比特幣和加密貨幣挖礦的全定制 ASIC 設計祕密
譚帥
tanshuai@btc.com
tanshuai.com
摘要
在競爭激烈的加密貨幣挖礦世界中，電力效率、算力性能和可靠性至關重要。本文深入探討了頂級的全定制ASIC（專用集成電路）設計，揭示了推動高性能比特幣和加密貨幣挖礦的行業秘密和專家方法。本文由一家頂級ASIC礦機公司的技術專家撰寫，利用先進的設計技術、細緻的物理佈局和全面的驗證過程，展示了全定制ASIC在最大化挖礦效率和盈利能力方面的卓越能力。
介紹
加密貨幣挖礦，特別是比特幣挖礦的發展，已經從使用通用CPU、FPGA和GPU轉向專用ASIC。這些ASIC提供了無與倫比的性能和能源效率。全定制ASIC設計代表了這一發展的巔峰，允許針對挖礦操作的具體需求量身定制解決方案。
現有關於加密貨幣挖礦ASIC設計的文獻大多來自學術界或非挖礦企業，往往缺乏現實應用性。迄今為止，只有少數幾家公司，主要是中國公司（如MicroBT、比特大陸），成功開發出可銷售的比特幣挖礦ASIC。本文旨在填補這一空白，提供來自實際行業實踐的見解，提供一個立足於挖礦行業現實的視角。
作為一位擁有超過十年技術行業經驗的專業人士，本文作者開發了世界頂級的比特幣ASIC礦機（WhatsMiner）、LTC/DOGE和ETH礦機，並在MicroBT、BTC.COM等無晶圓廠公司中擔任重要角色。他曾在NASDAQ、港交所和紐交所上市公司中擔任關鍵職位。擁有與台積電、德州儀器、ARM和英特爾建立合作關係的豐富經驗，他為比特幣和加密貨幣挖礦的定制ASIC設計領域帶來了豐富的知識和實際專業知識。
方法論與設計流程
設計理念
我們的全定制 ASIC 設計方法著重於在低電壓運行條件下最大化 PPA（功耗、性能和面積）。本節將描述我們的設計理念和方法：
- 管道架構：利用管道結構在採礦算法中的固有優勢，這些結構由寄存器和組合邏輯階段組成。通過使用管道架構，我們可以有效處理加密貨幣採礦所需的高頻操作。
- 手動網表和佈局：詳細腳本用於創建網表並手動放置單元，以優化關鍵路徑。這允許對定時進行精確控制並減少寄生效應。
- 自定義單元庫：開發具有優化晶體管數量和動態節能功能的專門單元。自定義單元被設計為在最低電壓下運行，確保最小的功耗。
實現 PPA 效益
通過定制設計實現 PPA 效益的詳細策略：
- 自定義寄存器設計：利用多位寄存器和基於鎖存器的設計來減少時鐘功率並改善定時借用。多位寄存器最小化時鐘樹的功耗並減少整體面積。
- 手動佈局：減少導線長度和平衡設置和保持時間以提高整體性能。手動佈局允許更好地控制互連延遲和串擾，提高信號完整性並減少功耗。
- 優化單元設計：自定義單元被設計為在較低電壓下運行，最小化動態功耗並最大化效率。通過針對採礦算法的特定需求量身定制單元設計，我們可以顯著提高性能。
低電壓下的可靠性
確保在低電壓下定制設計的時序邏輯的可靠性包括：
- 精確模擬：電路級模擬以驗證特定條件下的自定義單元行為。使用 SPICE 等工具進行詳細的電氣模擬，以確保單元在所有 PVT（製程、電壓、溫度）角下正常運行。
- 佈局一致性：手動佈局以確保均勻性並減少變異性。通過控制物理佈局，我們可以最小化製程變異的影響並確保性能一致。
- 精確的 PVT 校準：針對製程、電壓和溫度變化進行驗證。進行廣泛的測試和校準，以確保設計在不同運行條件下的穩健性。
案例研究與結果
呈現來自全掩模 tape-out 的實際數據和案例研究：
| 專案 | 製程節點 | 電壓/功率效率 | 演算法 |
|---|---|---|---|
| SC | 台積電 28nm | 0.45V, 257J/T | Blake2b |
| DCR | 台積電 28nm | 0.45V, 150J/T | Blake256 |
| DASH | 台積電 16nm | 0.38V, 6.2J/G | X11 |
| BTC | 台積電 16nm | 0.38V, 65J/T | SHA-256d |
| BTC | 台積電 7nm | 0.30V, 37J/T | SHA-256d |
| BTC | 三星 8nm | 0.31V, 45J/T | SHA-256d |
| BTC | 中芯國際 N+1 | 0.30V, 35J/T | SHA-256d |
這些結果展示了透過我們的客製化設計方法可達到的顯著效率和性能提升。
整合與驗證
混合單元簽核
- 客製單元的整合：客製單元與台積電及其他晶圓廠的標準單元相結合，確保相容性和性能。客製單元經過特徵化和驗證，以符合標準單元庫的要求，實現無縫整合。
- 簽核策略：確保無縫相容性和性能的策略包括詳細的 DRC（設計規則檢查）和 LVS（佈局對比原理圖）檢查，以及使用行業標準的 EDA（電子設計自動化）工具進行時序和功率分析。
數位與類比共同設計
- 整合技術：整合數位和類比元件以優化整體晶片性能。使用混合信號驗證和共同模擬等技術，確保正確的整合和功能。
- 驗證方法：確保在不同操作條件下的穩健性的方法包括角落分析、蒙地卡羅模擬和可靠性驗證，以應對老化和電遷移問題。
結論
全客製化 ASIC 設計為比特幣和加密貨幣挖礦提供了顯著的性能、功率效率和可靠性優勢。本文揭示了頂尖客製化 ASIC 設計的秘密，強調了使行業領先者脫穎而出的方法和創新。隨著加密貨幣挖礦的持續發展，客製化 ASIC 將在推動下一代高效能、高效率的挖礦硬體中發揮關鍵作用。