比特大陸前總監(jiān)揭秘：一款古老又簡(jiǎn)單的電路，讓S9成為了一代機(jī)皇來(lái)源：吳說(shuō)區(qū)塊鏈作者：謝

來(lái)源：吳說(shuō)區(qū)塊鏈 作者：謝丹

（本文作者為比特大陸前技術(shù)總監(jiān)謝丹。文章觀點(diǎn)為作者個(gè)人意見(jiàn)，不代表EETOP立場(chǎng)）

前言：隨著大算力礦機(jī)集體入場(chǎng)，一代機(jī)皇螞蟻礦機(jī)S9將要退出歷史舞臺(tái)。回顧歷史，作者認(rèn)為，成都團(tuán)隊(duì)通過(guò)動(dòng)態(tài)觸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的跨代優(yōu)勢(shì)，也是S9成功的主要原因。S9的設(shè)計(jì)是比特幣礦機(jī)的奇跡，成為了比特幣礦機(jī)中生產(chǎn)最多的礦機(jī)，生命周期三年多，被稱為機(jī)皇。

2014年8月，我在成都開(kāi)了一家后端設(shè)計(jì)服務(wù)公司，我想做有增值價(jià)值的后端設(shè)計(jì)服務(wù)。在找客戶的時(shí)候，我上網(wǎng)搜索了一下，覺(jué)得做比特幣礦機(jī)的公司應(yīng)該有著這方面的需求，于是給當(dāng)時(shí)比特大陸的網(wǎng)站上的郵箱寫了封電郵：

當(dāng)時(shí)，我給很多家集成電路設(shè)計(jì)公司都寫過(guò)郵件，而比特大陸是最快回復(fù)的一家。后來(lái)聊天的時(shí)候了解到，這個(gè)郵箱當(dāng)時(shí)是吳忌寒吳總在使用，比特大陸那時(shí)正好也在尋找提高芯片競(jìng)爭(zhēng)力的方案。于是吳忌寒把這個(gè)郵件轉(zhuǎn)給詹克團(tuán)詹總，詹總九月路過(guò)成都和我見(jiàn)面了。詹總和我面談了兩次，大家聊得不錯(cuò)。詹總覺(jué)得這個(gè)項(xiàng)目時(shí)間很長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)較大，且存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)的顧慮，建議我解散公司，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)加入比特大陸。

2014年10月，我?guī)е鴥蓚€(gè)人的小團(tuán)隊(duì)正式加入比特大陸，成為比特大陸的全定制部門。最初的方向就是郵件中講的多米諾邏輯。

多米諾邏輯是一種比較成熟的動(dòng)態(tài)邏輯結(jié)構(gòu)，其主要形態(tài)是這樣的：

多米諾邏輯電路相對(duì)于對(duì)應(yīng)的靜態(tài)電路，有著以下優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：

因?yàn)樾盘?hào)只需要驅(qū)動(dòng)N管，所以電容較小，速度較快。
因?yàn)锳點(diǎn)是動(dòng)態(tài)點(diǎn)，所以最后的反向器M3/M4是必須的。
A點(diǎn)存在charge-sharing的問(wèn)題。
M1，M2，M3，M4為新增器件，PMOS為減少器件
因?yàn)镸1、M2為時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)，所以它的功耗至少是其它普通信號(hào)的2倍以上。

所以，從功耗上考慮，M1與M2因?yàn)槭菚r(shí)鐘信號(hào)，它的功耗至少按照兩倍信號(hào)的功耗算，則 M1+M2+M3+M4的功耗是增加了 6個(gè)MOS管的功耗，對(duì)于一般邏輯來(lái)說(shuō)，超過(guò)12個(gè)MOS管的標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)并不多。從面積上講，M2+M4增加了2個(gè)NMOS管的面積，而PMOS雖然少了，但在版圖上很難把這節(jié)省的面積體現(xiàn)出來(lái)。也就是說(shuō)：多米諾邏輯雖然會(huì)加快芯片速度，但是面積與功耗都稍有增加。

