Intel corporate blog
December 2013 17

Bitcoin: история развития, ASIC


Bitcoin-майнер от ASICMINER, производительностью ~2TH/s (источник)

Предыдущая часть.
В этот раз рассмотрим заключительную часть истории развития вычислительных систем, предназначенных для добычи биткоинов, а именно эпоху ASIC, поставившую крест на GPU и FPGA майнерах.


Butterfly Labs (BFL)


BFL были первой компанией анонсировавшей свой майнер на основе ASIC. Уверенность в успехе во многом была основана на предыдущих достижениях этой компании в области FPGA-майнеров.
В июне 2012 BFL начала принимать предзаказы на три типа майнеров: $149 за Jalapenos, производительностью 4.5 GH/s; $1299 за SC Singles при 60GH/s; и за $30K можно было предзаказать монструозный SC MiniRigs с производительностью1500GH/s.
При такой цене эти майнеры могли добывать в 20-50 раз больше биткоинов на доллар инвестиций, чем GPU или FPGA майнеры. Сумма предзаказов только за первый день привысила $250K и активность заказчиков еще долгое время оставалось высокой. Этого оказалось более чем достаточно, чтобы покрыть существенные расходы на проектирование микросхем и изготовление литографических масок для 65нм техпроцесса, которые оцениваются в $500K.
Каждый чип производства BFL содержит 16 полностью развернутых конвейеров для вычисления SHA256, что по производительности эквивалентно 16 mid-hi-end FPGA, умещенным в 1 ASIC. При этом размер чипа составлял всего лишь 10х10мм в BGA корпусе.

Но тут ВНЕЗАПНО!... Первоначально BFL планировала начать поставки майнеров в начале ноября. Однако сроки многократно сдвигались из-за задержек связанных с производством на фабрике, сборкой и проблемами самой BFL. Также, энергопотребление на уровне 0.8W на GH/s за месяц до появления внезапно подскочило до 1.2W, а корпус сменился с QFN на BGA.
Энергоэффективность микросхем в итоге стала их основной проблемой. Энергопотребление оказалось в 4-8 раз выше планируемого, что вынудило снизить тактовую частоту вдвое с 500MHz до 250MHz. Из-за этого также пришлось вносить изменения во всё оборудование, которое проектировалось под эти чипы. Например, майнер Jalapenos изначально должен был использовать единственный ASIC чип, но, для достижения заявленной производительности в 4.5GH/s, потребовалось использование двух чипов. А итоговое энергопотребление составило ~6W на 1GH/s.
А еще оказалось, что только у 60% функционируют все 16 конвейеров, еще у 20% — 15 конвейеров, у 15% — 14, а оставшиеся 5% могут похвастаться лишь 12-13 работающими конвейерами.

Страсти в интернетах


Совершенно ожидаемо, что, в свете этих событий, на интернет-форумах развернулась нешуточная драма. Заказчики, которые профинансировали компанию миллионами долларов, требовали объяснений задержкам поставок. Разнообразные срывы сроков и уточнение спецификаций привели к тому, что клиенты получили первые образцы оборудования только в апреле 2013го. На пять месяцев позже запланированных сроков и почти год после момента фактической оплаты. Огромная задержка поставок существовала до августа 2013.
Клиенты BFL небезосновательно считали, что их покупки стремительно устаревают, даже еще до того, как они успели получить их в руки. Однако изначальные прогнозы относительно сроков разработки, изготовления и масштабных поставок были весьма оптимистичными с самого начала. Особенно, если учесть, что это первый ASIC продукт для BFL. Фактические сроки оказались вполне типичными для данной индустрии, ведь, например, у Intel уходит около года с появления первых тестовых образцов и до начала поставок.
А вот что совсем нетипично, так это уровень прозрачности, который обеспечивала BFL для своих клиентов на протяжении этого времени. Возможно, это объясняется моделью финансирования, основанной на предзаказах. С другой стороны это привело к росту раздражения и злобы среди клиентов, с тревогой следящих за графиком сложности майнинга BTC и гадающих, не поставили ли они не на ту лошадку…

