बिटकॉइन: विकास का इतिहास, सीपीयू से एफपीजीए तक

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इससे पहले, हमने उन मूल सिद्धांतों पर विचार किया जो बिटकॉइन को माइन करते समय अनुसरण करते हैं।
इस बार हम बिटकॉइन माइनिंग के लिए डिज़ाइन किए गए कंप्यूटिंग सिस्टम के विकास के इतिहास पर विचार करेंगे, साथ ही साथ तकनीकी प्रगति और कठिनाइयों का भी सामना करना पड़ेगा।

सीपीयू: पहली पीढ़ी का खान

यदि आप एक बिटकॉइन माइनर के स्रोत कोड को देखते हैं, तो यह पता चलता है कि यह आश्चर्यजनक रूप से सरल है। मुख्य भाग कुछ इस तरह दिखता है:

while (1) { HDR[kNoncePos]++; IF (SHA256(SHA256(HDR)) < (65535 << 208)/ DIFFICULTY) return; } 

SHA256 गणना 512-बिट डेटा ब्लॉक पर की जाती है और इसमें 64 राउंड एन्क्रिप्शन शामिल हैं, जिसमें कई 32-बिट परिवर्धन, शिफ्ट और बिट संचालन की आवश्यकता होती है। एन्क्रिप्शन के प्रत्येक बाद का दौर पिछले एक के परिणामों पर निर्भर करता है, जिससे निर्भरता की श्रृंखला बनती है। यद्यपि व्यक्तिगत एन्क्रिप्शन राउंड के निष्पादन को समानांतर नहीं किया जा सकता है, प्रत्येक व्यक्तिगत हैश का सत्यापन समानांतर में किया जा सकता है, जो गणनाओं को पूरी तरह से समानांतर बनाता है।
ऐसे खनिकों का प्रदर्शन 33 एमएच / प्रति प्रोसेसर (कोर i7 990x) तक पहुंचता है। जोड़ने के लिए और कुछ नहीं है।

GPU: दूसरी पीढ़ी का खनिक

अक्टूबर 2010 में, पहले ओपन-सोर्स ओपनसीएल माइनर का कोड प्रकाशित किया गया था, जिसके बाद सामुदायिक उत्साही लोगों के प्रयासों के माध्यम से इसे जल्दी से अनुकूलित और अनुकूलित किया गया था। ऐसे खनिकों में जावा या पायथन जैसी भाषा में बिटकॉइन प्रोटोकॉल लागू करने और एक OpenCL फ़ाइल के रूप में एक गणना एल्गोरिथ्म शामिल था, जिसे इसी GPU के ISA के तहत संकलित किया जाना था।

ओपनसीएल कार्यान्वयन की विशाल विविधता को उन सभी चीजों को निचोड़ने के प्रयासों द्वारा समझाया गया था जो कोड की गुणवत्ता में सुधार के लिए कंपाइलरों से सक्षम थे। इसके अलावा, कोड का एक हिस्सा जो सीधे ओपनसीएल से संबंधित नहीं था, ओपनसीएल एपीआई को कॉल करने के लिए जिम्मेदार था ताकि तापमान की स्थिति और उपयोगकर्ता सेटिंग्स के जवाब में जीपीयू मापदंडों को दोगुना किया जा सके।
चूंकि यह माना जाता था कि इस तरह के उपकरण महीनों तक काम करेंगे, इसलिए उपयोगकर्ता बिजली की आपूर्ति वोल्टेज (ओवरहेड खनन लागत की लागत को कम करने, या प्रदर्शन को बढ़ाने की आवृत्ति के साथ-साथ बढ़ रही है), GPU कोर, और कोड मापदंडों के साथ कठिनाई में जाएंगे। धागे की संख्या। उचित स्थिरता और तापमान के ढांचे के भीतर थ्रूपुट को बढ़ाने के लिए सभी।

