深入挖掘 ASIC 芯片设计成本，我们向 ProgPow 核心开发团队提出了九个问题

文章目录

免责声明：本文由站长首页内容合作伙伴36氪战略合作区块链媒体《Odaily星球日报》内容合作伙伴《Odaily星球日报》授权发布，译者：Moni。

本文来自Medium，原作者为ProgPow算法核心开发团队IfDefElse

概览

只要是和ProgPow和Ethash算法有关的，都会有各种猜测，关于矿机硬件的设计和开发成本，后面通常都会有权威的说法：请相信发布预测的作者，因为他/她在相关行业拥有丰富经验。这些猜测有时与加密货币 ASIC 芯片生产有关，有时与集成电路设计有关。

对于对代码比较熟悉，但对扇出和上升时间不太熟悉的读者，本文可能有助于他们更深入地了解 ProgPow 算法。

(星君o-daily注：Ethash是目前以太坊基于工作量证明的挖矿共识算法，ProgPow是试图削弱ASIC矿工优势的挖矿算法。Fan-out是一个单一的定义逻辑门可以驱动的最大数字信号输入的术语。大多数 TTL 逻辑门能够向 10 个其他数字门或驱动器提供信号，因此典型的 TTL 逻辑门有 10 个扇出信号；上升时间是脉冲技术中的一个技术术语，电压上升两次之间的时间间隔就是网络变压器的上升时间。）

程序员总是给人一种无所不能的感觉，从编写脚本到开发iPhone APP，从嵌入式系统到Windows操作系统。但是，会写代码开发应用并不代表就可以成为APP Store后台的权威（或者提高系统效率），能够开发实时多任务操作系统（RTOS）并不代表意味着可以扩大Windows操作系统的成本。给现场的人称重。

当然，作为ProgPow算法的核心开发团队，IfDefElse并不代表Windows设计者不是“优秀的程序员”，但需要注意的是，由于不同人的技术背景不同，很容易创建不同领域的理解和假设存在偏见，尤其是在讨论规模经济主题时。

同样，硬件设计师可能涉足不同领域，例如为电动牙刷设计芯片，或为网络设备构建硅架构师。生产 100,000 个用于电动家用牙刷的芯片的工程师可能不了解生产 100 万个芯片的网络工程师所考虑的可用规模经济，同一个加密货币 ASIC 芯片的设计者可能对 GPU-ASIC 芯片设计知之甚少——这些都没有行业之间的联系很多，有些国家之间甚至有差距。

我们要在概述中提到的最后一件事是，编程和工程都是技能，除非您每天都在编程和编写代码，否则您将很快落后并无法成为权威，因为这方面的知识更新非常快。或许这就是新的加密货币 ASIC 厂商很难进入基于 SHA-256 算法的挖矿市场的原因，毕竟新手程序员是不可能赶上一直在研究 SHA-256 的工程师的算法六年。

另一方面，关于加密货币生态系统中硬件的文章并不多。当然，加密货币本身就是一个以软件为主的行业，绝大多数硬件工程都是在少数私营公司内部“闭门造车”进行的。

一些“硬件积木”不遗余力地向软件工程师保证他们可以击败加密货币生态系统——我们已经在研究门罗币、比特币和 ZCash 等加密货币，我们已经看到了这种情况。但现实是，这个挑战还没有发生，想想看，如果比特大陆或者芯动科技做CPU，你觉得他们能打败英特尔和AMD吗？

ASIC芯片设计成本分析

规模经济总是很普遍——无论是在成本方面还是在经验方面。至于ASIC芯片的设计成本，芯片设计者似乎总是争论不休。让星星君（微信：o-daily）带你来看看，分析一下引起业界关注的九大问题：

问题一：无论挖矿算法是ProgPow还是ETHash，哈希值都是由外部动态随机存取存储器（DRAM）的存储带宽决定的，是这样吗？

事实并非如此。 ProgPow 的哈希值由两个因素决定：

1、计算核心

2、内存带宽

这就是Ethash和ProgPow有区别的原因，如下图1和图2所示：

图1：NVIDIA芯片产品挖矿算力对比

图2：AMD芯片产品挖矿算力对比

在这个阶段，ETHash 挖矿更有利可图。算法对内存的需求显着增加，对高带宽内存的需求增长也带动了下一代高速内存技术的发展，如GDDR6（带宽速度高达768 GB/s）和HMB2（带宽速度高达 256 GB/s）。