ASICMINER


Деятельность этой компании началась в июле, после того как BFL начала принимать предзаказы на свои майнеры. Компания была основана тремя гражданами Китая и одной из их мотиваций было создать конкуренцию для BFL и не дать той стать единственным поставщиком майнеров. Подход ASICMINER к ведению дел сильно отличался от использованного BFL, поскольку они не располагали тем доверием, что заработала последняя на поставках FPGA-майнеров.
Также примечательно, что сбор средств был проведен исключительно через интернет форумы. Основатели подробно излагали свои планы по разработке ASIC и отвечали на сотни вопросов от онлайн сообщества, многие из которых касались глубоко технических деталей их бизнес модели технических решений и финансовой благонадежности.

К 18 июля была зарегистрирована компания, юридически расположенная в городе Шенжень на юге Китая, был подписан контракт c производителем микросхем и получены технологические файлы, необходимые для того, чтобы начать проектирование микросхемы. Уже к 29 июля была готова первая версия дизайна, которая должна была обеспечить производительность 1.25GH/s на каждый чип, при техпроцессе 130нм, площади чипа 17.5 мм кв. и энергопотреблении 13.3W. Техпроцесс 130нм был выбран по причине низких капитальных затрат на разработку – приблизительно $150K. Согласно постам, использовался стандартный промышленный маршрут проектирования: Verilog, имитационное моделирование в VCS, синтез на основе Verdi, IC Compiler для трассировки и размещения, Calibre для проверки правил проектирования (DRC) и т.д. Набор лицензий на эти средства стоил бы немалых денег где-нибудь в США или Европе, но в Китае и лицензии, как и рабочая сила, оказались гораздо дешевле.

В начале августа, когда была завершена первая итерация проектирования, размещения и трассировки, компании удалось привлечь средства через IPO, проведенное на онлайн-бирже GLBSE, осуществлявшей торги в bitcoin. Было предложено продавать 1 из 400 тыс. акций компании за 0.1 BTC, при этом акционерам отходило не более 200 тыс. акций. Бизнес план предполагал начать майнинг на своём собственном оборудовании с общей производительностью 12TH/s, а затем начать прямые продажи чипов или оборудования покупателям. Прибыль должна была распределяться между акционерами, пропорционально их доле в компании.

IPO завершилось 27 августа, всего было продано 163.962 акции, что на тот момент примерно равнялось $160К. Интересен тот факт, что голоса акционеров уже на этом этапе использовались для того, чтобы принять решение о конвертации 8000BTC, из собранных в ходе IPO, в привычную валюту, чтобы минимизировать риски связанные с курсом биткоина и необходимостью оплаты услуг фабрики-производителя чипов.
22 сентября была опубликована финальная спецификация чипа: 1.05V, 335MHz, 6x6 мм. и 4.2W на GH/s производительности. Дизайн чипа практически повторял открытый дизайн, используемый ранее для FPGA-майнеров, но с большей частотой, меньшим энергопотреблением и во много раз дешевле.

6го октября биржа GLBSE закрылась из-за взлома и разногласий среди её основателей. Поскольку информация об акционерах хранилась биржей анонимно, представители ASICMINER больше не знали кто их акционеры. Ситуацию усугубил и тот факт, что часть средств, привлеченных в ходе IPO, застряла на счетах биржи. Со временем, на основе электронной почты и других документов, удалось восстановить владельцев примерно 150 тыс. акций. На это ушло два месяца.
К 14 октября был запущен процесс производства и к 31 октября первые вафли добрались до стадии металлизации, за которой следует разрезание вафли на отдельные чипы. Однако фабрика задержала производство, в интересах других, более крупных заказов, и первые готовые чипы появились только 28 декабря.

14 февраля общая вычислительная мощность майнеров, которую ввёл в строй ASICMINER, достигла отметки 2TH/s. В дальнейшем мощность только увеличивалась, но не без всевозможных проблем.
Наконец компания приступила к прямым продажам оборудования. Сначала было продано около 60 «лезвий», чипы которых давали 10.7GH/s @ 83W при цене 50-75 биткоинов (примерно $5K-7.5K). Затем компания разработала майнер в стиле USB-стика под названием Block Erupter. Майнер, содержащий единственный ASIC чип, изначально продавался по 2BTC и стремительно падал в цене. Сейчас его можно найти на Amazon в районе $50-60.


