比特币和加密货币挖矿的全定制ASIC设计秘密
谭帅
tanshuai@btc.com
tanshuai.com
摘要
在竞争激烈的加密货币挖矿领域，电源效率、算力性能和可靠性至关重要。本文深入探讨了顶级全定制ASIC（专用集成电路）设计，揭示了推动高性能比特币和加密货币挖矿的行业秘密和专家方法。由顶级ASIC矿机公司的一位技术专家撰写，本文利用先进的设计技术、细致的物理布局和全面的验证流程，展示了全定制ASIC在最大化挖矿效率和盈利能力方面的卓越能力。
介绍
加密货币挖矿，特别是比特币挖矿的演变，已经从使用通用的CPU、FPGA和GPU转向专用ASIC。这些ASIC提供了无与伦比的性能和能源效率。全定制ASIC设计代表了这一演变的顶峰，能够提供满足挖矿操作特定需求的定制化解决方案。
现有的关于加密货币挖矿ASIC设计的文献大多来自学术界或非挖矿企业，往往缺乏现实应用性。目前，只有少数几家公司，主要是中国公司（如MicroBT、比特大陆），成功开发了可上市的比特币挖矿ASIC。本文旨在填补这一空白，通过实际行业实践提供见解，提供一个基于挖矿行业现实情况的视角。
作为一名在科技行业拥有超过十年经验的专业人士，本文作者开发了世界顶级的比特币ASIC矿机（WhatsMiner）、LTC/DOGE和ETH矿机，并在MicroBT、BTC.COM等公司以及其他无晶圆厂上市公司中发挥了关键作用。他在NASDAQ、港交所和纽交所上市公司中担任重要职务，并在与台积电、德州仪器、ARM和英特尔建立合作关系方面拥有丰富经验，他为比特币和加密货币挖矿的定制ASIC设计领域带来了丰富的知识和实际专业知识。
方法与设计流程
设计理念
我们的全定制ASIC设计方法注重在低电压运行条件下最大化PPA（功耗、性能和面积）。本节将介绍我们的设计理念和方法：
- 流水线架构：利用流水线结构在矿机算法中的固有优势，特点是寄存器和组合逻辑阶段。通过使用流水线架构，我们可以高效处理加密货币挖矿所需的高频操作。
- 手动网表与布局：通过详细脚本创建网表和手动单元布局来优化关键路径。这使我们能够精确控制时序并减少寄生效应。
- 定制单元库：开发具有优化晶体管数量和动态省电功能的专用单元。定制单元被设计为在尽可能低的电压下运行，以确保最低的功耗。
实现PPA优势
通过定制设计实现PPA优势的详细策略：
- 定制寄存器设计：利用多比特寄存器和基于锁存器的设计来减少时钟功耗并改善时序借用。多比特寄存器最小化时钟树的功耗并减少整体面积。
- 手动布局：减少线长并平衡建立和保持时间以提升整体性能。手动布局允许更好地控制互连延迟和串扰，改善信号完整性并降低功耗。
- 优化单元设计：定制单元被设计为在较低电压下运行，最小化动态功耗并最大化效率。通过针对矿机算法的具体需求量身定制单元设计，我们可以显著提高性能。
低电压下的可靠性
确保定制设计的时序逻辑在低电压下的可靠性包括：
- 精确仿真：电路级仿真验证定制单元在特定条件下的行为。使用SPICE等工具进行详细的电气仿真，以确保单元在所有PVT（工艺、电压、温度）条件下正确运行。
- 布局一致性：手动布局以确保均匀性并减少变异性。通过控制物理布局，我们可以最小化工艺变异的影响并确保一致的性能。
- 精确PVT校准：针对工艺、电压和温度变异的验证。进行广泛的测试和校准，以确保设计在不同工作条件下的稳健性。
案例研究和结果
展示来自全掩模流片的真实数据和案例研究：
| 项目 | 工艺节点 | 电压/功率效率 | 算法 |
|---|---|---|---|
| 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 |
这些结果展示了通过我们定制设计方法实现的效率和性能的大幅提升。
集成和验证
混合单元签核
- 定制单元的集成：定制单元与来自TSMC和其他晶圆厂的标准单元集成，确保兼容性和性能。定制单元经过表征和验证以匹配标准单元库的要求，从而实现无缝集成。
- 签核策略：确保无缝兼容性和性能的策略包括详细的DRC（设计规则检查）和LVS（版图与原理图对比）检查，以及使用行业标准EDA（电子设计自动化）工具进行时序和功率分析。
数字与模拟协同设计
- 集成技术：集成数字和模拟组件以优化整体芯片性能。采用混合信号验证和协同仿真等技术确保正确的集成和功能。
- 验证方法：确保在不同操作条件下的鲁棒性的方法包括角落分析、蒙特卡洛模拟和可靠性验证，以解决老化和电迁移问题。
结论
全定制ASIC设计为比特币和加密货币挖矿提供了显著的优势，提供了无与伦比的性能、功率效率和可靠性。通过揭示顶级定制ASIC设计的秘密，本文强调了使行业领袖脱颖而出的方法和创新。随着加密货币挖矿的不断发展，定制ASIC将在推动下一代高效、高性能挖矿硬件中发挥关键作用。