क्योंकि बिटकॉइन माइनिंग में रैम या फ्लोटिंग-पॉइंट ऑपरेशंस पर विशेष लोड की आवश्यकता नहीं होती है, बड़ी संख्या में इलेक्ट्रिकल सर्किट या जीपीयू आर्किटेक्चर में अड़चनें किसी भी तरह से खुद को प्रकट नहीं करती हैं। हालांकि, समय के साथ, मापदंडों को फिर से कॉन्फ़िगर करने की आवश्यकता हो सकती है, जैसा कि उनके प्रदर्शन में समय के साथ शक्ति और शीतलन प्रणाली ख़राब हो जाती है।
AMD के विशिष्ट जीपीयू $ GH / s के लिए NVidia के GPU से बेहतर प्रदर्शन करते हैं, आंशिक रूप से SHA256 कंप्यूटिंग और VLIW आर्किटेक्चर के लिए अच्छी तरह से निर्देश प्रणाली के कारण, जिसमें समानांतर में चलने वाले अधिक ALU शामिल हैं, चलो और थोड़ा कम आवृत्ति पर। विशेष रूप से, शिफ्ट और बिट चयन संचालन को एक ही एएमए आईएसए निर्देश के साथ लागू किया जा सकता है।
इंटेल से विशेष रूप से एकीकृत ग्राफिक्स, प्रति वाट पहले से बेहतर प्रदर्शन है, लेकिन सीपीयू में बहुत अधिक मामूली बिजली बजट की विशेषता है - 200 डब्ल्यू, एक जीपीयू के लिए विशिष्ट, एक सीपीयू के लिए पूरी तरह से अस्वीकार्य है, जो आम तौर पर बोल रहा है, ग्राफिक्स के लिए पर्याप्त नहीं है। । इसके अलावा, जितने भी सीपीयू, वीडियो कार्ड एक कंप्यूटर से जुड़े हो सकते हैं, उन्हें कनेक्ट नहीं किया जा सकता (उस पर बाद में)। और सीपीयू के लिए उपकरणों का मूल्यह्रास इतना तेज़ नहीं है। इसलिए, एकीकृत ग्राफिक्स खनिक की पसंद नहीं है।

खननकर्ता का मुख्य कोड, OpenCL में लिखा गया है, और कोडांतरक या मशीन कोड में नहीं, संकलन के बाद अक्सर GPU निर्देशों का उपयोग करने के लिए पैच किया जाता है जो सीधे OpenCL द्वारा समर्थित नहीं हैं।
OpenCL पर एक कार्यान्वयन कोड का एक बड़ा ब्लॉक है जो पहले स्ट्रीम की आईडी के आधार पर मापदंडों की एक श्रृंखला का चयन करता है, और फिर एक तैनात लूप में सभी 64 राउंड हैशिंग का प्रदर्शन करता है।

मेरे गैराज में एक डाटासेंटर

GPU- आधारित खनन उपकरण पर $ 300-600 खर्च करने के बाद, जो लगभग शाब्दिक रूप से पैसा छापता है, और अपने मापदंडों को सेट करने में बहुत समय बिताता है, अगला कदम स्वाभाविक रूप से कंप्यूटिंग शक्ति आपदा के पैमाने को बढ़ाने के विचार को बढ़ाता है ।

