Bí mật về Thiết kế ASIC Tùy chỉnh Hoàn toàn cho Khai thác Bitcoin và Tiền điện tử

Tan Shuai
Chất bán dẫn, Bitcoin, Tiền điện tử, Chuỗi khối
30 May, 2022

Tóm tắt

Trong thế giới cạnh tranh của khai thác tiền điện tử, hiệu quả năng lượng, hiệu suất hashrate và độ tin cậy là vô cùng quan trọng. Bài báo này khám phá thiết kế ASIC (Mạch tích hợp chuyên dụng) tùy chỉnh hoàn chỉnh hàng đầu, tiết lộ các bí mật trong ngành và phương pháp chuyên môn thúc đẩy khai thác Bitcoin và tiền điện tử hiệu suất cao. Được viết bởi một chuyên gia công nghệ từ một trong những công ty sản xuất máy khai thác ASIC hàng đầu, bài báo này tận dụng các kỹ thuật thiết kế tiên tiến, bố cục vật lý tỉ mỉ và các quy trình xác minh toàn diện để trình bày các khả năng vượt trội của ASIC tùy chỉnh hoàn chỉnh trong việc tối đa hóa hiệu quả và lợi nhuận khai thác.

Giới thiệu

Sự phát triển của khai thác tiền điện tử, đặc biệt là khai thác Bitcoin, đã chứng kiến sự chuyển đổi từ việc sử dụng CPU, FPGA và GPU đa mục đích sang các ASIC chuyên dụng. Những ASIC này cung cấp hiệu suất và hiệu quả năng lượng vô song. Thiết kế ASIC tùy chỉnh hoàn chỉnh đại diện cho đỉnh cao của sự phát triển này, cho phép tạo ra các giải pháp tùy chỉnh đáp ứng các yêu cầu cụ thể của hoạt động khai thác.

Phần lớn tài liệu hiện có về thiết kế ASIC cho khai thác tiền điện tử đến từ giới học thuật hoặc các doanh nghiệp không khai thác, thường thiếu tính ứng dụng thực tế. Cho đến nay, chỉ một số ít công ty, chủ yếu là Trung Quốc (ví dụ: MicroBT, Bitmain), đã phát triển thành công ASIC khai thác Bitcoin có thể thương mại hóa. Bài báo này nhằm lấp đầy khoảng trống đó bằng cách cung cấp những hiểu biết rút ra từ thực tiễn trong ngành, mang đến một góc nhìn dựa trên thực tế của lĩnh vực khai thác.

Là một chuyên gia với hơn mười năm kinh nghiệm trong ngành công nghệ, tác giả của bài báo này đã phát triển máy khai thác Bitcoin ASIC hàng đầu thế giới (WhatsMiner), máy khai thác LTC/DOGE và ETH, và đóng vai trò quan trọng tại các công ty như MicroBT, BTC.COM và các công ty không có nhà máy sản xuất khác. Ông đã giữ các vị trí quan trọng tại các công ty niêm yết trên NASDAQ, HKSE và NYSE. Với kinh nghiệm rộng rãi trong việc thiết lập quan hệ đối tác với TSMC, Texas Instruments, ARM và Intel, ông mang đến một kho tàng kiến thức và chuyên môn thực tế trong lĩnh vực thiết kế ASIC tùy chỉnh cho khai thác Bitcoin và tiền điện tử.

Phương pháp và Quy trình Thiết kế

Triết lý Thiết kế

Cách tiếp cận của chúng tôi đối với thiết kế ASIC tùy chỉnh hoàn chỉnh được thúc đẩy bởi trọng tâm vào việc tối đa hóa PPA (Công suất, Hiệu suất và Diện tích), đặc biệt là trong điều kiện vận hành điện áp thấp. Phần này sẽ mô tả triết lý thiết kế và phương pháp của chúng tôi:

Kiến trúc Pipeline: Tận dụng các lợi ích vốn có của cấu trúc pipeline cho các thuật toán khai thác, được đặc trưng bởi các thanh ghi và các giai đoạn logic kết hợp. Bằng cách sử dụng kiến trúc pipeline, chúng tôi có thể xử lý hiệu quả các hoạt động tần số cao cần thiết cho khai thác tiền điện tử.
Netlist và Bố trí Thủ công: Viết kịch bản chi tiết cho việc tạo netlist và bố trí cell thủ công để tối ưu hóa các đường dẫn quan trọng. Điều này cho phép kiểm soát chính xác thời gian và giảm các hiệu ứng ký sinh.
Thư viện Cell Tùy chỉnh: Phát triển các cell chuyên dụng với số lượng transistor tối ưu và các tính năng tiết kiệm năng lượng động. Các cell tùy chỉnh được thiết kế để hoạt động ở điện áp thấp nhất có thể, đảm bảo tiêu thụ điện năng tối thiểu.