并不是所有的高带宽内存需求都来自“Ethash”，整个高带宽内存市场价值150亿美元，其中只有一小部分来自采矿业。高带宽内存的核心市场需求主要包括：GPU、现场可编程门阵列（FPGA）、人工智能（AI）、高性能计算（HPC）和游戏。相比1.2万亿美元的AI市场、300亿美元的PC游戏市场、350亿美元的掌上游戏机市场、290亿美元的高性能计算市场，矿工对高带宽、内存的要求真是“微不足道” ”。

问题2：由于ProgPow现有的架构和算法与ETHash类似，芯动科技的下一款ASIC芯片是否会为ProgPow量身定制？

事实上，ProgPow 和 ETHash 之间唯一的相似之处是在全局内存中使用了无环图 (DAG)。从计算的角度来看，ETHash 只需要一个固定的“keccak_f1600”内核和一个模函数。另一方面，ProgPow 需要能够执行 16 通道宽的随机数学序列，同时还能够访问高带宽 L1 缓存。设计一个可以执行 ProgPow 数学序列的计算内核比设计像“keccak”这样的固定函数哈希要困难得多。

还需要注意的是，ETHash 的哈希值仅取决于内存带宽，而 ProgPow 算法取决于内存带宽和随机数学序列的核心计算 - 了解这一点很重要。

工作量证明（PoW）的本质是通过消耗硬件和能源成本通过数学计算来证明。作为一种算法，ETHash 在数学证明中不消耗大部分硬件成本（计算引擎）。 相反，ETHash 只捕获内存接口，这就是为什么您可以使用 ASIC 芯片进行加密货币挖掘，将未捕获的数学部分删掉。

问题3：由于GPU是通用加速芯片，GPU的设计、制造、测试周期一般需要12个月左右，需要大量的硬件仿真和软件开发工作来覆盖不同的计算场景和场景.

ProgPoW 希望捕获全部硬件成本（尽可能），因为算法的更新部分能够捕获运行不同计算场景的计算硬件 - 直至架构皱纹 - 所以对于 ASIC 芯片设计，可能需要 3-4 个月以上。

由于时间跨度长，另一个问题又来了：为什么省略了浮点运算？这个问题的答案其实很简单：浮点运算不能芯片迁移，不同的芯片往往会以不同的方式处理与特殊值（如infimum、非数值以及相关变体等）相关的corner case 拐角案例也称为病态案例，是指运行参数超出正常范围的问题或情况，多为几个环境变量或条件处于极值的情况，即使这些极值都还在参数规范（或界限）。最大的分歧是对非数字 (NaN) 的处理，这是在使用随机输入时自然发生的，引用维基百科页面的解释：

如果有多个非数字 (NaN) 输入，则其有效负载结果应来自非数字数字输入之一，但标准未指定。

这意味着如果要使用浮点运算asic芯片挖矿，基本上每个浮点都需要配对一个“if(is_special(val))val = 0.0”检查。检查通常可以在硬件中完成，因此用于加密货币挖掘的 ASIC 芯片也可以从中受益。

接下来，什么是算力和“hash-per-watt”？

算力是衡量能源成本的一个指标，只要每个人都以同样的方式衡量，单位能耗就不那么重要了——矿工们也会继续尽可能多地投入到挖矿上。但是，即使您将计量单位从 1 ETHash（较小的单位，例如焦耳）转换为 1 ProgPow-hash（较大的单位，例如卡路里），运营成本的经济性实际上并没有改变。 Global Hashrate 评估每个人在确保网络份额方面的总经济权重，只要每个人的贡献以相同的单位公平衡量，切换到 ProgPow 算法不会给普通矿工带来任何好处。即将发生什么变化。

当然，有些人会争辩说，如果以太坊实施 ProgPow 算法，它可能有助于将矿工集中在拥有高端 GPU 的大型农场中，同时也可以刺激矿工将他们的 GPU 升级到最新型号。但ProgPow算法开发团队IfDefElse需要重申：规模经济永远存在，也是现实世界中无法回避的事实。

问题 4：与 GPU 相比，ASIC 芯片制造商可以使用更小的 GDDR6 内存来获得成本优势。 16 根 GDDR6 4GB 内存条可以在保持内存成本水平的同时实现两倍的带宽优势，对吧？

