摩尔定律新动能：矿机芯片背后的“全定制方法论”

一方面是比特大陆蚂蚁矿机的停滞，另一方面是比特大陆神马矿机的异军突起； 一方面，芯片制造工艺逼近物理极限以太坊矿机是什么芯片，摩尔定律逐渐失效； 芯片在能源效率方面继续翻番。 所有这些变量的关键在于清华大学工程物理系杨作兴博士及其完全定制的方法论。 而这个年轻人改变的不仅仅是矿机芯片市场，也可能影响半导体芯片行业的未来。

“全定制方法论”背后的挖矿芯片“江湖”

2017年3月，深圳市BT微电子科技有限公司（以下简称“BT微”）在成立8个月后，推出了一款基于“全定制方式”设计的矿机芯片神马M3。 销售1000台，销售额近千万，年销售额超过5亿。

比特微董事长、总经理兼CTO杨作兴告诉新知讯：“我们去年的销售额是5亿元，净利润超过7000万元。今年上半年，我们已经实现了销售额10多亿元，净利润1亿元，交税近1亿元。 随着即将推出的神马M10，杨作兴更是信心满满：“目前M10的算力指标是33T到35T，是目前市场上最好的。” 杨作兴预计，比特微今年的销售额将超过30亿元。

尽管今年比特币价格持续下跌，矿机市场大幅下滑，但根据比特微公布的销售数据，其矿机销量仍在快速增长。

相比之下，比特大陆作为比特币矿机市场龙头的蚂蚁矿机销量则遭遇重挫。 目前，蚂蚁S9矿机现货价格较峰值下跌近80%。 而且根据比特大陆2018年第一季度公布的总资产数据，存货为12.4亿美元，超过2017年销售额的一半。如此庞大的存货，显然矿机的销售确实下降了。 而且今年二三季度矿机市场更加低迷，比特大陆的矿机销量进一步下滑。

一方面是比特大陆矿机销量锐减，另一方面是比特微的神马矿机异军突起。 杨作兴和他完全定制的方法论成为了关键。

什么是“完全自定义方法论”？

下图上半部分的流程就是我们目前比较熟悉的芯片设计流程。 用高级语言写一段代码，还有代工单元库，综合成门级网表。 完成后，将生成时钟。 ，然后布线形成一个GDS。 这是传统的芯片设计流程。

众所周知，目前的芯片设计公司乃至芯片代工厂，在芯片设计制造中，基本都依赖EDA（Electronic Design Automation）工具进行电路设计与仿真、自动布局布线、自动生成网表文件等。 等等

杨作兴提出的“全定制方法论”打破了原有的芯片设计流程和方法。

首先，它针对自己的芯片应用范围和场景，使用自己设计的单元库。 因为代工厂的单元库是面向所有客户的，生产出来的东西要考虑各种应用范围，所以在一些特殊场景下，可能在面积、功耗、功能上都不是最优的。

第二，使用手动布局。 芯片内的每一处，都值得寸土寸金。 如果能够利用布局中的空闲空间，肯定有助于提高性能。

三是时钟优化。 传统的设计方法是时钟相位的离散度越小越好，但在全定制中，则相反。 所有计算单元不能同时工作，必须遵循一定的计划，错峰工作。 执行，这在功耗和速度方面都会有很大的好处。

最后，还有一个手动门级网表。 在传统的芯片设计中，逻辑设计和物理设计是分开进行的。 写代码的人不知道单元库是什么，它长什么样，自己的作品长什么样。 工程师们不知道这个功能到底是干什么的，差距很大。 在这方面，全定制设计需要前后端耦合设计在一起。 也就是写代码的时候需要知道你写的设备的面积、功耗、速度是不是唯一的。 如果没有，请询​​问是否有更好的选择。 设计库的时候，需要知道你连接的是谁，线有多长，速度有多快，耗电多少，会不会失衡。

很多人会认为这很疯狂，因为在芯片中有数千万个器件的情况下，手工布局的效率会很低。 但 Microbit 还是这么做了。

“有时候，不可能其实是可能的。我们做了一个手工版图，用我们自己的库手动写门级网表，手工布局版图，这就是全定制设计。” 8月31日，在2018年第二届集微半导体峰会上，杨作兴阐述了他的“全定制方法论”：“当然，我们真的不用手动全部一一布局，一些对性能影响不大的接口逻辑也可以自动布局，一般芯片的器件面积利用率可以达到50%-70%，而我们一般手动达到50%-70%，我们全定制最好的记录就是可以做到97%。同时我们有一些自己的设计脚本，我们也在慢慢制作自己的设计工具来加快这个过程。”

其实通俗点说，全定制化的方法论就是根据芯片的具体应用领域和需求，进行全方位的定制化设计，让芯片内部的每一个晶体管都能发挥出最好的效果。 .

