回顾 2017| 比特币凶猛,然而 70% 的矿机 ASIC 公司面临出局命运

华尔街见闻 2018-02-17

什么是数字加密货币

2017 是见证比特币疯狂上涨的一年。一个比特币的交易价格从年初的 1000 美元不到,到最近的接近 20000 美元,足足翻了 20 多倍。除了比特币之外,以太坊等其他加密货币在今年的走势也是节节高升,带动了加密货币的狂潮。即使在前几个月中国宣布了规范化加密货币交易的政策让加密货币价格短暂回调,但是仍然无法阻挡之后加速上涨的行情,而许多新的区块链加密货币,如玩客币等也是层出不穷。传统金融市场也在渐渐正视和接纳比特币,如在不久之前芝加哥期权交易所退出了比特币期货,一上市就受到热烈追捧导致熔断。

我们首先来了解一下比特币以及其他加密货币背后的区块链技术。区块链技术是一种分布式记账技术。传统的集中式记账技术有一个中央系统来控制账本(如货币发行中的每一个货币),因此只有这个系统有权利发行和回收货币,同时也负责判断货币是否有效(是否是假币)。基于区块链系统的加密货币则完全不同,其背后是一种分布式记账系统。那么,加密货币是如何工作的呢?我们可以通过下面的例子来说明:

老张,小王和小李一起在矿洞里挖矿,每个人各占据一个角落,并且约定把挖到的金子都放到矿洞中央。老张挖到了一块金子,于是喊一嗓子叫来了小王和小李做见证,然后三个人同时在各自的账本上记录 " 老张于某时某刻挖到了若干黄金 ",并且把金子放到中间的金子堆里面。每天下班时结算,每个人按照账本上记录的数字拿走自己挖到的部分。另外也可以做交易,例如小王觉得小李对自己不错给自己带了饭,所以决定把在结算的时候给小李 1/10000 克黄金作为酬劳,不过这样的交易也需要大家见证,每个人都会在自己的账本上记录 " 小王于某时某刻给了小李 1/10000 克黄金 "。

在这个例子中,矿洞就是区块链,每个人挖矿的过程(执行挖矿算法)就是加密货币生产的过程,每个矿工(区块链上的节点)都会维护一份自己的账本。每当产生或交易加密货币,在区块链上就会广播(吼一嗓子)给所有矿工,每个矿工都会在自己的账本上做记录。这样账本就是分布式的,如果有一两个矿工的账本出错很容易就得到纠正,另外也不容易出现造假(因为很容易就能发现而且得到区块链系统的惩罚)。

我们最关心的是如何进行挖矿。前面说了,挖矿事实上是执行一个算法,这个算法正是哈希算法,可以粗略理解为用暴力穷举法去破解密码,而每当破解出一个密码(得到一个哈希碰撞),就视为挖到了一个加密货币。显然,使用运算能力更强的硬件能加速算法执行的过程,也就能先人一步挖到更多加密货币。在比特币如火如荼的今天,这些挖矿用的硬件也就成为了众人瞩目的焦点。

专业矿机:ASIC 的主战场

对于像比特币这样的成熟主流加密货币,早已有专业的矿场出现。什么是 " 成熟 " 的加密货币?首先,该货币需要被加密货币圈的几乎所有人所接受,有大量的人从事规模化采矿业务,甚至已经有隐隐成为新一代货币与传统货币抗衡之势头。其次,该加密货币的算法已经成熟,不会轻易更动。对于这样的加密货币,其采矿硬件量大而且算法固定,那么专用芯片 ASIC 显然是最佳选择。

比特币大规模矿场在今年如雨后春笋般出现,也带动了矿机公司的业务

在矿机 ASIC 领域,最重要的两个指标是算力和能效比。算力是指每秒钟能执行的哈希算法次数,通常用哈希每秒(H/s)表示,目前高端矿机(包括多块芯片)已经能做到 10TH/s 数量级的算力。除了算力之外,另外一个关键指标能效比指的是消耗单位能量芯片所能执行的哈希数量,用焦耳每哈希(J/H)表示。目前,矿场的主要开销就是矿机的电费。对于一个大规模矿厂来说,每天的利润等于每天挖到的比特币数量减去每天的电费,为了减少电费开销许多矿场甚至会选择设立在四川的偏远山区或者内蒙古鄂尔多斯等电费便宜的地方,因此能效比对于矿机 ASIC 来说也是至关重要。