उसी तरह का एक और जीपीयू खरीदने और सेटिंग्स को दोहराने के बाद, आप अपने लाभ को दोगुना कर देंगे। वास्तव में, यदि सिक्कों का मूल्य इतनी तेज़ी से और इतनी तेज़ी से बढ़ रहा है, तो इससे दस या बीस जीपीयू खरीदने का कोई मतलब हो सकता है! सच है, इससे आपदा हो सकती है - वीडियो कार्ड खरीदने वाले खनिकों के समूह व्यवहार के कारण, खनन की कठिनाई स्वर्ग में चली जाएगी और खनन की लाभप्रदता भी तेजी से गिर जाएगी। सौभाग्य से, आपदा नहीं हुई, यूएसडी / बीटीसी दर की वृद्धि के लिए धन्यवाद, वीडियो कार्ड खरीदने की लागत का भुगतान अभी भी बंद है।
FPGAs की तुलना में अंत उपयोगकर्ताओं के लिए GPU बहुत अधिक किफायती थे। खनन के लिए उनका उपयोग करना, हालांकि इसके लिए पीसी बनाने और कई घंटों तक रीडिंग फ़ोरम में कौशल की आवश्यकता होती है, आप समानांतर प्रोग्रामिंग में एक पूर्ण व्यक्ति हो सकते हैं, न कि एफपीजीए के साथ काम करने के लिए उपकरणों का उल्लेख करने के लिए। हालाँकि, GPU की कई महत्वपूर्ण सीमाएँ हैं:
1. GPU अपने आप काम नहीं करता है। प्रत्येक जीपीयू को 8x या 16x पीसीआई-ई स्लॉट में शामिल किया जाना चाहिए, जो मदरबोर्ड पर अपेक्षाकृत कम हैं।
2. जीपीयू खनन में मदरबोर्ड, प्रोसेसर, हार्ड ड्राइव और रैम का व्यावहारिक रूप से उपयोग नहीं किया जाता है, लेकिन वे सिस्टम की लागत में वृद्धि करते हैं, अर्थात। उत्पादकता की प्रति इकाई खनन की लागत में वृद्धि। एक विशिष्ट उपयोगकर्ता के हाथ में एकमात्र पीसी होता है जहां आप 1-2 GPU स्थापित कर सकते हैं, लेकिन इससे अधिक कुछ नहीं।
3. प्रत्येक GPU में 200-300W की खपत होती है, जो बहुत जल्दी बिजली आपूर्ति की क्षमताओं से अधिक हो जाती है और इसके लिए नवीनीकरण की आवश्यकता होती है।
4. मानक मामले कई जीपीयू को ठंडा करने के लिए डिज़ाइन नहीं किए गए हैं। खासकर अगर "कुछ" दो से अधिक हैं।
5. कई जीपीयू का उपयोग जल्दी से अधिकांश आवासीय क्षेत्रों में स्वीकार्य बिजली की आपूर्ति, शीतलन और शोर के स्तर की सीमा तक पहुंच जाता है।
6. कार्यान्वयन की कुछ समस्याओं (शायद सॉफ्टवेयर भाग में) के कारण, OpenCL को GPU से कनेक्ट होने के लिए डिस्प्ले की आवश्यकता हो सकती है। हालाँकि तकनीक स्वयं ऐसी आवश्यकताओं को सामने नहीं रखती है।
7. एक विशिष्ट जीपीयू एक पीसी मामले में दो स्लॉट रखता है, बड़ी संख्या में वीडियो कार्ड को पीसी से कनेक्ट करने से रोकता है।

इन समस्याओं को हल करने के लिए, निम्न समाधान दिखाई दिया। सबसे पहले, क्योंकि बिटकॉइन माइनिंग वास्तव में मदरबोर्ड के साथ इंटरफेस की बैंडविड्थ का उपयोग नहीं करता है, तो PCI-E 1x में पर्याप्त बैंडविड्थ है, और GPU भी 1x स्लॉट में काम करता है। $ 8 के लिए बेची गई एक साधारण केबल आपको 16x जीपीयू को 1x स्लॉट से जोड़ने की अनुमति देती है। यह सच है, इसका मतलब है कि वीडियो कार्ड पीसी के मामले में नहीं हो सकता है, जिसने उत्साही लोगों को GPU बढ़ते के लिए विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए रैक बनाने के लिए प्रेरित किया। सही मदरबोर्ड का उपयोग करके, बड़ी संख्या में सस्ते 1x स्लॉट्स के साथ, बड़ी संख्या में GPU को जोड़ने की समस्या को हल किया। परिचित आवास के परित्याग ने गर्मी हटाने की समस्या को अधिक कुशलता से हल करना संभव बना दिया। एक अवरोधक, जिसे डीवीआई कनेक्टर में प्लग किया गया है, सफलतापूर्वक ओपनसीएल के लिए आवश्यक होने पर, एक मॉनिटर कनेक्शन को अनुकरण करता है।
इस दृष्टिकोण का उपयोग करते हुए, एक मदरबोर्ड, सीपीयू, और रैम 5-6 जीपीयू की सेवा कर सकते हैं, जिससे उद्यम की लागत-प्रभावशीलता बढ़ जाती है।


