ビットコイン：開発の歴史、ASIC

ASICMINER Bitcoin Miner、パフォーマンス〜2TH / s ^{（ソース）}

前の部分。
今回は、ビットコインマイニング用に設計されたコンピューターシステムの開発の歴史の最後の部分、つまりGPU時代とFPGAマイナーに終止符を打つASIC時代を検討します。

バタフライラボ（BFL）

BFLは、ASICマイナーを発表した最初の企業です。 成功への自信は、主にFPGAマイナーの分野における同社のこれまでの実績に基づいています。
2012年6月、BFLは3種類の鉱夫の予約注文の受け入れを開始しました。ハラペーノスの場合は149ドル、4.5 GH /秒の容量があります。 60GH / sのSCシングルで1299ドル。 そして3万ドルで、1500 GH / sのパフォーマンスで巨大なSC MiniRigを事前注文することができました。
このような価格で、これらのマイナーは、GPUまたはFPGAマイナーよりも、投資額1ドルあたり20〜50倍のビットコインをマイニングできます。 最初の日の予約注文の金額は$ 250Kを超えただけで、長い間顧客のアクティビティは高いままでした。 これは、マイクロ回路の設計と65nmプロセステクノロジ用のリソグラフィマスクの製造にかかる多大なコスト（50万ドル相当）をカバーするのに十分すぎることが判明しました。
各BFLチップには、SHA256計算用に完全に展開された16のパイプラインが含まれています。これは、1 ASICに収まる16のミッドエンドFPGAと同等のパフォーマンスです。 同時に、BGAパッケージのチップサイズはわずか10x10mmでした。

しかし、ここでは、突然！...最初、BFLは11月上旬に鉱夫の供給を開始することを計画していました。 しかし、工場での生産、組立、およびBFL自体の問題に関連する遅延のため、期限は繰り返し延期されました。 また、GH / sで0.8Wの消費電力が1か月前に突然1.2Wに跳ね上がり、QFNからBGAに変更されました。
マイクロチップのエネルギー効率は、最終的に彼らの主な関心事になりました。 消費電力は計画の4〜8倍であり、クロック周波数を500 MHzから250 MHzに半減させました。 このため、これらのチップ用に設計されたすべての機器を変更する必要もありました。 たとえば、ハラペノスの鉱夫はもともと単一のASICチップを使用することになっていたが、4.5GH / sの宣言された性能を達成するために、2つのチップが必要でした。 総消費電力は1GH / sあたり6Wでした。
そして、16のすべてのコンベアの60％のみが稼働しており、別の20％には15のコンベアがあり、15％には14のコンベアがあり、残りの5％には12-13の稼動コンベアしかありません。

インターネットへの情熱

これらの出来事に照らして、インターネットフォーラムで深刻なドラマが展開されたことが完全に予想されます。 数百万ドルで会社に資金を提供した顧客は、配達の遅れの説明を求めました。 さまざまな内訳と仕様の改良により、顧客は2013年4月に初めて最初の機器サンプルを受け取ったという事実に至りました。 計画より5か月後、実際の支払いからほぼ1年後。 2013年8月まで、大きな供給遅延が存在していました。
BFLの顧客は、なんとか手に入れる前であっても、購入が急速に時代遅れになると合理的に信じていました。 しかし、開発、製造、大規模な納品のタイミングに関する最初の予測は、当初から楽観的でした。 特に、これがBFLの最初のASIC製品であると考える場合。 実際の日付は、この業界では非常に典型的なものであることが判明しました。たとえば、Intelは最初のテストサンプルが登場してから納入が開始されるまでに約1年かかります。
しかし、まったく典型的ではないのは、BFLがこの間にクライアントに提供した透明性のレベルです。 おそらく、これは事前注文の資金調達モデルによるものです。 一方で、これは、BTCの採掘の難しさのスケジュールを心配して見て、間違った馬を置いたのではないかと心配している顧客の間で、苛立ちと怒りの増加につながりました...

