Milliwatt pro Gigahash: Krypto-Miner-ASICs setzen auf 22FDX

von: Dave Lammers

In den letzten Blogs habe ich mich mit der Verwendung des 22FDX®-Technologieprozesses für das Internet der Dinge und für Radaranwendungen im Automobilbereich befasst, Märkte, die eine Kombination aus Leistung und geringem Stromverbrauch erfordern. Das Mining von Kryptowährungen ist ein weiterer Markt, bei dem der Stromverbrauch ein entscheidendes Merkmal ist, ein Grund dafür, dass Miner allmählich von GPUs auf ASICs umsteigen.

Das Interessante an der Halbleiterindustrie ist, dass jede Anwendung eine andere Mischung aus Leistung, Stromverbrauch, Kosten und anderen Faktoren erfordert. Bei den Anwendungen für das Mining von Kryptowährungen ist dies der Fall, und zwar bis hin zu den wichtigsten Münzen - Bitcoin, Litecoin und Ethereum - und der Art und Weise, wie sie geschürft werden.

Anshel Sagein Associate Analyst bei Moor Insights & Strategy, der den Münzschürfungsmarkt beobachtet, sagte, dass die Schürfer "keine zusätzliche Logik auf dem Chip kaufen wollen. Sie wollen den Stromverbrauch minimieren. Alles ist extrem schlank, weil das meiste auf den Stromverbrauch hinausläuft".

Jeder der verschiedenen Algorithmen, so Sag, stellt "einen anderen Engpass dar, und die ASICs müssen auf unterschiedliche Weise konstruiert werden, um die Engpässe zu minimieren." (Sag und Patrick Moorhead, Hauptanalyst von Moor, haben ein Whitepaper über Fabriken und Kryptowährungsschürfer verfasst, das Details zu diesem Thema enthält).

"Da täglich so viel Energie verbraucht wird, achten Mining-Betriebe und Hersteller stets auf die Effizienz ihrer ASIC-Miner. Die 'Leistung' der meisten Mining-Geräte wird in Hashes pro Watt und nicht in der gesamten Hashing-Leistung gemessen." Quelle: Moor Insights & Strategy White Paper, "The Importance Of Fabs In Crypto Mining"

Unterschiedliche Architekturen

Sanjay Charagulla, Senior Director of Technology Marketing and Business Development bei GF, erläuterte die Unterschiede der für Bitcoin, Litecoin und Ethereum optimierten Miner-ASICs. Die Litecoin-ASICs haben in der Regel einen relativ geringen Anteil an Logiktransistoren, während SRAM-Zellen etwa zwei Drittel der Transistoren ausmachen. Charagulla argumentierte, dass der 22FDX-Prozess von GLOBALFOUNDRIES "eine der effizientesten SRAM-Bitzellen" hat, und nannte dies als Grund, warum GF "bereits mehrere Kundendesigns abgeklebt hat".

Das Ethereum-Mining, das etwa 10 Prozent des gesamten Marktes für Mining-ICs ausmacht, wurde bisher von Grafikprozessoren (GPUs) dominiert. Der Ethereum-Algorithmus erfordert eine relativ große Menge an externem Speicher, und die Chipgrößen sind größer. Charagulla sagte, dass er davon ausgeht, dass der Anteil des Ethereum-Minings auf bis zu einem Viertel des Marktes anwachsen wird, da die kommerzielle Technologie im Vergleich zu Bitcoin eine gute Transaktionsflexibilität bietet.

Bei Bitcoin - trotz einer Flut von Neuzugängen immer noch die dominierende Kryptowährung - bestehen die Mining-Geräte in der Regel aus mehreren Leiterplatten, auf denen jeweils mehr als 50-100 ASICs untergebracht sind. Diese winzigen ASICs sind Logikbausteine mit Hunderten von Multiplikations- und Akkumulationsschaltungen (MAC) auf jedem Chip, die keine externen Speicher oder Co-Prozessoren benötigen. Und wenn ein paar Kerne nicht funktionieren, kann der ASIC trotzdem weiterarbeiten. "Die Bitcoin-ASICs sind nicht besonders komplex. Das Layout und das Backend-Design sind der Schlüssel zur Effizienz", sagte er.

Da die Stromkosten für die Miner so wichtig sind, wird die Effizienz in Milliwatt pro Gigahash und nicht in der gesamten Hashing-Leistung gemessen. Bitmain, der dominierende Mining-Anbieter, hat einen Bitcoin-Miner mit 98 Milliwatt pro Gigahash beschrieben, und neue Konkurrenten versuchen, diesen Wert entweder zu erreichen oder zu übertreffen. "Wir haben mehrere Kunden engagiert, und eine Handvoll hat bereits gute Ergebnisse erzielt," sagte Charagulla.

Genügend Leistung

Ich habe Charagulla gefragt, ob die Miner schneller zur nächsten Stelle auf der Blockchain gelangen können, indem sie die Frequenz des ASICs erhöhen und für den zusätzlichen Stromverbrauch bezahlen. Er antwortete, dass die intelligente Strategie darin besteht, die ASICs mit einer "vernünftigen Frequenz von 400-500 MHz bei geringstem Stromverbrauch" zu betreiben, um den Wärmefluss innerhalb des Miners auf einem optimalen Niveau zu halten und Strom zu sparen.