矿机 ASIC 主要特点

整体系统:控制简单,计算部分才是大头

矿机整体系统简而言之是一个异构计算系统。主处理器(host processor)上通常会运行简单的操作系统,一方面可以和用户互动,另一方面负责给加速器(accelerator)布置任务,而加速器完成计算后再把结果汇报给主处理器。

在矿机系统中,由于算法任务非常单一(即哈希算法),基本无须分支预测、规划等复杂控制调度,因此我们会看到非常简单的主处理器,而重头戏会放到计算执行单元(即加速器)上。以比特大陆的系统为例,主处理器部分使用的是 2012 年 Xilinx 的 Zynq 系列 FPGA,其中包含两个 ARM A-9 核,另有部分 FPGA 逻辑可供手动配置。相对于主处理器使用的是 5 年多前的技术,其加速器(矿机 ASIC)则使用的是最新的技术,使用 16nm 工艺实现。这也是矿机系统 " 控制简单,计算强大 " 的极好体现。

算力是关键

如前所述,矿机 ASIC 最关键的指标就是计算能力(算力)。计算能力越强,则能越快挖到比特币。根据比特币的特点,挖到比特币的难度是随着全网算力提升而提升的。在目前全球已经有海量算力的今天,如果你的矿机算力不够,就意味着你越难挖到比特币。因此随着比特币的流行和 ASIC 矿机的普及,矿机 ASIC 的算力竞争日趋激烈,也逼迫矿机 ASIC 公司能快速提升芯片算力,否则就面临被淘汰的命运。

提升算力可以从微结构(micro-architecture)和系统两个级别入手。从微结构角度考虑,最关键的是如何设计流水线和平行处理架构,避免计算哈希算法的某一个环节成为系统性能的瓶颈。此外,内存访问也是微架构中要仔细考虑的。在冯诺依曼架构下,算法的执行需要存储单元。内存是做高成本但是快速的片上内存,还是做大容量但是访问速度较慢的片外内存就需要仔细斟酌。目前比特币的算法中,每次哈希算法执行需要的内存量不大,因此内存接口不太会成为瓶颈;但是在以太坊或者未来的其他加密货币中,内存接口有可能会成为瓶颈。

从系统角度考虑,则是增加集成度。把芯片无限做大,在一块芯片上海量的计算单元理论上可行,但是,现实中不这么做有两个重要原因,其一是散热问题,芯片发热随着芯片面积呈幂律上升规律,当芯片大到一定程度后散热系统就无法满足需求了。第二是良率问题,随着芯片面积变大,保证高良率将会是一个及其困难的问题。因此,目前增加集成度的办法是在散热和良率能保证的情况下把芯片尽量做大,同时在一个矿机里集成尽可能多的芯片。例如,比特大陆的蚂蚁矿机 S9 就在一个矿机里集成了 189 块芯片。当然,在系统包含大量芯片的时候,散热仍然会成为一个问题。这时候,除了宏观散热系统必须仔细设计以外,搭配芯片的高质量封装技术也会是关键。

能效比决定矿机多久能回本

除了算力之外,矿机 ASIC 最关键的就是能效比了。如前所述,目前挖矿很大的一块成本就是电力开销,因此在做矿机的时候要仔细考虑这个问题。同样,可以从微结构和系统层面去着手。从微结构方面,就是低功耗设计,例如如何做 clock gating 把不活动的单元关掉,如何更少地访问片外内存等等。另一方面,系统层次的功耗优化则往往容易被人忽视。在系统层面,首当其冲的就是电源管理。大家知道,矿机的接入电源是交流电 220V,而 16nm 芯片使用的标准电源电压是 0.75V。通常,从 220V 交流到 0.75V 直流需要多次电源转换,例如首先从 220V 交流转换为 14V 直流,再从 14V 直流转换为 5V 直流,然后再次从 5V 直流转换为 0.75V 直流电。即使每次电源转化的效率到达 90%,经过多次转换后的总效率也就是在 50%-70% 左右,这意味着光系统电源设计我们就损失了 30% 的能效比!而这 30% 的电就意味着 30% 的成本回收周期,在大规模部署的矿场中甚至关系到资金链是否稳固!这也是为什么大家会在矿机芯片领域如此重视电源设计的原因,比特大陆有一些相关专利就是描述如何优化矿机系统中的电源设计。

