ความลับในการออกแบบ ASIC แบบกำหนดเองสำหรับการขุดบิตคอยน์และสกุลเงินดิจิทัล

บทคัดย่อ

ในโลกที่มีการแข่งขันสูงของการขุดสกุลเงินดิจิทัล ประสิทธิภาพพลังงาน ประสิทธิภาพการแฮช และความน่าเชื่อถือเป็นสิ่งสำคัญ เอกสารฉบับนี้เจาะลึกถึงการออกแบบ ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) แบบเต็มรูปแบบ เปิดเผยความลับของอุตสาหกรรมและวิธีการที่เชี่ยวชาญที่ขับเคลื่อนการขุด Bitcoin และสกุลเงินดิจิทัลที่มีประสิทธิภาพสูง เขียนโดยผู้เชี่ยวชาญด้านเทคโนโลยีจากหนึ่งในบริษัทนักขุด ASIC ชั้นนำ เอกสารฉบับนี้ใช้เทคนิคการออกแบบขั้นสูง การวางผังทางกายภาพอย่างพิถีพิถัน และกระบวนการตรวจสอบที่ครอบคลุม เพื่อแสดงความสามารถพิเศษของ ASIC แบบเต็มรูปแบบในการเพิ่มประสิทธิภาพการขุดและความสามารถในการทำกำไร

บทนำ

การพัฒนาการขุดสกุลเงินดิจิทัล โดยเฉพาะการขุด Bitcoin ได้เห็นการเปลี่ยนแปลงจากการใช้ CPU, FPGA และ GPU ทั่วไปไปสู่ ASIC ที่เชี่ยวชาญ ASIC เหล่านี้มีประสิทธิภาพและพลังงานที่ยอดเยี่ยม การออกแบบ ASIC แบบเต็มรูปแบบเป็นยอดของการพัฒนานี้ ทำให้เกิดโซลูชันที่ตรงกับความต้องการเฉพาะของการดำเนินงานขุด

วรรณกรรมที่มีอยู่มากมายเกี่ยวกับการออกแบบ ASIC สำหรับการขุดสกุลเงินดิจิทัลมาจากวงการวิชาการหรือองค์กรที่ไม่ใช่การขุด ซึ่งมักขาดการประยุกต์ใช้ในโลกจริง จนถึงปัจจุบัน มีเพียงไม่กี่บริษัท ส่วนใหญ่เป็นบริษัทจีน (เช่น MicroBT, Bitmain) ที่ประสบความสำเร็จในการพัฒนา ASIC ขุด Bitcoin ที่ทำการตลาดได้ เอกสารฉบับนี้มุ่งเติมเต็มช่องว่างนั้นโดยการให้ข้อมูลเชิงลึกจากการปฏิบัติจริงของอุตสาหกรรม ให้มุมมองที่มีพื้นฐานจากความเป็นจริงของภาคการขุด

ในฐานะมืออาชีพที่มีประสบการณ์กว่า 10 ปีในอุตสาหกรรมเทคโนโลยี ผู้เขียนเอกสารฉบับนี้ได้พัฒนาเครื่องขุด Bitcoin ASIC ชั้นนำของโลก (WhatsMiner), LTC/DOGE และ ETH Miners และมีบทบาทสำคัญในบริษัทต่างๆ เช่น MicroBT, BTC.COM และบริษัทไร้แผงวงจรอื่นๆ เขาเคยดำรงตำแหน่งสำคัญในบริษัทที่จดทะเบียนใน NASDAQ, HKSE และ NYSE ด้วยประสบการณ์มากมายในการสร้างความร่วมมือกับ TSMC, Texas Instruments, ARM และ Intel เขานำความรู้และความเชี่ยวชาญด้านการออกแบบ ASIC แบบเต็มรูปแบบสำหรับการขุด Bitcoin และสกุลเงินดิจิทัลมาสู่เอกสารฉบับนี้

