关于比特币的 ASIC 设计，也许你应该读读这篇文章…… | 战场远比想象的残酷

概述

自2009年以来，比特币的热潮一直有增无减。 尽管其所谓的“价值”起伏不定，但新人不断涌现。 本文从一篇描述比特币ASIC设计的论文开始，用自己的思考带你进入这个新鲜但残酷的领域。

参考资料：J. Barkatullah 和 T. Hanke，“Goldstrike 1：CoinTerra 的第一代比特币加密货币挖掘处理器”，载于 IEEE Micro，卷。 35，没有。 2，第 68-76 页，3 月至 4 月。 2015.

众所周知，比特币是一种加密的虚拟货币，主要用于接受比特币的金融网络。 在这样的网络上，所有交易都经过验证并记录在“分类帐”中，该分类帐是公开的，比特币网络上的任何节点都可以访问。 这种公共账本，我们称之为——区块链。

为了在区块链中找到一个新区块，我们计算了一个复杂的数学难题。 一旦你解决了这个数学问题，你将获得 25 个比特币。 但随着发现的区块越来越多，奖励会逐渐减少，大致每四年减半的趋势。 比特币的加密算法主要是SHA-256，是一种Hash方程。 这个方程的求解没有捷径，只能靠纯粹的暴力计算求解，求解空间巨大。 因此，要用计算机来解决这个算法，只能通过特殊的硬件手段来加速。

早在 2009 年初，我们使用个人电脑的 CPU 几乎每十分钟计算一个新区块。 然而，随着越来越多的块被连接起来，另一种机制开始发挥作用。 每找到 2016 个区块简述比特币的优点，获得下一组 2016 个区块的难度就会翻倍。

所以我们可以看到，随着时间的推移，CPU 的计算能力开始退化。 所以在 2010 年，我们开始使用 GPU 进行加速计算。 就这样，又过了一年，GPU也开始遇到算力的问题。 直到2013年，我们开始研发自己的专用集成电路芯片，也就是矿机专用的ASIC芯片，来提高我们的算力。 于是，2013年前后，算力再次爆发。

时至今日，比特币挖矿的算力竞争依然激烈，但同时也在推动着IC设计的发展。 新技术、新设计理念正在影响着我们。

比特币 ASIC 设计

如何评估用于挖掘比特币的 ASIC 芯片？ 从经济学和市场的角度，我们一般使用[dollar per GigaHash per second, $/GH/s]。 换句话说，我们将每秒可以计算的Hash方程与美元挂钩，来判断它的价值。 但是，我们注意到芯片本身只是其中的一部分。

让我们关注芯片，专用于挖矿的ASIC的计算能力用[GigaHashper second, GH/s]表示。 显然，如果要考虑芯片的设计和制造，就必须考虑生产良率、尺寸、时钟频率、功耗、封装，甚至散热等因素。 毕竟，为了将ASIC的设计余量压榨到极限，功耗密度将是惊人的。

一个ASIC挖矿芯片至少需要数百个核心来进行哈希方程计算，才算性价比高。 如果一个核能以1GHz的频率运行，就意味着它可以获得1 GigaHash/s的计算能力。 显然，提高运行频率可以提高计算能力。 同样，如果一个ASIC包含100个计算核心，那么这个芯片的理想计算能力是100 GigaHash/s。

如上图所示，这是2013年发布的比特币ASIC芯片架构图，来自CoinTerra，芯片代号“Goldstrike 1”，用于Terraminer IV矿机。 可以看到它有126个Hash计算核，通过FIFO对数据进行分发汇总，然后反馈给控制结构进行调试。 具体的细节我就不提太多了。 大家可以参考这篇论文进行学习。

在技​​术和制造方面，这款芯片采用GlobalFoundries 28nm HKMG工艺，采用9层金属走线。 芯片布局方面，采用11×11的网格布局，中间网格为布局控制逻辑，其余网格为Hash计算核心。 所有的通信接口都放在了芯片的右侧，整个die的面积差不多有100mm2。

然后，以4个die为一组，覆盖在一个37.5mm x 37.5mm的FCBGA封装中。 其中，每个die运行在0.7V电压和1.05GHz频率下，功耗接近125W。 因此，整个封装芯片的功耗将达到500W，计算能力为504 GigaHash/s。

设计挑战和趋势

如上所述，比特币 ASIC 芯片从构思到设计和最终生产的时间非常紧迫。 本文提到的芯片从构思到最终发售矿机仅用了7个月的时间。 在此期间简述比特币的优点，他们面临三个重要挑战。

首先，由于算法的性质，每个Hash核中逻辑节点的周转率非常高，超过80%。 因此，动态功耗非常可观。 这也引出了第二个挑战，就是功率密度。 在这样的环境中，我们还需要更低的 IR 压降和更低的电压漂移噪声。 而且，这些急速爆发的能量，也需要合理的消散。 因此，整机的水冷系统必不可少。 因此，第三个问题，即散热，就成为了一个重要的挑战。 在这么短的时间内实现量产，我们在设计阶段没有更多试错的机会，所以有很多可以改进的地方。 而我们认为最具成本效益的改进是继续将Hash计算核心的面积压缩在可接受的功耗范围内。

未来（2015年后），如果我们要设计出计算能力更强、能耗更高、性价比更高的比特币芯片，就必须将注意力转向更先进的制造工艺、更低的供电电压、更定制化的物理上。 ASIC 的设计，毕竟 SHA-256 的算法对于比特币没有更多的改动。 通过更先进的制造工艺，我们可以继续缩小Hash计算核心的尺寸，降低整体的负载电容。 使用较低的电源电压，我们可以降低芯片功耗。 更加定制化的物理设计需要我们开发定制化的时序单元库和更好的比特币算法布局。

但是，从20nm开始，我们进入了16/14nm工艺，甚至到了7nm工艺，工艺的成熟度和与EDA工具的配合程度也值得商榷。 只有具有丰富设计经验的专家级工程师才能控制这些潜在的缺陷，避免设计黑洞。 随着时间的推移，虽然性价比计算的公式没有太大的变化，但是这些公式上的参数会发生巨大的变化。 尤其是挖矿算法的难度在不断提高，输入输出开始出现倾斜，新工艺的不断成熟，也让我们考虑是否一定要追求最先进的制造工艺。 最后，本文还提到，自2013年CoinTerra第一款矿机ASIC芯片投产后，2015年又发布了一款新的ASIC芯片，采用16nm工艺制造，Hash计算核心能效提升至4 千兆哈希/秒。

结语

除了比特币，我们还有许多类型的加密货币等待被发现。 无论市场如何，我们可能仍然面临着 ASIC 的许多机会。 现在，比特大陆依靠自研的ASIC芯片占据了台积电大量产能，台积电的高端产线也接近饱和。

值得一提的是，GlobalFoundries FDX-22nm工艺非常适合加密货币ASIC的设计和制造，有两个优势。 首先，它可以承受0.4V的超低电压，并且拥有完备的工艺器件库。 其次，SOI技术使其具有更低的功耗。 这可能是进入加密货币市场的另一种新方式。

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