比特大陆关于电源系统的专利

除了电源之外,散热也是矿机能量开销的重要部分。为了减小散热成本,需要很好的封装设计,在经过仔细热流仿真后才能成为最终设计方案。

半导体制程考量

由于比特币 ASIC 主要是数字逻辑,对于半导体工艺的需求主要是高速数字逻辑,所以优先考虑使用先进工艺节点。另一方面,由于矿机 ASIC 公司背后的资金充足,因此也有能力使用这些先进工艺节点。由于挖矿 ASIC 的芯片尺寸一般都较大,从能效比考虑往往需要尽量减少漏电流,所以 FinFET 工艺就成了主流。选择工艺另外的一个考量是代工厂对于中小型公司的友好度。目前来看,比特币 ASIC 的公司主要都是中小型公司,换句话说不会像高通或者博通这样的大型公司一样有自己的 PDK/CAD 团队,因此需要代工厂能提供成熟的 PDK 和设计验证流程。综上考虑,目前能提供 FinFET 先进节点代工的全球也就 TSMC、Global Foundries 和三星几家,而 TSMC 相比 Global Foundries 和三星来说对于中小型公司的支持更好,这也是为什么目前最先进的矿机 ASIC(如比特大陆的芯片)通常都是使用 TSMC 16nm FinFET 工艺的原因。事实上,矿机 ASIC 目前已经成为了 TSMC 收入的主要增长点之一,相关的 4 亿美元营收占到了第三季度总营收的 5%。TSMC 财务发言人何丽梅更是在今年第三季度的财报的评论中表示,"TSMC 财务收入得益于强劲的客户需求,包括加密货币矿机芯片。" 同时,根据市场分析机构 Sanford C. Bernstein & Co. 的报告,中国首屈一指的矿机公司比特大陆已经成为了 TSMC 16nm FinFET 工艺最大的客户之一,在下一代的 10nm 节点甚至有消息比特大陆已经超越海思成为中国 TSMC 的中国第一大客户。

矿机 ASIC 竞争格局

在矿机 ASIC 的竞争格局中,中国人抢占了先机。目前,来自中国比特大陆的矿机已经占据了全球 70% 以上的比特币总算力,可谓龙头老大。其蚂蚁系列矿机中最先进的型号(蚂蚁 S9)使用了专门定制的 16nm 芯片,算力高达 14TH/S。

比特大陆在鄂尔多斯的矿场,一天能带来二十五万美元的收入

除了比特大陆之外,中国另一家值得关注的芯片公司是嘉楠耘智,其 Avalon 系列矿机也是老牌劲旅,最新的矿机则搭载了 16nm 芯片,可以实现 7.5TH/s 的算力。嘉楠耘智目前的最新动作也是准备转型人工智能芯片领域,宣布将会推出基于 16nm 工艺的 KPU。

除了中国的公司之外,BitFury 也是国际比特币矿机市场不可忽视的一股力量,占据了约 11% 的技术市场。BitFury 2011 年创立于俄罗斯,目前总部设在比利时,除了制造矿机和设计矿机芯片之外,目前正在慢慢转型做区块链和数据中心技术设施。据报道其 2017 财年收入接近 1 亿美元。近日,BitFury 刚刚宣布与加拿大比特币挖矿巨头 Hut 8 合作,将共同建设北美最大的矿场。

在未来,预计 16nm 在近几年仍然会成为矿机 ASIC 的主流工艺制程。下一代工艺(7nm)成本巨大,更关键的是其设计流程目前还不成熟,中小型公司尚没有把握掌握和走通流程。事实上,许多矿机 ASIC 的设计中,后端物理设计是交给 design service 去做的,而目前能掌握 7nm 工艺的 design service 公司还寥寥无几。在加密货币持续繁荣的前提下,我们预期矿机 ASIC 芯片会继续走到下一个半导体节点,但是其具体日程还取决的下一代半导体工艺的成熟。

