“全定制方法学”背后的矿机芯片“江湖”

制程工艺逼近物理极限,摩尔定律逐渐失效,一边是比特微电子的基于全定制方法学的芯片,在能效比上的持续的成倍提升。这一切的变数的关键却都是因为清华工程物理系博士杨作兴和他的力推的全定制方法学。而这个年轻人,改变的不止是矿机芯片市场,或许还将影响

2017年3月,深圳比特微电子科技有限公司(以下简称“比特微”)在成立8个月之后,就推出了基于“全定制方法”设计的矿机芯片的神马M3,上市一个月就售出了1000台,销售额近千万,全年销售额超过5亿。

比特微董事长、总经理兼CTO杨作兴告诉芯智讯:“我们去年的销售是五个亿,净利润是七千多万,今年上半年也已经有了十几个亿的销售额,好几个亿的净利润,交了将近一个亿的税。”随着新的神马M10的即将上市,杨作兴更是信心满满:“M10目前的算力指标是33T到35T,这是目前市面上最好的。”杨作兴预计今年比特微的销售额将会突破30亿元。

虽然今年以来比特币价格持续走低,矿机市场景气度大幅下滑,但是从比特微公布的销售额数据来看,其矿机销量仍处于快速增长当中。

相比之下,比特币矿机市场老大——比特大陆的蚂蚁矿机的销量却遭到了重挫。目前蚂蚁S9矿机的现货价相比高峰时已跌去了近80%。而且,根据比特大陆2018年一季度公布总资产数据显示,存货为12.4亿美元,超过了2017年销售额的一半。这么大的库存量,显然,矿机销量确实出现了下滑。而且今年二、三季度矿机市场更是低迷,比特大陆的矿机销量进一步下滑。

一边是比特大陆矿机的销量的大幅下滑,一边是比特微的神马矿机的异军突起,冥冥之中,杨作兴和他的全定制方法学,成为了其中的关键。

下面这张图上半部分的流程,就是我们目前大家比较熟悉的芯片的设计流程,用高级语言写一个代码,还有代工厂单元库,综合成一个门级网表,做好以后再产生时钟,再布线,形成GDS。这就是传统的芯片设计的流程。

众所周知,目前的芯片设计公司乃至芯片代工厂,在芯片设计上制造上基本都是依赖于EDA(ElectronicDesign Automation,电子设计自动化)工具来进行电路设计仿真、自动布局布线,网表文件自动生成等等。

首先,其针对自己的芯片应用范围和场景,采用了自己设计的单元库。因为代工厂的单元库是面向所有的客户,做出来的东西要考虑各种应用范围,所以在一些局部特殊的场景的时候,可能在面积、功耗、功能方面不是最优的。

第二,采用手动布局。在芯片内部每一个地方都是寸土寸金,如果能够将版图里面的空余地方都利用起来,必然有助于提升性能。

第三,是时钟优化,传统设计方法是时钟相位离散性越小越好,但是在全定制里面却是反过来的,所有的计算单元不要再同一个时间工作,要按照一定的规划,错峰执行,这样的话在功耗和速度方面会有很大的好处。

最后是手动门级网表,传统的芯片设计是逻辑设计和物理设计分开做,写代码的人不知道单元库是什么东西,不知道长什么样,不知道自己的作品是什么样的。工程师也不知道这个功能怎么一回事,中间有很大的隔阂。而全定制设计在这方面则是需要前后端耦合一起设计的。即在写代码的时候要求你必须要知道你所写的器件的面积、功耗,速度,是不是唯一的,如果不是唯一的,要问一下有没有更好的选择。在设计一个库的时候,你需要知道你跟谁连,线有多长,它的速度是多少,它的功耗多少,会不会不平衡。

这个事情很多人会觉得比较疯狂,因为在芯片里面,几千万个器件的情况下,用手动去布效率将会非常低下。但是比特微还是这样干了。

“有一些时候,不可能的事情它其实是有可能的,我们做了一个手动的布局,用自己的库手动写门级网表,手动布局,这就是全定制设计。”在8月31日的2018第二届集微半导体峰会上,杨作兴针对其“全定制方法学”解释称:“当然,我们并不是真的所有的都是一个个手动去布局,一些对性能影响很小的接口逻辑也可以自动布局。一般芯片的器件面积利用率能做到50%-70%,我们一般是做到50%-70%的手动,在我们全定制里面最好的记录是能做到97%。同时我们有一些自己的设计脚本,我们也在慢慢做自己的设计工具来加速这个过程。”

实际上,用通俗易懂的话来说,全定制方法学就是根据芯片的具体应用领域和需求,在各方面都进行定制化的设计,使得芯片内部的每一个晶体管都能够发挥出最优的效果。

那么,同样一个芯片,采用全定制方法学的设计周期,相比传统采用EDA软件设计的周期大概要差多久呢?

杨作兴表示:“对于小芯片是差不多的,基本上3-6个月就可以完成,如果没有做过的线个月,对于比较大和复杂的CPUAI芯片会慢一些,这需要一个积累过程。一个是IP积累,以前没有这块的IP,未来把这些编码、简码积累起来;第二是会全定制方法的人很少,不是自己看个书就可以,要师傅带徒弟,不能像以前看一下书就好了。这块人才的积累更是需要时间的。”

时间拨回到2011年,当时还在清华工程物理系读博的杨作兴开始接触全定制方法学,并且实验性的做了一款主频900MHz的RFIDTAG芯片,它有一个重要的特点,是无源的,所有的电能来自电磁波,从空中吸收电磁波,虽然这并不是全定制设计,只是采用手动门级网表,把几千门的逻辑手动地写了一下,但是效果非常不错,功耗优化了五倍,功耗×面积优化比例达到了11倍。经此一役之后,坚定了杨作兴采用全定制方法学来设计芯片的决心。

2013年基于定制型ASIC芯片的比特币矿机市场开始兴起。2013年2月,比特币矿机领域传奇人物“烤猫”——蒋信宇成立的深圳比特泉信息科技有限公司推出了第一代比特币矿机芯片和矿机,并很快获得了成功。

2014年中,杨作兴进入矿机芯片设计领域,加盟了比特泉公司,希望通过自己“全定制的方法学”来帮助“烤猫”优化其第三代矿机芯片BE300的能效比。

因为对于矿机芯片来说,除了矿机硬件之外,最大的成本就是电费成本,所以单位算力下的能耗是矿机芯片极为关键的指标。

很快,杨作兴利用全定制方法完成了自己针对BE300的优化设计,但是随后发生的事情却让杨作兴始料未及——“烤猫”失踪了,比特泉公司解散了。这也使得基于杨作兴全定制方法学设计的优化版的BE300没能流片。

面对自己的心血付诸东流,杨作兴非常的不甘。2015年杨作兴带着其“全定制方法学”与比特大陆技术负责人詹克团进行了交流,并很快以兼职的工作形式帮助比特大陆研发了蚂蚁S7矿机的芯片——基于28nm工艺的BM1385。

根据杨作兴公布的数据显示,基于其全定制方法学设计的28nm矿机芯片(即比特大陆S7矿机搭载的BM1385)与传统APR方法设计的矿机芯片相比,功耗优化比例提升了1.71倍,成本优化比例提高了2.5倍,功耗×成本优化比例高达4.28倍。杨作兴的全定制方法学第一次得到了成功验证,随着S7的大卖,成功帮助比特大陆在2015年开始一枝独秀。

随。

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