USB-хаб с целым массивом Block Erupter'ов, каждый из которых дает 330 MH/s или примерно половину производительности GPU AMD 7970. (источник)

Avalon


Еще одна компания, которой удалось привлечь инвестиции путем прямых предпродаж через интернет. Её история не столь интересна, поэтому не буду тратить на неё много времени. ASIC выпускаемые этой компанией используют 110нм TSMC-техпроцесс, каждый чип размером 4х4 мм содержит единственный SHA256 конвейер, а типовая поставка представляет собой 300 чипов, смонтированых на поверхности трех «лезвий» в 4U форм-факторе. Как и ASICMINER, компания расположена в Китае.
Первоначально заказы размещались на майнеры, производительностью 66GH/s @ 600W и ценой $1299. Затем появились майнеры в формате USB-stick. А сейчас компания ведет разработку ASIC на технологии 55nm.

Bitcoin Hardware Scaling


На текущий момент многим энтузиастам майнинга удалось предзаказать майнеры, которые будут изготовлены по технологии 28 и менее нанометров. Это вызывает закономерный вопрос – насколько чипы биткоин-майнеров масштабируются в соответствии с техпроцессом. Из-за проблем тёмного кремния, улучшения в производительности следующего поколения микросхем оказываются ограниченными энергоэффективностью на уровне ~1.4x на каждый шаг техпроцесса. Логика биткоин-майнера представляет собой едва ли не худший для тёмного кремния случай, еще более худший чем Multicore или GPU, по причине практически полного отсутствия накристальной памяти и высокой активности всех элементов схемы. Т.е. если, допустим, прогресс остановится на 10нм, то можно ожидать лишь ~6.5х улучшения производительности, по сравнению с 65нм чипами. История когда BFL пришлось снижать частоту своих чипов из-за ограничений энергопотребления лишь еще раз показывает к чему сейчас приводят попытки вылезти за рамки «дозволенного» тёмным кремнием.

После того, как стремительная смена поколений майнеров перешла к переходу на ASIC, разница между последующими поколениями майнеров будет не настолько велика, чтобы быстро отправить на пенсию старое железо. Полная аналогия с ПК – если в середине 90х рост производительности превращал топовое железо в хлам за 2-3года, то сейчас и 5-летнее железо выглядит очень даже неплохо. Для производителей ASIC это будет означать погоню за энергоэффективностью, а не производительностью. А среди групп энтузиастов майнинга наибольшую выгоду получит тот, у кого будет доступ к наиболее дешевой электроэнергии. Уже сейчас известны случаи, когда скупалось старое оборудование для майнинга и возвращалось в строй, скажем, вблизи электростанций, где тарифы на электроэнергию намного ниже городских.

Оптимизация энергоэффективности


Чипы от BFL по технологии 65нм потребляют ~5.5W на GH/s. Для 130нм-ASICMINER и 110нм-Avalon чипов эти цифры составляют 8W и 9W соответственно. Согласно закону Деннарда, при переходе на 14нм можно ожидать 65/14 = 4.6x снижение энергопотребления, примерно до уровня 1W на GH/s.
Правда, т.к. первые поколения ASIC-майнеров ставили своей целью перейти от FPGA в эпоху ASIC, то, вероятно, есть огромный простор для дальнейших оптимизаций архитектуры и схемотехники с целью сократить энергопотребление, не ухудшив производительность и не увеличивая площадь. Среди таких оптимизаций может оказаться использование нескольких уровней напряжения, замена триггеров на latches или даже использование самосинхронной схемотехники, чтобы сэкономить энергию, которая тратится на тактирование. Согласно экспертным оценкам, есть еще по крайней мере четырехкратная возможность снижения энергопотребления в рамках используемого техпроцесса.