Đạt được lợi ích PPA

Các chiến lược chi tiết để đạt được lợi ích PPA thông qua thiết kế tùy chỉnh:

Thiết Kế Thanh Ghi Tùy Chỉnh: Sử dụng các thanh ghi nhiều bit và thiết kế dựa trên chốt để giảm công suất đồng hồ và cải thiện thời gian mượn. Các thanh ghi nhiều bit giảm thiểu tiêu thụ năng lượng của cây đồng hồ và giảm diện tích tổng thể.
Đặt Vị Trí Thủ Công: Giảm độ dài dây và cân bằng thời gian cài đặt và giữ để tăng hiệu suất tổng thể. Đặt vị trí thủ công cho phép kiểm soát tốt hơn độ trễ kết nối và hiện tượng xuyên nhiễu, cải thiện tính toàn vẹn của tín hiệu và giảm tiêu thụ năng lượng.
Thiết Kế Ô Tối Ưu: Các ô tùy chỉnh được thiết kế để hoạt động ở điện áp thấp hơn, giảm thiểu tiêu thụ năng lượng động và tối đa hóa hiệu quả. Bằng cách tùy chỉnh thiết kế ô để đáp ứng nhu cầu cụ thể của các thuật toán khai thác, chúng tôi có thể đạt được những cải tiến đáng kể về hiệu suất.

Độ Tin Cậy Dưới Điện Áp Thấp

Đảm bảo độ tin cậy của logic thời gian tùy chỉnh được thiết kế ở điện áp thấp bao gồm:

Mô Phỏng Chính Xác: Mô phỏng cấp độ mạch để xác nhận hành vi của ô tùy chỉnh dưới các điều kiện cụ thể. Các công cụ như SPICE được sử dụng để mô phỏng điện chi tiết nhằm đảm bảo các ô hoạt động chính xác dưới tất cả các góc PVT (Quy trình, Điện áp, Nhiệt độ).
Đồng Nhất Trong Đặt Vị Trí: Đặt vị trí thủ công để đảm bảo sự đồng nhất và giảm biến đổi. Bằng cách kiểm soát bố trí vật lý, chúng tôi có thể giảm thiểu tác động của các biến đổi quy trình và đảm bảo hiệu suất nhất quán.
Hiệu Chuẩn PVT Chính Xác: Xác minh chống lại các biến đổi quy trình, điện áp và nhiệt độ. Thử nghiệm và hiệu chuẩn mở rộng được thực hiện để đảm bảo độ bền của thiết kế trong các điều kiện vận hành khác nhau.

Nghiên Cứu Trường Hợp và Kết Quả

Trình bày dữ liệu thực tế và nghiên cứu trường hợp từ các tape-out hoàn chỉnh:

Dự Án	Node Quy Trình	Hiệu Quả Điện Áp/Năng Lượng	Thuật Toán
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

Những kết quả này chứng minh những cải tiến đáng kể về hiệu quả và hiệu suất có thể đạt được thông qua phương pháp thiết kế tùy chỉnh của chúng tôi.

Tích Hợp và Xác Minh

Ký Kết Ô Hỗn Hợp

Tích Hợp Các Ô Tùy Chỉnh: Các ô tùy chỉnh được tích hợp với các ô tiêu chuẩn từ TSMC và các xưởng đúc khác, đảm bảo tính tương thích và hiệu suất. Các ô tùy chỉnh được đặc trưng và xác nhận để phù hợp với các yêu cầu của thư viện ô tiêu chuẩn, cho phép tích hợp liền mạch.
Chiến Lược Ký Kết: Các chiến lược đảm bảo tính tương thích và hiệu suất liền mạch bao gồm kiểm tra DRC (Kiểm tra Quy tắc Thiết kế) và LVS (Bố trí so với Sơ đồ), cũng như phân tích thời gian và năng lượng sử dụng các công cụ EDA (Tự động Hóa Thiết Kế Điện Tử) tiêu chuẩn ngành.

Thiết Kế Đồng Bộ Số Và Tương Tự

Kỹ Thuật Tích Hợp: Tích hợp các thành phần số và tương tự để tối ưu hóa hiệu suất tổng thể của chip. Các kỹ thuật như xác minh tín hiệu hỗn hợp và đồng mô phỏng được sử dụng để đảm bảo sự tích hợp và chức năng đúng đắn.
Phương Pháp Xác Minh: Các phương pháp để đảm bảo độ bền bỉ qua các điều kiện hoạt động khác nhau bao gồm phân tích điểm cực trị, mô phỏng Monte Carlo và xác minh độ tin cậy để giải quyết lão hóa và sự di cư của điện tử.

Kết Luận

Thiết kế ASIC tùy chỉnh hoàn toàn mang lại những lợi ích đáng kể cho việc khai thác Bitcoin và tiền điện tử, cung cấp hiệu suất vượt trội, hiệu quả năng lượng và độ tin cậy. Bằng cách tiết lộ những bí mật của thiết kế ASIC tùy chỉnh hàng đầu, bài báo này nêu bật các phương pháp và đổi mới đặt các nhà lãnh đạo ngành công nghiệp lên hàng đầu. Khi việc khai thác tiền điện tử tiếp tục phát triển, các ASIC tùy chỉnh sẽ đóng vai trò then chốt trong việc thúc đẩy thế hệ phần cứng khai thác hiệu suất cao, hiệu quả cao tiếp theo.

Phiên Bản PDF Của Bài Báo