首先，拥有两倍的带宽优势需要两倍的计算量，这其实是一种线性缩放（linear scaling），不能算是优势。

其次，我们目前还没有准备好为 GDDR6 生产 4GB 内存芯片。全球第三大内存芯片制造商美光仅生产 8GB 芯片，而三星则生产 8GB 和 16GB 芯片。对于内存芯片来说，GDDR6 IO接口面积非常昂贵，而且每一代接口都比内存单元占用更多的实际内存裸片，因为端口物理层（PHY）不能像内存单元一样通过这个过程。意味着缩小。

不可否认，真正驱动内存市场的是一些“长周期买家”，比如游戏机、GPU等，他们也倾向于支持更大容量的内存。事实上，如今的内存供应商已经没有动力量产 4GB 内存，毕竟市场对这种内存容量的需求并不大。

问题5：RTX2090芯片中有很多模块占用了很多芯片die面积，对ProgPow无用，包括PCIE、NVLINK、L2Cache、3072个切片单元、64个ROP、192次测量单元（TMU）等等，你怎么看？

RTX2080 不是很好的参考来讨论这个，Nvidia的RTX系列芯片中的一些模块由于一些新特性而占据了芯片的大部分区域，比如光线追踪核心等。 ProgPow 设计旨在与 Nvidia 和 AMD 生态系统中的库存硅产品一起使用，因此 Nvidia 和 AMD 的新硅产品中的新功能不可用。

如果您想要更好的类比，也许 AMD RX 5xx 系列或 Nvidia GTX 1xxx 系列是一个很好的参考。正如我们之前提到的，GPU 中也有一些功能没有被 ProgPow 使用，例如：浮点逻辑、L2（L2) 缓存，以及纹理缓存和 ROP 等）。切片单元是执行向量数学的地方。 ，这绝对是 ProgPow 所需要的。用于加密货币挖矿的 ASIC 芯片也想增加可以实现“keccak”功能的区域。作为 ProgPow 算法的开发团队，我们估计 ProgPow ASIC 芯片的裸片面积会比同等 GPU 小 30%——然而，即使在最好的情况下，它的功耗也最多只能降低 20% 相比之下，虽然GPU上的一些逻辑模块没有被充分利用，造成部分芯片裸片面积被浪费，但是功耗却是微乎其微的。

问题 6：小筹码比大筹码更赚钱吗？

怎么说呢，听起来要普及一下芯片制造的知识，或许我们需要写一份《芯片制造101》的培训文档。另外，收益的计算公式可以参考2006年发表的一篇文章《Compare Logic-Array To ASIC-Chip Cost per Good Die》，其中你会发现在芯片良率上已经有了很多创新和流量控制早在 13 年前。

对于具有单一功能单元的芯片，具有较小裸片面积的芯片将比裸片更有利可图。切片较大的芯片更高。但现代 GPU 并非如此。现在的GPU几乎可以任意恢复、组合，小复制单元的缺陷基本可以忽略不计。只要每个可压缩的功能单元足够小，那么GPU芯片的收益几乎可以和功能模块更大的芯片一样高（甚至更高）。

为了更好的解释这个概念，我们可以给出一个简单的脑洞实验：

1、假设你有一个大芯片“Giant ChipA”，它占据了整个晶圆。这个“Giant ChipA”由 100,000 个可拆卸子组件组成，但其中 80% 必须确保无缺陷，以保证“Giant ChipA”能够正常工作，并且在嵌入过程中绕过不良子组件。

2、另外，假设你有一个小芯片“Tiny ChipB”，它只包含一个功能模块（不可嵌入），但这个小芯片足够小，可以在同一个晶圆上容纳 100,000 个子组件。在这种情况下，只要一个子组件出现故障，就意味着整个“Tiny ChipB”芯片坏了。

3、如果有 20,000 个有缺陷的子组件均匀分布在每个晶圆上，那么“Giant ChipB”芯片就是坏的。 A”可以赚取 100%，因为他们可以移除 20% 的有缺陷的子组件，而“Tiny ChipB”只能赚取 80%，因为他们无法移除有缺陷的子组件。

如果你看看 AMD 的 Polaris 20 系列产品和 Nvidia 的 GP 104 产品，在模拟的镜头下，你会看到这些 GPU 是由部署的大量微小的“可移动”子模块组成的。

问题7：ASIC矿机电压可以轻松降到0.4V，只有GPU的一半……所以低电压ASIC设计已经被比特币矿机ASIC矿工采用了，所以现在我们没有理由不相信他们不会将此策略应用于 ProgPow ASIC 矿工，你能谈谈吗？