ระเบียบวิธีและกระบวนการออกแบบ

ปรัชญาการออกแบบ

วิธีการของเราในการออกแบบ ASIC แบบเต็มรูปแบบถูกขับเคลื่อนโดยการมุ่งเน้นที่การเพิ่มประสิทธิภาพ PPA (พลังงาน ประสิทธิภาพ และพื้นที่) โดยเฉพาะภายใต้สภาวะการทำงานที่มีแรงดันต่ำ ส่วนนี้จะอธิบายปรัชญาและวิธีการออกแบบของเรา:

สถาปัตยกรรมแบบท่อส่ง: ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติของโครงสร้างท่อส่งสำหรับอัลกอริธึมการขุด ซึ่งมีลักษณะเป็นขั้นตอนที่มีการลงทะเบียนและตรรกะเชิงผสม โดยใช้สถาปัตยกรรมแบบท่อส่ง เราสามารถจัดการกับการทำงานความถี่สูงที่จำเป็นสำหรับการขุดสกุลเงินดิจิทัลได้อย่างมีประสิทธิภาพ
การสร้างเน็ทลิสต์และการวางเซลล์แบบแมนนวล: การเขียนสคริปต์อย่างละเอียดสำหรับการสร้างเน็ทลิสต์และการวางเซลล์แบบแมนนวลเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเส้นทางสำคัญ วิธีนี้ช่วยให้ควบคุมเวลาการทำงานได้อย่างแม่นยำและลดผลกระทบของปรสิต
ห้องสมุดเซลล์แบบกำหนดเอง: การพัฒนาเซลล์เฉพาะที่มีจำนวนทรานซิสเตอร์ที่เหมาะสมและฟีเจอร์ประหยัดพลังงานแบบไดนามิก เซลล์แบบกำหนดเองถูกออกแบบให้ทำงานที่แรงดันไฟฟ้าต่ำสุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อให้แน่ใจว่าการใช้พลังงานน้อยที่สุด

การบรรลุประโยชน์ของ PPA

กลยุทธ์รายละเอียดสำหรับการบรรลุประโยชน์ของ PPA ผ่านการออกแบบที่กำหนดเอง:

การออกแบบรีจิสเตอร์แบบกำหนดเอง: การใช้รีจิสเตอร์หลายบิตและการออกแบบแบบ latch-based เพื่อลดการใช้พลังงานของสัญญาณนาฬิกาและปรับปรุงการยืมเวลา รีจิสเตอร์หลายบิตช่วยลดการใช้พลังงานของ clock tree และลดพื้นที่ทั้งหมด
การวางตำแหน่งแบบแมนนวล: การลดความยาวของสายไฟและปรับสมดุลเวลา setup และ hold เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวม การวางตำแหน่งแบบแมนนวลช่วยให้การควบคุมความล่าช้าของการเชื่อมต่อและการรบกวนระหว่างสัญญาณดีขึ้น ปรับปรุงความสมบูรณ์ของสัญญาณและลดการใช้พลังงาน
การออกแบบเซลล์ที่ปรับให้เหมาะสม: เซลล์ที่กำหนดเองถูกออกแบบให้ทำงานที่แรงดันไฟฟ้าต่ำ ลดการใช้พลังงานแบบไดนามิกและเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุด โดยการปรับการออกแบบเซลล์ให้ตรงกับความต้องการเฉพาะของอัลกอริทึมการขุด เราสามารถบรรลุการปรับปรุงประสิทธิภาพได้อย่างมีนัยสำคัญ

ความน่าเชื่อถือภายใต้แรงดันไฟฟ้าต่ำ

การทำให้มั่นใจถึงความน่าเชื่อถือของลอจิกเวลาแบบกำหนดเองที่ออกแบบไว้ที่แรงดันไฟฟ้าต่ำประกอบด้วย:

การจำลองที่แม่นยำ: การจำลองระดับวงจรเพื่อตรวจสอบพฤติกรรมของเซลล์ที่กำหนดเองภายใต้เงื่อนไขเฉพาะ เครื่องมือเช่น SPICE ถูกใช้สำหรับการจำลองทางไฟฟ้าอย่างละเอียดเพื่อให้แน่ใจว่าเซลล์ทำงานได้ถูกต้องภายใต้ทุกมุม PVT (Process, Voltage, Temperature)
ความสม่ำเสมอในการวางตำแหน่ง: การวางตำแหน่งแบบแมนนวลเพื่อให้แน่ใจถึงความสม่ำเสมอและลดความแปรปรวน โดยการควบคุมการวางผังทางกายภาพ เราสามารถลดผลกระทบของความแปรปรวนในกระบวนการและรับประกันประสิทธิภาพที่สม่ำเสมอ
การปรับเทียบ PVT อย่างแม่นยำ: การตรวจสอบกับการแปรปรวนของกระบวนการ แรงดันไฟฟ้า และอุณหภูมิ มีการทดสอบและการปรับเทียบอย่างกว้างขวางเพื่อให้แน่ใจถึงความทนทานของการออกแบบในสภาพการทำงานต่างๆ

กรณีศึกษาและผลลัพธ์

นำเสนอข้อมูลจริงและกรณีศึกษาจากการผลิต full mask tape-outs:

โปรเจกต์	กระบวนการ	ประสิทธิภาพแรงดัน/พลังงาน	อัลกอริทึม
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

ผลลัพธ์เหล่านี้แสดงให้เห็นถึงการเพิ่มขึ้นอย่างมากในประสิทธิภาพและประสิทธิผลที่สามารถทำได้ผ่านการออกแบบที่กำหนดเองของเรา

การบูรณาการและการตรวจสอบ

Mixed-Cell Signoff

การบูรณาการเซลล์แบบกำหนดเอง: เซลล์ที่กำหนดเองถูกรวมเข้ากับเซลล์มาตรฐานจาก TSMC และโรงงานผลิตอื่นๆ เพื่อให้แน่ใจถึงความเข้ากันได้และประสิทธิภาพ เซลล์ที่กำหนดเองได้รับการกำหนดลักษณะและตรวจสอบให้ตรงกับข้อกำหนดของไลบรารีเซลล์มาตรฐาน เพื่อให้การบูรณาการเป็นไปอย่างราบรื่น
กลยุทธ์การ signoff: กลยุทธ์สำหรับการทำให้แน่ใจถึงความเข้ากันได้และประสิทธิภาพที่ราบรื่นประกอบด้วยการตรวจสอบ DRC (Design Rule Check) และ LVS (Layout Versus Schematic) อย่างละเอียด รวมถึงการวิเคราะห์เวลาและพลังงานโดยใช้เครื่องมือ EDA (Electronic Design Automation) มาตรฐานอุตสาหกรรม

การออกแบบร่วมดิจิทัลและอนาล็อก

เทคนิคการบูรณาการ: การบูรณาการส่วนประกอบดิจิทัลและอนาล็อกเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของชิปโดยรวม เทคนิคเช่นการตรวจสอบสัญญาณผสมและการจำลองร่วมถูกใช้เพื่อให้แน่ใจว่ามีการบูรณาการและการทำงานที่ถูกต้อง
วิธีการตรวจสอบ: วิธีการเพื่อให้แน่ใจว่ามีความทนทานภายใต้สภาวะการทำงานที่แตกต่างกันรวมถึงการวิเคราะห์มุม การจำลองมอนติคาร์โล และการตรวจสอบความน่าเชื่อถือเพื่อแก้ไขปัญหาการเสื่อมสภาพและการย้ายตำแหน่งของอิเล็กตรอน

บทสรุป

การออกแบบ ASIC แบบเต็มรูปแบบเสนอข้อได้เปรียบที่สำคัญสำหรับการขุด Bitcoin และสกุลเงินดิจิทัล โดยให้ประสิทธิภาพ พลังงาน และความน่าเชื่อถือที่เหนือกว่า โดยการเปิดเผยความลับของการออกแบบ ASIC ที่กำหนดเองระดับสูง บทความนี้เน้นถึงวิธีการและนวัตกรรมที่ทำให้ผู้นำในอุตสาหกรรมโดดเด่น เมื่อการขุดสกุลเงินดิจิทัลยังคงพัฒนาไป ASIC แบบกำหนดเองจะมีบทบาทสำคัญในการขับเคลื่อนฮาร์ดแวร์การขุดประสิทธิภาพสูงรุ่นต่อไป

เวอร์ชัน PDF ของเอกสาร