Obwohl einige Bitcoin-ASICs auf FinFET-basierte Prozesse umgestellt werden, argumentiert Charagulla, dass die bessere Strategie darin besteht, die Herstellungskosten und den Stromverbrauch durch die Verwendung des FD-SOI-basierten FDX-Prozesses niedrig zu halten und gleichzeitig eine ausreichende Leistung zu gewährleisten. "Der Weg, dies zu erreichen, besteht darin, Tausende von Kernen bei einer bestimmten Frequenz parallel laufen zu lassen, damit sie das Rätsel noch lösen können. Die Kerne sind im Grunde eine Reihe von XOR-Gattern mit einem 16 Bit breiten Datenpfad in einem begrenzten Layout. Wir glauben, dass 22FDX die Anforderungen hier erfüllen wird. Wo FinFETs glänzen, ist bei Gigahertz-Taktraten, mit breiteren Bussen und Bit-Adder-Logik. In diesem Fall (Bitcoin-ASICs) gibt es keine Hochgeschwindigkeits-E/A. Wenn man also das Layout der Kerne optimieren kann, kann FD-SOI genauso gut sein wie FinFETs, und das zu geringeren Kosten."

Viele Kundendesigns, die den FDX-Prozess verwenden, arbeiten mit nur 0,4 V. Charagulla sagte, dass ein Tier-1-Kunde auf 0,3 Vdd heruntergeht, um Minern einen ASIC mit geringerem Stromverbrauch bei 80 Milliwatt pro Gigahash zu bieten, während er "immer noch in der Lage ist, den Algorithmus effizient auszuführen". Back Biasing und Forward Biasing können verwendet werden, um die Leistungs- und Energiespezifikationen zu erfüllen, fügte er hinzu.

Kapazitätsbeschränkungen

Sag, der Analyst von Moor Insights, sagte, dass einige "Premium"-Asic-Miner weiterhin in den modernsten FinFET-Prozessen hergestellt werden, während andere Miner einen anderen Weg einschlagen könnten. "FinFETs auf den teureren Nodes bieten eine höhere Leistung, aber zu einem höheren Preis. Wenn die Mining-ASICs nach kleineren Designregeln arbeiten, sind die Wafer teurer. Im Moment wollen die Leute die Kosten für Miner senken, damit sie mehr zu niedrigeren Kosten verkaufen und mehr Gewinn erzielen können. Bei einem Spitzenknoten wie 10nm oder 7nm sind die Erträge anfangs nicht so hoch. Die Kosten sind auf einem Spitzenknoten hoch."

Außerdem streiten sich die Bergbauunternehmen um die Förderkapazitäten, was ein weiterer Grund für die höheren Kosten ist", so Sag.

Da die Produktionsstätte von GF in Malta, N.Y., bei 14nm und den kommenden 7nm-Prozessen, die auf FinFETs basieren, nahezu voll ausgelastet ist, sehen die Bergbauunternehmen laut Sag die verfügbaren 22FDX-Kapazitäten in Dresden als Chance. Da mehr als ein halbes Dutzend Hersteller von Mining-Geräten in China ansässig sind, könnte 22FDX in China relativ bald zum Einsatz kommen", so Sag.

Sag merkte an, dass "GF gute Arbeit leistet, indem es die richtigen Prozesse für die richtigen Kunden auswählt, für das, was für sie wichtig ist. Nicht jeder Chip benötigt Milliarden von FinFET-Transistoren. 22FDX macht Sinn, wenn es um Preissensibilität und hohe Effizienz geht."

Im Whitepaper von Moor Insights heißt es: "Die FDX-Roadmap von GLOBALFOUNDRIES wird 2019 und 2020 um 12-nm-FDX erweitert, das mit noch geringerem Stromverbrauch und höherer Leistung arbeiten und gleichzeitig ein kostenfreundliches Profil aufweisen soll. Wir glauben, dass diese Produkterweiterung den Minern erheblich zugute kommen könnte. Die Kosten für die Herstellung von Chips werden zu einem immer wichtigeren Faktor für deren Erfolg, insbesondere da Bitcoin- und andere Altcoin-ASIC-Mining-Unternehmen bestrebt sind, so viel Volumen wie möglich abzusetzen."

Charagulla sagte, dass die verfügbaren Kapazitäten in Dresden neue Bergbauunternehmen zu 22FDX locken. "Malta ist größtenteils ausgelastet, und die Dresdner Fabrik ist eindeutig für 22FDX und 12FDX positioniert. Wir erhalten Design-Aufträge für Millimeterwellen-HF, für Basisstationen und Mobiltelefone sowie für Millimeterwellen-Radar. Für die Miner-ASICs bietet FDX einen Mehrwert, und das ist der Grund, warum die neuen Marktteilnehmer zu uns kommen.