ASICMINER

この会社の活動は、BFLが鉱夫の予約注文を受け入れ始めた7月に始まりました。 同社は3人の中国人市民によって設立されました。彼らの動機の1つは、BFLの競争を生み出し、BFLが鉱夫の唯一のサプライヤーにならないようにすることでした。 ASICMINERのビジネス管理へのアプローチは、BFLがFPGAマイナーの供給で稼いだという確信を持っていなかったため、BFLで使用されていたアプローチとは大きく異なりました。
また、募金活動がオンラインフォーラムを通じてのみ行われたことも注目に値します。 創設者は、ASICの開発計画を詳細に説明し、オンラインコミュニティからの何百もの質問に答えました。その多くは、技術ソリューションと財務の信頼性のビジネスモデルの技術的な詳細を深く扱っていました。

7月18日までに、中国南部の深セン市で合法的に登録された会社が登録され、チップメーカーと契約が締結され、チップ設計の開始に必要な技術ファイルが受信されました。 7月29日までに、設計の最初のバージョンの準備が整いました。これは、各チップに対して1.25GH / sのパフォーマンスを提供し、130 nmの技術プロセス、17.5 mm平方のチップ面積を提供することになっています。 および消費電力13.3W。 130nmプロセステクノロジーが選択されたのは、資本開発コストが約15万ドルと低いためです。 投稿によると、Verilog、VCSシミュレーション、Verdiベースの合成、トレースと配置用のICコンパイラー、デザインルール（DRC）のチェック用のCalibreなど、標準的な工業デザインルートが使用されました。 これらの資金の一連のライセンスは、米国またはヨーロッパのどこかで多額の費用がかかりますが、中国では、ライセンスだけでなく労働力もはるかに安価でした。

設計、配置、トレースの最初の反復が完了した8月上旬、同社はビットコインで取引されたGLBSEオンライン取引所で行われたIPOを通じて資金を集めることができました。 会社の40万株のうち1株を0.1 BTCで売却することが提案されたが、株主には20万株を超えないようにした。 事業計画は、総容量が12TH / sの自社設備での採掘を開始し、チップまたは設備の顧客への直接販売を開始することでした。 利益は、会社のシェアに比例して株主に分配されることになっていました。

IPOは8月27日に終了し、合計で163.962株が売却されましたが、その時点では約16万ドルでした。 興味深い事実は、ビットコインの為替レートとチップ製造工場のサービスに対する支払いの必要性に関連するリスクを最小限に抑えるために、この段階での株主の投票がすでにIPO中に収集された8000BTCから一般通貨への変換を決定するために使用されていたことです。
9月22日に、チップの最終仕様が公開されました：1.05V、335MHz、6x6 mm。 GH / sパフォーマンスで4.2W。 チップ設計は、FPGAマイナーで以前に使用されたオープンな設計をほぼ繰り返しましたが、周波数が高く、消費電力が低く、何倍も安価です。

10月6日、GLBSE取引所は、創業者間のハッキングと意見の相違により閉鎖されました。 株主に関する情報は取引所によって匿名で保存されていたため、ASICMINERの代表者はもはや株主が誰であるかを知りませんでした。 IPO中に調達された資金の一部が取引所の口座に詰まっているという事実により、状況は悪化しました。 時間が経つにつれて、電子メールやその他の文書に基づいて、約15万株の所有者を復元することが可能になりました。 2か月かかりました。
10月14日までに生産プロセスが開始され、10月31日までに最初のウェーハがメタライゼーション段階に達し、その後ウェーハが個別のチップに切断されました。 しかし、工場は他の大口注文のために生産を遅らせ、最初に完成したチップは12月28日にのみ登場しました。