未来趋势预测:落红不是无情物,化作春泥更护花

目前比特币风起云涌,让人看到了无数机会;然而,比特币矿机行业的风险其实并不小。首当其冲的风险就是比特币本身的相关风险。尽管目前比特币价格节节高升,但是目前的交易主要还是以投机为主,大家赌的就是比特币未来会成为主流货币之一,因此才会造成这样的走势。然而,一旦比特币没有成为未来的主流货币,那么现在的一切预期和疯狂的价格就会成为泡影,矿机 ASIC 行业也会崩溃。即使比特币能最终被全球所接受,还有第二个风险,就是矿机 ASIC 领域其实能容纳的公司数量不会很多。全世界 ASIC 矿机执行的算法完全相同,大家看的指标也就算力和能效比这两个,可谓是高度同质化竞争,小公司根本没有办法使用差异化的办法来找到新的细分市场。这就意味着,矿机 ASIC 市场之后最有可能的竞争格局不是百花齐放,而是赢家通吃,像处理器和 FPGA 一样只剩下少数巨头占据绝大部分市场,现在 60-70% 的小型矿机 ASIC 公司如果没法把技术做强将会面临淘汰的命运。目前 ASIC 矿机由于比特币疯涨而供不应求,因为矿机 ASIC 公司卖 ASIC 和矿机给第三方的获利还不如自己留着挖矿;然而这样的疯涨不可能成为常态,一旦比特币价格稳定后,矿机巨头出售矿机得到的利润就比自己挖矿利润更高,此时释放的产能就会投放出大量的矿机到市场,从而让矿机的价格快速下降,逼死其他技术和资本实力都较弱的小公司。

然而,这并不是说目前矿机 ASIC 公司做的都是无用功。事实上,矿机 ASIC 可以说是我国半导体行业在全球高速数字芯片方面的一次重大突破,比特大陆等中国公司在技术上走到了全球前列是一件相当值得庆贺的事情。即使未来比特币没有能成为主流,但是以比特大陆为首的矿机 ASIC 公司在高速强算力 ASIC 方面的积累也会成为中国半导体领域的宝贵财富。要知道,虽然比特币不一定成功,但是区块链技术成为主流是大概率事件,而区块链中用于验证的也是哈希算法,因此在区块链大规模普及后有机会也会需要强算力的 ASIC 来加速整体系统运行性能。除了区块链之外,另有人工智能和基因运算等新的核心技术会需要强大的算力以及相应的专用加速 ASIC,而这些 ASIC 最主要的指标也是算力和能效比,因此可以把矿机 ASIC 的经验快速移植到这些领域。在未来的算力竞赛中,中国必将走在世界前列,而这些矿机 ASIC 公司以及他们开发的技术将成为中国未来算力发展的重要支柱。

事实上,中国矿机 ASIC 的头部企业已经开始利用比特币挖矿获得的第一桶金开始进入其他算力密集行业。比特大陆已经在在大赚特赚的同时开始了在人工智能上的布局,推出了算丰系列 AI 加速卡。此外,以 Avalon 系列闻名的嘉楠耘智也已开始进军人工智能芯片领域。这样的 " 两步走 " 策略显然有助于对冲比特币市场的风险,能让这些矿机 ASIC 在未来走得更稳。

总结

随着加密货币价格的快速上涨,矿机以及其背后的相关 ASIC 这几年也是欣欣向荣。矿机 ASIC 主要使用高速数字逻辑,最注重的指标是算力和能效比,因此先进 FinFET 工艺是其最佳搭配,TSMC 也凭着成熟的 FinFET 工艺和友好的设计流程在加密货币热中获利颇丰。中国的加密货币矿机业处于全球领先的状态,这或许也是中国在区块链技术上弯道超车的一个机会。

我们在看到加密货币 ASIC 巨大市场机会的同时,业必须看到其中的高风险。与其他 ASIC 满足客户的需求不同,矿机 ASIC 直接与加密货币的价格挂钩,而加密货币目前的价格中投机成分极高,在缺乏监管的情况下存在崩盘的可能。然而,即使比特币市场崩溃,矿机 ASIC 中的高速逻辑芯片设计技术积累还是会成为中国半导体行业的宝贵财富,成为未来中国在全球算力竞赛中取得胜利的重要基石。

加密货币与矿机 ASIC 的未来,让我们试目以待。

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