當(dāng)我們2015年1月把結(jié)論提交的時(shí)候，基本確認(rèn)了多米諾邏輯是不適應(yīng)礦機(jī)芯片的。比特幣礦機(jī)芯片因?yàn)榧儾⑿羞\(yùn)算，速度并不那么重要。礦機(jī)最大的成本在于電費(fèi)，所以，功耗是最重要的。我們?cè)谶M(jìn)行面積與功耗的大拇指規(guī)則（rule of thumb）評(píng)估時(shí)，功耗的權(quán)重是面積和速度的3倍以上。

我們多米諾邏輯嘗試的失敗，并沒(méi)有打擊我們的探索，因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)了一種適合動(dòng)態(tài)邏輯其積大管子多的標(biāo)準(zhǔn)單元，而這種標(biāo)準(zhǔn)單元有一個(gè)很明顯的例子，就是觸發(fā)器Flip-flop。于是我們重回開(kāi)始，以動(dòng)態(tài)的觸發(fā)器做為攻堅(jiān)目標(biāo)。

在集成電路的開(kāi)始，上個(gè)世紀(jì)的七十年代，因?yàn)槊總€(gè)晶體管的成本高，所以，那個(gè)時(shí)候的觸發(fā)器都是動(dòng)態(tài)的，無(wú)論是domino flip-flop，C2MOS edge-triggered flip-flop,還是TSPC positive-edge Flip-flop 等，都是當(dāng)時(shí)的產(chǎn)物。我們從中發(fā)現(xiàn)了寶庫(kù)。

比如一個(gè)TSPC positive-edge Flip-flop ，它的邏輯如下：

仍然按照我們clock gate算作兩個(gè)gate的話，這個(gè)flip-flop總共就是 4*2+7=15 個(gè)gate 等價(jià)。

而我們之前最常用的靜態(tài)觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)是這樣的：

再加上clk的反向器，這個(gè)我們加一起就是 8*2+12 +4 =32個(gè) gate等價(jià)。靜態(tài)邏輯的觸發(fā)器等價(jià)管子數(shù)功耗比動(dòng)態(tài)邏輯多1倍以上。

同樣的，從面積上看，動(dòng)態(tài)邏輯是11個(gè)器件，而靜態(tài)邏輯是22個(gè)器件，正好是一倍的面積。

我們?cè)诖_認(rèn)了采用動(dòng)態(tài)邏輯的觸發(fā)器之后，接下來(lái)就是如果融入我們的設(shè)計(jì)流程。我們最后在靜態(tài)邏輯的觸發(fā)器的功能描述上，增加了部分時(shí)間的約束，以防止動(dòng)態(tài)邏輯中漏電流導(dǎo)致動(dòng)態(tài)電容點(diǎn)漏電。并且在時(shí)序和功耗提庫(kù)時(shí)，用靜態(tài)觸發(fā)器的一些參數(shù)進(jìn)行套用。簡(jiǎn)單說(shuō)，我們?cè)趧?dòng)態(tài)邏輯上加了一個(gè)外框，讓它在前端設(shè)計(jì)人員看來(lái)，就是一個(gè)正常的靜態(tài)觸發(fā)器，對(duì)于前端設(shè)計(jì)與綜合，沒(méi)有任何的不同。

完成了對(duì)動(dòng)態(tài)觸發(fā)器的提庫(kù)，我們相當(dāng)于有一個(gè)面積為原來(lái)一半，且功耗為原來(lái)一半，時(shí)序幾乎類似的新的觸發(fā)器了。因?yàn)楸忍貛判枰煌５赜?jì)算，所以靜態(tài)觸發(fā)器需要保存較長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)就沒(méi)有必要。當(dāng)我們?cè)谕瓿蓜?dòng)態(tài)觸發(fā)器之后，比特幣這種分布運(yùn)算以及完全流水線的邏輯就特別適合動(dòng)態(tài)觸發(fā)器了。對(duì)于pipeline流水線來(lái)說(shuō)，它的結(jié)構(gòu)是這樣的：