Помимо базовых оптимизаций существует много улучшений, характерных для тёмного кремния, и для которых ASIC-майнер отлично подходит. Например, использование уровней напряжения, близких к порогу срабатывания (NTV – Near Threshold Voltage). Отсутствие статической памяти и необходимости передавать сигналы на большое расстояние внутри чипа позволяет ожидать здесь еще 5х снижения энергопотребления.
Также, поскольку аппаратная реализация SHA256 очень проста, то можно представить специализированный техпроцесс изготовления для майнеров, по аналогии с разными процессами, применяемыми для чипов памяти и логики сегодня.

Вместо заключения


Развитие bitcoin-майнеров привело к появлению специализированных решений на основе ASIC. Без всякой поддержки со стороны крупных компаний. Пользователи самоорганизовались, сами профинансировали разработку программной и аппаратной части, преодолели риски и недоверие, оценили бизнес-планы и справились с задачей создания дорогих чипов при невероятно малом бюджете. Это неслыханное дело в наше время, где оценка усилий по созданию микросхем последнего поколения начинается с отметки $100млн., а количество специализированных чипов падает год от года.
Какие из этого можно извлечь уроки? При каких условиях создание чипов под конкретную задачу действительно возможно? Несколько мыслей на этот счет.

Чипы, производимые на заказ, наиболее конкурентноспособны по сравнению с массовым производством, если проходят «концентрационный тест» — выгода от использования специализированного чипа должна заключаться в нем самом, а не других компонентах системы. В случае биткоина, прибыльность – прямая характеристики чипа. Лишь с несколькими дополнительными факторами, вроде цен на электричество.

Если вычисления обладают высоким параллелизмом, а специализированная реализация гораздо меньше чем эквивалентный ей код для системы общего назначения, то ASIC – хороший выбор для того, чтобы сделать скачок в производительности.

Как ни странно, но исследования, проводимые в университетах, сыграли весьма скромную роль в разработке ASIC-майнеров. Для этого есть объяснение. Во-первых, университетские исследования направлены на новейшие технологии производства, которые из-за своей нестабильности не подходят для быстрого использования. Во-вторых, у университетов есть бесплатный доступ к САПР, стоимостью десятки миллионов долларов, лицензированным только для некоммерческого использования. Это означает, что выпускник университета просто не знает как делать «железо» дешево, не разорившись на лицензиях.

Время выхода на рынок обратно пропорционально новизне используемого техпроцесса. 130нм появится первым, 65нм появится потом. В тех случаях, где использование ASIC действительно дает выигрыш, нет большой разницы в том, какой техпроцесс используется. Зато очень важно время.

Инвестиционный капитал также не сыграл значительной роли. Во многом благодаря распространенному мнению, что «железные» стартапы слишком дороги и занимают слишком много времени. Пользователи смогли сами профинансировать проект, даже не прибегая и к помощи сайтов вроде kickstarter.

Машины для майнинга биткоинов имеют очень сильное и понятное людям объяснение своей ценности – «вы покупаете майнер и он приносит вам много денег». Кроме того, эта идея уже была проверена на предыдущих поколениях майнеров.

Две из компаний-разработчиков оказались из Китая и там же вели свою деятельность. Хоть Кремниевая Долина и известна тем, что стоит на острие прогресса, большая часть работы в условиях малых бюджетов выполняется в Азии. Дешевый доступ к рабочей силе и лицензиям играет важную роль. Маршрут проектирования, использованный ASICMINER, в США обошелся бы в $400K за лицензии на каждого разработчика.

Для того, чтобы добиться инноваций в железе, необходимо перепробовать множество новых идей, при малых затратах. Но современная полупроводниковая индустрия отошла от этого направления в сторону дорогих и очень дорогих чипов. В результате «полупроводниковые» стартапы практически не существуют, и практически нет областей, где можно было бы исследовать рискованные инновационные идеи. Не потому что нет идей, а потому, что уж очень дорого. В то же время сокращается спрос на hardware-engineer'ов на рынке труда, а молодые специалисты уходят в софтверные компании за более высокими зарплатами.
Что-то с этим надо делать.
+74
79.9k 142
Comments 53
Top of the day