Секреты Полного Пользовательского Проектирования ASIC для Биткойн- и Криптовалютного Майнинга

Аннотация

В конкурентном мире криптовалютного майнинга первостепенное значение имеют энергоэффективность, производительность хэшрейта и надежность. В этой статье рассматривается первоклассный полный заказной дизайн ASIC (специализированной интегральной схемы), раскрывающий отраслевые секреты и экспертные методики, которые обеспечивают высокую производительность майнинга биткойнов и криптовалют. Написанная техническим экспертом одной из ведущих компаний по производству ASIC-майнеров, эта статья использует передовые методы проектирования, тщательную физическую компоновку и всесторонние процессы проверки, чтобы продемонстрировать исключительные возможности полноценных заказных ASIC в максимизации эффективности и прибыльности майнинга.

Введение

Эволюция криптовалютного майнинга, особенно майнинга биткойнов, привела к переходу от использования универсальных ЦПУ, ПЛИС и графических процессоров к специализированным ASIC. Эти ASIC обеспечивают непревзойденную производительность и энергоэффективность. Полный заказной дизайн ASIC представляет собой вершину этой эволюции, позволяя создавать индивидуальные решения, которые отвечают специфическим требованиям майнинговых операций.

Большая часть существующей литературы по проектированию ASIC для криптовалютного майнинга исходит из академических кругов или не-майнинговых предприятий, что часто лишает её практической применимости. На сегодняшний день лишь несколько компаний, главным образом китайских (например, MicroBT, Bitmain), успешно разработали коммерческие ASIC для майнинга биткойнов. Эта статья стремится заполнить этот пробел, предоставляя информацию, основанную на реальной практике отрасли, предлагая перспективу, основанную на реалиях майнингового сектора.

Как профессионал с более чем десятью годами опыта в технической индустрии, автор этой статьи разработал лучший в мире биткойн ASIC-майнер (WhatsMiner), а также майнеры для LTC/DOGE и ETH, и сыграл ключевую роль в таких компаниях, как MicroBT, BTC.COM и других публичных фаблессах. Он занимал ключевые должности в компаниях, котирующихся на NASDAQ, HKSE и NYSE. Имея обширный опыт установления партнерских отношений с TSMC, Texas Instruments, ARM и Intel, он приносит богатые знания и практический опыт в область разработки заказных ASIC для майнинга биткойнов и криптовалют.

Методология и проектный поток

Проектная философия

Наш подход к полному кастомному проектированию ASIC основан на максимизации PPA (энергопотребление, производительность и площадь), особенно при низковольтных условиях эксплуатации. В этом разделе описана наша проектная философия и методология:

Конвейерная архитектура: Использование преимуществ конвейерных структур для майнинговых алгоритмов, характеризующихся регистрами и этапами комбинационной логики. Применение конвейерной архитектуры позволяет эффективно обрабатывать высокочастотные операции, необходимые для майнинга криптовалют.
Ручная разработка нетлиста и размещение: Подробное написание скриптов для создания нетлиста и ручное размещение ячеек для оптимизации критических путей. Это позволяет точно контролировать временные характеристики и снижать паразитные эффекты.
Кастомные библиотеки ячеек: Разработка специализированных ячеек с оптимизированным количеством транзисторов и функциями экономии динамической мощности. Кастомные ячейки разрабатываются для работы при минимально возможных напряжениях, обеспечивая минимальное энергопотребление.

Достижение преимуществ PPA

Подробные стратегии достижения преимуществ PPA через кастомное проектирование:

Разработка кастомных регистров: Использование многоразрядных регистров и схем на основе защелок для снижения энергопотребления часов и улучшения заимствования времени. Многоразрядные регистры минимизируют энергопотребление дерева часов и уменьшают общую площадь.
Ручное размещение: Сокращение длины проводов и балансировка времен установления и удержания для повышения общей производительности. Ручное размещение позволяет лучше контролировать задержки межсоединений и перекрестные помехи, улучшая целостность сигнала и снижая энергопотребление.
Оптимизированное проектирование ячеек: Кастомные ячейки разрабатываются для работы при более низких напряжениях, минимизируя динамическое энергопотребление и максимизируя эффективность. Подстраивая проектирование ячеек под конкретные потребности майнинговых алгоритмов, мы можем добиться значительных улучшений производительности.

Надежность при низких напряжениях

Обеспечение надежности кастомной проектной логики при низких напряжениях включает:

Точные симуляции: Симуляции на уровне схем для валидации поведения кастомных ячеек в конкретных условиях. Инструменты, такие как SPICE, используются для детализированных электрических симуляций, чтобы обеспечить корректную работу ячеек при всех углах ПВТ (Процесс, Напряжение, Температура).
Согласованность размещения: Ручное размещение для обеспечения однородности и уменьшения вариабельности. Контролируя физическую компоновку, мы можем минимизировать влияние процессных вариаций и обеспечить стабильную производительность.
Точная калибровка ПВТ: Верификация с учетом вариаций процесса, напряжения и температуры. Проводятся обширные тестирования и калибровка, чтобы гарантировать

Исследования и результаты

Представляем данные и исследования реальных случаев, полученные при полном масочном проектировании:

Проект	Технологический процесс	Напряжение/Энергоэффективность	Алгоритм
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

Эти результаты демонстрируют значительные улучшения в эффективности и производительности, достижимые благодаря нашему индивидуальному подходу к проектированию.

Интеграция и проверка

Подтверждение смешанных ячеек

Интеграция индивидуальных ячеек: Индивидуальные ячейки интегрируются со стандартными ячейками от TSMC и других производителей, обеспечивая совместимость и производительность. Индивидуальные ячейки характеризуются и проверяются на соответствие требованиям стандартной библиотеки ячеек, что позволяет их бесшовную интеграцию.
Стратегии подтверждения: Стратегии, обеспечивающие бесшовную совместимость и производительность, включают детализированные проверки DRC (Design Rule Check) и LVS (Layout Versus Schematic), а также анализ времени и мощности с использованием отраслевых инструментов EDA (Electronic Design Automation).

Цифровое и аналоговое совместное проектирование

Техники интеграции: Интеграция цифровых и аналоговых компонентов для оптимизации общей производительности чипа. Для обеспечения правильной интеграции и функциональности используются такие техники, как смешанная верификация сигналов и совместное моделирование.
Методологии проверки: Методологии для обеспечения надежности в различных эксплуатационных условиях включают угловой анализ, имитации Монте-Карло и проверку надежности для решения проблем старения и электромиграции.

Заключение

Полный индивидуальный дизайн ASIC предлагает значительные преимущества для майнинга Bitcoin и криптовалют, обеспечивая непревзойденную производительность, энергоэффективность и надежность. Раскрывая секреты высококлассного индивидуального дизайна ASIC, эта статья подчеркивает методологии и инновации, которые отличают лидеров отрасли. По мере развития майнинга криптовалют, индивидуальные ASIC будут играть ключевую роль в продвижении следующего поколения высокоэффективного и высокопроизводительного майнингового оборудования.

PDF версия статьи