GPU आधारित बिटकॉइन माइनिंग मशीन क्या हो सकती है, इसके उदाहरण ^{(फोटो स्रोत)}

इनमें से कुछ प्रणालियाँ कई महीनों तक महत्वपूर्ण रूप से काम कर सकती हैं, लेकिन तब स्थिरता के साथ समस्याएं स्पष्ट हो जाती हैं। कारण यह है कि 12 वी लाइन पर मदरबोर्ड कनेक्टर को ओवरलोड करने पर GPU बहुत अधिक खपत करता है। इस समस्या का समाधान मदरबोर्ड को दरकिनार करते हुए वीडियो कार्ड को बिजली की एक स्वतंत्र आपूर्ति है।

GPU को जोड़ने के साथ समस्याओं को हल करने के बाद, उचित बिजली की आपूर्ति और उपकरण ठंडा करने के मुद्दे सामने आते हैं। 200W के क्षेत्र में एक जीपीयू की खपत के साथ, ऐसी प्रणाली की विशिष्ट शक्ति तुलनीय है या यहां तक ​​कि डेटा केंद्रों के प्रदर्शन से अधिक है। दरअसल, संबंधित लागत और उपकरण प्रमाणन आवश्यकताओं के कारण GPU केंद्रों की मेजबानी के लिए डेटा केंद्रों का उपयोग लगभग कभी नहीं किया जाता है। इसके अलावा, कुछ घरों में इस तरह की विद्युत शक्ति प्रदान करने में सक्षम होते हैं, और विभिन्न बिजली बिलिंग योजनाओं से आकाश-उच्च बिजली के बिल हो सकते हैं। इन कारणों से, व्यवहार में, भंडारण सुविधाओं के क्षेत्रों में खनन सबसे सफल है, जहां शोर और शीतलन के साथ कोई बड़ी समस्या नहीं है, और औद्योगिक दरों पर बिजली उपलब्ध है।


69 जीपीयू वाले बिटकॉइन माइनर ^{(फोटो स्रोत)}

FPGA: थर्ड जनरेशन माइनर्स

जून 2011 सार्वजनिक रूप से FPGA के लिए पहला ओपन-सोर्स बिटकॉइन माइनर कार्यान्वयन लाया। FPGAs शिफ्ट संचालन और बिट संचालन दोनों के लिए अच्छे हैं जो खनन एल्गोरिथ्म का मूल है। FPGA खनिकों के डेवलपर्स के लिए एक दिलचस्प परीक्षण एक डिजाइन का विकास था जो विभिन्न FPGAs के कुशल उपयोग की अनुमति देगा, दोनों हाई-एंड और लो-एंड।

समाधान बहुत ही सुरुचिपूर्ण निकला - मिनेर में SHA256 मॉड्यूल के कई उदाहरण हैं, जो कि तैनाती की गहराई से संचालित होता है। पूर्ण तैनाती के साथ, मॉड्यूल हैशिंग के 64 राउंड में से प्रत्येक के लिए अलग हार्डवेयर नोड बनाता है, रजिस्टरों द्वारा अलग किया जाता है - एक प्रकार की पाइपलाइन। इस तरह के कार्यान्वयन से 1h हैश / घड़ी / मॉड्यूल प्रदर्शन की अनुमति मिलती है। कम तैनाती गहराई एक छोटी पाइपलाइन की ओर जाता है, और एक पूर्ण हैश गणना के लिए इसके चरणों के साथ कई पास की आवश्यकता होती है। यदि FPGA काफी बड़ा है, तो इनमें से कई पाइपलाइन इसमें फिट हो सकती हैं। तैनाती की गहराई और पाइपलाइन की प्रतियों की संख्या के बीच चयन अनुकूलन के अधीन है।

