算力功耗比mW/GigaHash：加密貨幣挖礦專用晶元轉向22FDX
關鍵詞：
加密貨幣挖礦
FDX
ASIC
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關於半導體行業，比較有趣的一點是：每種應用都需要不同的性能、功耗、成本，以及其他因素的組合。加密貨幣挖礦應用亦不例外，甚至主流貨幣——比特幣、萊特幣和以太坊——以及其挖礦方式也是如此。
Moor Insights & Strategy的助理分析員Anshel Sag在跟蹤分析貨幣挖礦市場的狀況後，表示礦工「不想購買任何額外的邏輯片上組件。他們希望儘可能降低功耗。每項都達到極簡狀態，因為很大程度上都歸結於功耗問題。」
Sag表示，每種不同的演算法都代表「一種不同的瓶頸，因此需要按照不同的方式架構ASIC，儘可能減少瓶頸。」
「每天消耗的能源如此之多，挖礦行業和製造商一直都在研究其ASIC挖礦機的效率。大部分挖礦設備都以hash/watt為單元測量其『性能』，而非測量其總體的hash功能。」
架構差異
Sanjay Charagulla——格芯技術營銷和業務開發部門的資深總監，概述了針對比特幣、萊特幣和以太坊而優化的挖礦機ASIC之間的差異。萊特幣ASIC傾向於採用相對較少部分的邏輯晶體管，SRAM約佔晶體管總數的三分之二。Charagulla認為格芯的22FDX工藝擁有「最高效的SRAM位單元之一」，並將其歸為格芯「已為多位客戶設計完成流片」的原因。
以太坊挖礦約佔整個挖礦IC市場的10%，因此至今一直由圖形處理器(GPU)主導市場。以太坊演算法需要大量的外部存儲器，且晶元尺寸也更大。Charagulla表示，他預測以太坊挖礦將增長到市場的25%，因為相對比特幣而言，其整體商務技術能夠提供更高的交易靈活性。
儘管新貨幣種類層出不窮，比特幣仍是市場的主導加密貨幣——挖礦機一般具備多個PCB板，每塊板上都包含50-100多個ASIC。這些微小的ASIC都是邏輯器件，每個晶元上都有數百個累加運算(MAC)電路，無需採用外部存儲器或協處理器。而且，如果有幾個內核不能正常工作，ASIC仍然能夠正常運行。「比特幣ASIC沒有這麼複雜，其布局和後端設計是影響效率的關鍵」，他表示。
對於挖礦機而言，功耗成本如此重要，因此在測量效率時，以mW/Gigahash為單位測量，而不只是測算總體的Hash算力。主流的挖礦供應商Bitmain採用98mW/GigaHash的比特幣挖礦機，新競爭者們都嘗試達到或超越該水平。「我們有多位客戶參與，有幾位已經進行流片，其結果相當不錯。」Charagulla說道。
加密貨幣挖礦生態系統——垂直整合
卓越的性能
我問過Charagulla，能否通過提高ASIC的頻率和承擔額外的功耗來加快挖礦機進入區塊鏈下一板塊的速度。他回復說，為了讓挖礦機內部的熱流保持最優水平並節省功率，明智的做法是「以最低的功率，按照合理的400-500 MHz頻率」運行ASIC。
儘管有些比特幣ASIC開始轉而採用基於FinFET的工藝，Charagulla建議，最好是採用基於FD-SOI的FDX工藝，讓製造成本和功耗保持較低水平，同時保持足夠的性能。「可以按照某種頻率，同時運行數千個內核，這樣仍然能夠解決問題。基本來說，內核一般包含多個XOR柵極和16位寬的數據路徑，在有限空間內布局。我們相信，22FDX能夠滿足這一要求。FinFET的優勢在於具備千兆赫時鐘速度、更寬的匯流排和位加法邏輯。這種情況（比特幣ASIC）下並不存在任何高速I/O，所以，如果您可以優化內核的布局，FD-SOI將可以媲美FinFET，且其成本更低。」
許多客戶設計都採用FDX工藝，工作電壓僅0.4V。Charagulla表示，「一家客戶」正嘗試將工作電壓降低至0.3 Vdd，以便為挖礦機提供更低功耗的80毫瓦/Gigahash的ASIC，同時「仍然能夠高效運行其演算法」。背柵偏置和正向偏置可用於滿足性能和功率規格要求，他補充說道。
產能限制
Moor Insights的分析師Sag表示，雖然有些「高級」ASIC挖礦機將繼續採用領先的FinFET工藝，其他挖礦機可能改變方式。「FinFETs在價格更加高昂的節點上能提供更高的性能，但需要支付更高成本。隨著挖礦ASIC開始遵循更小巧的設計規則，晶圓的價格也隨之增高。目前，人們希望降低挖礦機的成本，通過薄利多銷的方式實現更多利潤。最初採用領先的節點時，例如10nm或7nm，其產出並不是最高。採用領先節點時，其成本相對更高。」
此外，挖礦晶元設計公司在「爭奪晶圓廠的產能，這是讓成本走高的另一個原因」，Sag表示。
格芯位於馬爾他、紐約的晶圓廠採用基於FinFETs的14nm和即將推出的7nm工藝幾乎滿負荷運行，Sag表示，挖礦公司都將德累斯頓提供的22FDX產能視作契機。此外，由於超過6家挖礦機設備製造商都位於中國，Sag表示「22FDX可能很快會在中國投入使用。」
Sag表示「在為正確的客戶選擇正確的工藝方面，格芯表現出色，這對他們而言非常重要。並非每個晶元都需要數十億個FinFET晶體管。就價格敏感性以及高能效需求而言，22FDX具有重要意義。」
Moor Insights白皮書中指出「格芯的FDX路線圖將於2019年和2020年實現擴展，涵蓋12nm FDX，其功耗更低，性能更高，且更加節省成本。我們相信，這種工藝的擴展將讓挖礦機大幅受益。晶元的製造成本對於最終能否成功越來越重要，尤其是當比特幣和其他加密貨幣挖礦ASIC公司開始以儘可能加大產量為目標的時候。」
Charagulla表示，德累斯頓工廠提供的產能正不斷吸引新挖礦機公司採用22FDX。「馬爾他晶圓廠幾乎已達到全部產能，德累斯頓晶圓廠顯然是面向22FDX，隨後將是12FDX。在毫米波射頻領域，我們面向基站、移動手持設備和毫米波雷達的設計正不斷取勝。對於挖礦機ASIC，FDX能夠提供附加價值，因此，更多的新客戶會選擇格芯。」
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