EDA (Automação de Design Eletrônico) padrão da indústria.

Co-design Digital e Analógico

• Técnicas de Integração: Integração de componentes digitais e analógicos para otimizar o desempenho geral do chip. Técnicas como verificação de sinal misto e co-simulação são usadas para garantir a integração e funcionalidade adequadas.
• Metodologias de Verificação: Metodologias para garantir robustez em diferentes condições operacionais incluem análise de canto, simulações de Monte Carlo e verificação de confiabilidade para abordar envelhecimento e eletromigração.

Conclusão

O design ASIC full custom oferece vantagens significativas para a mineração de Bitcoin e criptomoedas, proporcionando desempenho, eficiência energética e confiabilidade incomparáveis. Ao desvendar os segredos do design ASIC customizado de ponta, este artigo destaca as metodologias e inovações que diferenciam os líderes da indústria. À medida que a mineração de criptomoedas continua a evoluir, os ASICs customizados desempenharão um papel crucial na condução da próxima geração de hardware de mineração de alta eficiência e alto desempenho.

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