2月14日、ASICMINERが稼働させた鉱夫の合計処理能力は2TH / sに達しました。 将来、力は増加しただけでしたが、あらゆる種類の問題がないわけではありません。
最後に、同社は機器の直接販売を開始しました。 最初は、約60個の「ブレード」が販売されました。そのチップは、50-75ビットコイン（約5K-7.5K）の価格で10.7GH / s @ 83Wを提供しました。 その後、同社はBlock Erupterと呼ばれるUSBスティックマイナーを開発しました。 単一のASICチップを搭載したマイナーは、当初2BTCで販売されていましたが、価格は急速に下落していました。 今では、Amazonで50〜60ドルの地域で見つけることができます。


それぞれが330 MH / sまたはAMD 7970 GPUの約半分のパフォーマンスを提供するブロック噴火器のアレイ全体を備えたUSBハブ^{（ソース）}

アバロン

インターネットを介した直接のプリセールスを通じて投資を誘致することができた別の会社。 彼女の話はあまり面白くないので、あまり時間をかけません。 この会社が製造するASICは110nm TSMCプロセステクノロジーを使用し、各4x4 mmチップには単一のSHA256コンベアが含まれ、標準納品は4Uフォームファクターの3つの「ブレード」の表面にマウントされた300チップで構成されます。 ASICMINERと同様、同社は中国にあります。
最初は、66GH / s @ 600Wのパフォーマンスと1299ドルの価格でマイナーに注文が出されました。 次に、USBスティック形式のマイナーが登場しました。 そして現在、同社は55nmテクノロジーを備えたASICを開発しています。

ビットコインハードウェアスケーリング

現在、多くの鉱業愛好家が、28ナノメートル以下の技術を使用して製造される鉱夫を事前注文しています。 これは論理的な疑問を提起します-ビットコインマイナーチップは製造プロセスに従ってどれだけスケーラブルです。 ダークシリコンの問題により、次世代チップのパフォーマンスの改善は、プロセスの各ステップのエネルギー効率が約1.4倍に制限されることが判明しています。 ビットコインマイナーのロジックは、クリスタルメモリーがほとんど完全に存在せず、回路のすべての要素のアクティビティが高いため、ダークシリコンではほぼ最悪であり、マルチコアやGPUよりもさらに悪いものです。 つまり たとえば、進行が10nmで止まった場合、65nmチップと比較してパフォーマンスが約6.5倍しか向上しないことが予想されます。 BFLがエネルギー制限のためにチップの周波数を低くしなければならなかったという話は、「許可された」ダークシリコンの枠組みから抜け出そうとする試みが今どのようにつながるかを示しています。

鉱山労働者の世代がASICに急速に変わった後、その後の世代の鉱山労働者の違いは、古い鉄をすぐに引退させるほど大きくはありません。 PCとの完全な類似性-90年代半ばに生産性の伸びが2〜3年でトップの鉄をゴミに変えた場合、5年前のハードウェアは非常に良さそうです。 ASICメーカーにとって、これは生産性ではなくエネルギー効率の追求を意味します。 そして、マイニング愛好家のグループの中で、最も安い電力にアクセスできる人が最も利益を得るでしょう。 現在、古い採掘設備を買い取って運用に戻す場合があります。たとえば、発電所の近くでは、電気料金が都市のものよりはるかに低い場合があります。

エネルギー効率の最適化

65nm BFLチップは、GH / sあたり約5.5Wを消費します。 130nm-ASICMINERおよび110nm-Avalonチップの場合、これらの数値はそれぞれ8Wおよび9Wです。 デナードの法則によると、14nmに切り替えると、消費電力が65/14 = 4.6倍、GH / sで最大約1W減少すると予測できます。
本当だ ASICマイナーの第1世代はFPGAからASIC時代への移行を目指していたため、パフォーマンスを犠牲にせず、面積を増加させずに消費電力を削減するために、アーキテクチャと回路をさらに最適化する大きな可能性があります。 このような最適化には、いくつかの電圧レベルの使用、トリガーのラッチへの置き換え、または自己同期回路を使用してクロッキングで無駄になるエネルギーを節約することも含まれます。 専門家の推定によると、使用されるプロセス技術の一部としてエネルギー消費を削減する可能性は少なくとも4倍あります。