只有当芯片仅由计算组成时，低压设计才能工作，例如专门用于 SHA256d 挖掘算法的 ASIC 矿工。集成其他原语，例如 SRAM，这也是 ProgPow 数据缓存所必需的，但在低电压下操作极其困难且不可能。

问题8：同样的节能效果在LPDDR4x DRAM上也能达到，比GDDR6耗电少。我们来谈谈这个问题。

不要只考虑能耗，LPDDR4x的带宽比GDDR6低很多，前者4.2Gb/s per pin，后者16Gb/s。一个 LPDDR4x 计算芯片需要四倍的内存芯片和四倍的内存接口才能达到与 GDDR6 相同的性能，这大大增加了成本。

值得注意的是，高带宽计算芯片的接口通常是有限的，这意味着芯片模块面积必须足够大，几乎不允许任何信号从芯片掉到印刷电路板（PCB）上. ），LPDDR4x设计需要大约四倍的芯片周边焊盘数量才能达到相同的带宽，这意味着成本不仅在内存芯片上，还有计算芯片面积的成本，所以综合计算其实，总成本不低。更糟糕的是，由于任何芯片都是以速度为导向的，所以芯片模块面积越大，就意味着浪费的功率越多。

所以，让我们再想想为什么今天的 GPU 不能再在 LPDDR4x 上运行。首先，LPDDR4x 在带宽成本方面表现不佳，对于给定的带宽量级（芯片数量的四倍），LPDDR4x 的成本要高出四倍以上，进而导致成本大幅增加- 9W 256 GB/s 带宽的 LPDDR4x 功耗约为 150 美元，而 11W 的 GDDR6 不到 40 美元，因此 LPDDR4x 并没有为矿工节省太多（注意我们在这里讨论的是带宽）成本，而不是内存容量成本)。

问题 9：像 Nvidia 这样的 GPU 制造商雇佣了大约 8000 人来开发 GPU，这也是非常复杂的；而像 LinZhi 这样的 ASIC 厂商只有十几个人，只开发 ETHash 挖矿算法的 ASIC 矿机。这些公司的人工成本相差 100 quies，所以可以说 ASIC 芯片在成本和上市时间方面比 GPU 芯片更有优势。

这里的重点是规模经济是一个重要因素。 GPU 行业也在世界各地的各种销售渠道中摊销。目前市场总规模约4200亿美元，其中AMD市值约116亿美元，英伟达约1545亿美元，最大的英特尔约2548亿美元。仅就内存市场而言，物理端口（PHY）和芯片的成本需要在一个价值 5000 亿美元的行业中分摊，其中三星电子拥有 320,671 名员工，市值约为 3259 亿美元，同时也是美国最活跃的专利申请人；其次是拥有34,100名员工的美光科技，市值约601亿美元，是第一家开发20Gbps高速GDDR6内存的芯片制造商；海力士拥有 187 名、903 名员工，市值约 568 亿美元asic芯片挖矿，他们开发了全球首款 1Ynm 16Gb DDR5 DRAM。相比之下，用于加密货币挖矿的ASIC芯片行业总市值仅为1460亿美元，其中730亿属于比特币。

另外，我们还要看看上市时间和技术接受模型（TAM），这里可以作为参考。如果已经全面开发且计算难度不是很高的SHA256d算法计算芯片需要三年时间迭代，那么有什么能保证像GPU这样支持ProgPow算法的ASIC矿机快速投产呢？我们您还可以分析最近用于挖掘以太坊加密货币的 ASIC 矿机。 GDDR6芯片样品试用期已经一年，至今还没有可以广泛使用的新版本产品。

来自 ProgPow 核心开发团队 IfDefElse 的最终想法

ProgPow 实际上是一种以规模经济、高知名度和更大竞争优势为后盾的挖矿硬件。

ProgPow 的核心开发团队 IfDefElse 规模不大，团队成员都有全职工作，所以无法及时回复所有问题和文章，也没有时间研究各种加密货币和区块链在线。在论坛里闲聊。虽然 IfDefElse 对硬件设计和开发非常感兴趣，但他们仍然建议涉足这个领域的人需要谨慎，因为硬件和软件一样，是一个多元化的领域，即使你是一个加密货币挖矿 ASIC 芯片非常熟悉的大名字，但可能不是 GPU-ASIC 领域的专家。