FPGA खनिक के लिए मुख्य समस्या यह थी कि FPGA का उपयोग करने के विशिष्ट मामलों की तुलना में उनकी बिजली की खपत बहुत अधिक है। यह कंप्यूटिंग की प्रक्रिया में तर्क तत्वों की लगभग निरंतर गतिविधि के कारण है। परिणामस्वरूप, अधिकांश ऑफ-द-शेल्फ FPGA बोर्ड, जैसे कि अनुदेशात्मक किट जो छात्रों के लिए आसानी से सुलभ हैं, या तो पर्याप्त शक्ति या पर्याप्त शीतलन प्रदान नहीं कर सकते हैं। इसके अलावा, हाय-एंड चिप्स के लिए, समस्या कई गुना अधिक तीव्र थी।

परिणामस्वरूप, विशिष्ट बोर्ड दिखाई दिए कि सभी अतिरिक्त बाह्य उपकरणों (RAM, I / O, आदि) को समाप्त करके लागत को कम किया गया, और जो FPGAs के लिए आवश्यक शक्ति और तापमान की स्थिति प्रदान करने के एकमात्र उद्देश्य के लिए डिज़ाइन किए गए थे। स्पार्टन XC6SLX150 FPGA आधारित मदरबोर्ड ने 215 मेगाहर्ट्ज की आवृत्ति, 39W की ऊर्जा खपत और $ 1060 की लागत से 860MH / s के प्रदर्शन को प्राप्त करना संभव बना दिया। कंसास स्थित बटरफ्लाई लैब्स (बीएफएल) के मालिकाना विकास ने $ 599 की कीमत पर 830 एमएच / एस के समान प्रदर्शन दिखाया। Altera FPGAs पर आधारित उसी कंपनी के शीर्ष समाधान ने $ 15K (650-750 MH / s प्रति चिप) की कीमत पर 25.2 GH / s का प्रदर्शन दिखाया।
आज तक, BFL सबसे सफल वाणिज्यिक बिटकॉइन कंपनी रही है।

दुर्भाग्य से, एफपीजीए जीपीयू के साथ प्रतिस्पर्धा करना मुश्किल था - बाद की लागत ~ 30% कम और बिटकॉइन माइनर के रूप में अपनी यात्रा पूरी करने के बाद अधिक पुनर्विक्रय क्षमता थी। यह मदद नहीं करता था कि प्रक्रिया प्रौद्योगिकी की सीढ़ी पर GPU ने FPGA को पीछे छोड़ दिया, अक्सर एक अधिक आधुनिक और ऊर्जा-कुशल प्रक्रिया तकनीक का उपयोग किया जाता है। हालांकि, FPGA का मुख्य लाभ बिजली की खपत में लगभग पांच गुना है, जो उन्हें GPU के रूप में आकर्षक बनाता है, बशर्ते उनका उपयोग एक या दो साल के लिए किया जाए। विशेष रूप से, सबसे उन्नत एफपीजीएएस, उदाहरण के लिए, जो इंटेल द्वारा निर्मित एल्टर के लिए नवीनतम 22nm और 14nm प्रक्रिया प्रौद्योगिकी का उपयोग करते हैं, बिजली की खपत के मामले में बेहद फायदेमंद होते हैं, लेकिन इसकी कीमत बहुत अधिक होती है।


एएसएफआई पर आधारित बीएफएल से 500GH / मिनट का खननकर्ता, 25.2 GH / s पर चार FPGA खनिकों से घिरा हुआ है। आप दो पावर केबलों को नोटिस कर सकते हैं - माइनर ~ 2700W की खपत करता है। ^{(फोटो सोर्स: जेम्स गिब्सन)}

FPGA बोर्ड छोटा हो गया, क्योंकि हार्डवेयर की एक नई पीढ़ी, ASIC का जन्म हुआ, जिसने ऊर्जा दक्षता और उत्पादकता दोनों में परिमाण के आदेशों के अनुसार लाभ प्राप्त किया। FPGAs के विकास के प्रयास व्यर्थ नहीं थे, जैसा कि बहुत से, मुद्रित सर्किट बोर्डों के लेआउट के लिए मिनर के वेरिलॉग विवरण से पुन: उपयोग किया गया है।

ASIC पीढ़ी के बारे में - बिटकॉइन खनिकों की चौथी पीढ़ी, जिन्होंने अगली बार कस्टम-मेड सिलिकॉन (एज ऑफ बस्पोक सिलिकॉन) की उम्र में कदम रखा।