比特币挖矿机设计技巧之串联供电

liuxy · 发表于 2018-12-16 21:06

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上帝说亲，给你一台时光穿梭机
你会做什么？
我会回到2009年
买10万个比特币
在穿梭到2017年底

卖掉！！
卖掉！！！
卖掉！！！！

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   比特币造就了很多暴富的神话，可惜我觉悟的太晚。等到繁花落尽，连当韭菜的能力都没有，可悲可叹。我唯有总结前人的经验，努力学习，奋发向上，争取在下一次机会到来的时候，可以很自信的说：我准备好了。
   有人会说，比特币跌跌不休，泡沫破碎了，还有什么好研究呢？实则不然，作为历史上为数不多的大批量量产的大功率纯哈希计算机器，比特币挖矿机史无前例的把大算力通过良好的散热、强大的系统设计能力做在了一个极小的空间里，这其中的门道，乍一看很简单，实际分析下来，每一个细节都让人叹为观止。本文所说的串联供电，就是一种简单但是非常实用的方法。
   在我们日常的系统设计中，一般内核电压的电流较大，但是即便超强的CPU，电流无非就是几A到十几就不得了了。通常的电源系统设计是前端通过适配器降压到12V或者5V，板级在通过DCDC降压给CPU供电，但是比特币挖矿机为了提高算力往往采用了16nm甚至更低的10nm工艺，并且采用的都是低压库，带来的影响就是--当内部100多个hash core同时运算的时候，电流可能高达三四十A，更糟糕的是现在通常采用的都是三个芯片并联的方式来扩充单板的算力，因此单路电流可能高达120A以上，从哪里去找一个电源，能够提供0.5V/150A的功率呢？即便有，MOS上的散热也是个巨大的考验。此外也要考虑没一级都采用DC供电的话，这个电路会非常复杂，器件非常多，几乎很难实现量产。
   问题是现实的，如何解决呢？聪明的挖矿机设计人员想到了一个非常好的思路。通过将芯片串联在一起，利用芯片本身的阻抗来进行分压。进而获取每一个芯片需要的低压大电流。见下图：

我们可以看到如果我们将24颗芯片串联在一起，那么只要这24颗芯片的工作状态一样，就可以确保它的VCORE到GND的阻抗相同，进而每一节能过获取到12V/24=0.6V的内核电压。试想如果我们用传统的系统架构设计，则我们需要24路0.6V/150A输出的电路或者是一路0.6V/150*24A的输出。而通过串联的改进，能够节省大量的降压电路或者减小过电流的能力，或者简单说，串联的方式就是传统高压输电的一种变形，不同的是在输电的过程中，同时也为负载提供足够的功率。正式有了这个创新，才使得挖矿机的的空间大大的节约，电源效率大大提高，也为后来大算力机器扫清了最大的障碍。
这是个伟大的发明，他解决了挖矿机最核心的问题：大电流供电，现在主流的矿机，都采用此架构，甚至矿机巨头还比特大陆还未这个电路注册了一大堆的专利，希望通过专利来阻碍别的厂商进入到这个市场。比特大陆因串联电路和比特微电子打官司在币圈几乎人尽皆知，这个电路的重要性可见一斑了。
附件是比特大陆申请专利的详细文档，有兴趣的朋友可以下下来看一下。

这个电路解决了电流的问题，然后紧接着也带来了个新问题：由于矿机芯片的hash core是并行连接的，因此每一颗芯片之间需要通讯。然而从这个系统架构我们可以看到。除了最后一节电路的VSS是真正的GND（0V）外，其他节数的芯片的VSS都不同，比如第二节的VSS实际是第一节的VCORE（0.6V），那么他们之间的通讯参考就不同？如何实现它们之间的通讯呢？这有是一个新的问题。我们的矿机大牛们又有什么招数呢？
等有时间在说吧。今天还得继续加班写代码呢！

串联供电电路专利.pdf (1.25 MB, 下载次数: 48)