基本的な最適化に加えて、ダークシリコンに特徴的な多くの改善があり、ASICマイナーは素晴らしいものです。 たとえば、しきい値に近い電圧レベルの使用（NTV-しきい値に近い電圧）。 スタティックメモリが不足しているため、チップ内で長距離にわたって信号を送信する必要があるため、ここで消費電力がさらに5倍削減されることが期待できます。
また、SHA256のハードウェア実装は非常に単純であるため、今日のメモリチップとロジックに使用されるさまざまなプロセスとの類推により、鉱夫向けの特殊な製造プロセスを想像できます。

結論の代わりに

ビットコインマイナーの開発により、ASICに基づいた特殊なソリューションが出現しました。 大企業からのサポートなし。 ユーザーは自分で組織し、ソフトウェアとハ​​ードウェアの開発に資金を提供し、リスクと不信を克服し、ビジネスプランを評価し、非常に少ない予算で高価なチップを作成するタスクに対処しました。 これは私たちの時代では前例のないことであり、最新世代のマイクロチップを作成する取り組みの評価は1億ドルから始まり、専門チップの数は年々減少しています。
これからどのような教訓を学ぶことができますか？ 特定のタスク用のチップの作成はどのような条件下で本当に可能ですか？ これに関するいくつかの考え。

カスタムチップは、「濃度テスト」に合格した場合、量産と比較して最も競争力があります。特殊なチップを使用する利点は、システムの他のコンポーネントではなく、そのチップにあるはずです。 ビットコインの場合、収益性はチップの直接的な特性です。 電力価格などのいくつかの追加要因のみ。

計算が非常に並列であり、特殊な実装が汎用システムの同等のコードよりもはるかに小さい場合、ASICはパフォーマンスを飛躍させるのに適した選択肢です。

奇妙なことに、大学で行われた研究は、ASICマイナーの開発において非常にささやかな役割を果たしました。 これには説明があります。 第一に、大学の研究は最新の生産技術に向けられており、不安定であるため迅速な使用には適していない。 第二に、大学はCADに無料でアクセスでき、数千万ドルの価値があり、非営利目的でのみライセンスされています。 これは、大学の卒業生が、ライセンスに侵入することなくハードウェアを安価に作成する方法を知らないことを意味します。

市場投入までの時間は、使用するプロセスの新規性に反比例します。 130nmが最初に表示され、65nmが後で表示されます。 ASICの使用が実際に利益をもたらす場合、使用されるプロセステクノロジーに大きな違いはありません。 しかし、時間は非常に重要です。

投資資本も重要な役割を果たしませんでした。 鉄のスタートアップは高価すぎて時間がかかりすぎると広く信じられているためです。 ユーザーはキックスターターのようなサイトに頼ることなく、プロジェクトに資金を提供することができました。

Bitcoinマイニングマシンには、人々にとっての価値について非常に強力で理解しやすい説明があります。「マイナーを購入すると、たくさんのお金がもたらされます」。 さらに、このアイデアは、以前の世代の鉱夫ですでにテストされています。

開発会社のうち2社が中国に行き、そこにいました。 シリコンバレーは進歩の最前線にいることで知られていますが、小さな予算での作業のほとんどはアジアで行われています。 労働とライセンスへの安価なアクセスが重要な役割を果たします。 米国のASICMINERが使用する設計ルートは、各開発者のライセンスに40万ドルかかります。

ハードウェアの革新を実現するには、多くの新しいアイデアを低コストで試す必要があります。 しかし、現代の半導体産業は、この方向から高価で非常に高価なチップへと移行しています。 その結果、「半導体」スタートアップは事実上存在せず、リスクのある革新的なアイデアを探求できる分野は事実上ありません。 アイデアがないからではなく、非常に高価だからです。 同時に、労働市場でのハードウェアエンジニアの需要は減少しており、若いスペシャリストはより高い給与を得るためにソフトウェア会社に向けて出発しています。
これと何か関係があります。