那么，对于同样的芯片，采用全定制方法论的设计周期与传统的EDA软件设计周期相比要多长呢？

杨作兴说：“对于小芯片来说，也差不多，基本上3-6个月就可以完成，如果没有做过，大概需要6个月。对于比较大和复杂的CPU和AI芯片，会比较慢，这个需要一个积累的过程，一个是IP的积累，以前没有这个IP，以后会积累这些代码和短代码；不能像以前那样光看书。这种人才的积累需要时间。”

首次进军矿机芯片领域，“全定制方法论”大放异彩

时间回到2011年，还是博士的杨作兴。 清华大学工程物理系学生，开始接触全定制方法论，实验制作了主频900MHz的RFID TAG芯片。 它有一个重要的特点，就是Passive，所有的电能都来自电磁波，从空气中吸收电磁波，虽然这不是全定制设计，只是用了一个手工门级网表，手工写了逻辑数千个门，但效果非常好。 优化了5倍，功耗×面积优化比达到了11倍。 经过这一战，更加坚定了杨作兴用全定制方法论设计芯片的决心。

2013年，基于定制ASIC芯片的比特币矿机市场开始兴起。 2013年2月，由比特币矿机领域的传奇人物“烤猫”姜新宇创立的深圳市比特泉信息技术有限公司，推出了第一代比特币矿机芯片和矿机，并迅速实现成功。

2014年年中，杨作兴进入矿机芯片设计领域，加入Bitspring，希望用他的“全定制方法论”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，所以单位算力的能耗是矿机芯片非常关键的一个指标。

很快，杨作兴就用全定制的方式完成了自己对BE300的优化设计，但接下来发生的事情却让杨作兴始料未及——“烤猫”不见了，比特泉公司解散了。 这也阻止了基于杨作兴全定制方法论设计的优化版BE300流片。

面对自己的辛苦白费，杨作兴很不甘心。 2015年，杨作兴带着他的“全定制方法论”与比特大陆技术总监詹克团进行交流，很快以兼职的形式帮助比特大陆开发了基于28nm工艺的蚂蚁S7矿机芯片——BM1385工作 。

根据杨作兴公布的数据，基于其全定制方法论设计的28nm矿机芯片（即比特大陆S7矿机上的BM1385）功耗优化比矿机提升1.71%采用传统APR方法设计的芯片。 次，成本优化比提升了2.5倍，功耗×成本优化比高达4.28倍。 杨作兴的全定制方法论首次成功验证。 凭借S7的大卖，成功帮助比特大陆在2015年开始一枝独秀。

后来，为了拿到比特大陆的融资，做自己感兴趣的无源摄像头芯片，杨作兴再次帮助比特大陆设计了蚂蚁S9矿机使用的16nm BM1387芯片。 BM1387流片成功后，杨作兴希望全职加入比特大陆，但遭到拒绝。 随后双方一拍即合。

自立门户，“神马”问世

8月31日集微半导体峰会结束后，杨作兴在接受新知讯采访时也透露，当时希望加入比特大陆，但经过五轮谈判，股权仍未谈妥。 无奈之下，杨作兴选择了以自己完全定制的方法论自立门户，于2016年7月创立了深圳市比特微电子科技有限公司，很快“神马矿机”就诞生了。

杨作兴接受新知讯采访

2017年2月，杨作兴研发的新型28nm矿机芯片BT1000成功投产。 2017年3月，基于该款矿机芯片的矿机——神马M3正式量产。

从上图的数据对比我们可以看出，得益于杨作兴的全定制方法论设计，比特微推出的Whatsmart M3同样采用了28nm工艺，同样是其全定制方法论设计。 蚂蚁S7在功耗×成本优化比上提升近2.7倍。

今年5月，BT微电子第二代16nm矿机芯片BT1800也正式投产，基于该芯片的神马M10矿机也将于9月19日正式发布。

根据杨作兴公布的数据（上图），神马M10的功耗×成本优化比，比同样采用全定制化设计的比特大陆蚂蚁S9高出2.5倍以上。

杨作兴说：“Whatsmart M10将是市场上最好的比特币矿机！”

比特微的“崛起”与比特大陆的“陨落”

随着比特币价格的持续低迷，单位算力消耗更低、硬件成本更低的矿机产品价值将更加凸显，自然成为矿工继续“求生”的首选。

因此，我们也看到，去年年销售额仅为5亿元的神马矿机，今年上半年已飙升至近10亿元，年销售额有望突破30亿元，这与去年相比大幅增加。 增长 600%。

值得注意的是，杨作兴与比特大陆分手后，除了基于S1387改进的蚂蚁S9i矿机外，比特大陆至今没有推出新的矿机芯片和新矿机。 然而，比特大陆此前正在研发的16nm BM1X89芯片、12nm BM1X90芯片、10nm BM1X93芯片设计似乎都以失败告终。 尽管比特大陆的7nm矿机芯片取得了成功，但其主要竞争对手嘉楠耘智抢先推出了7nm矿机芯片和矿机。 这也让比特大陆进一步失去了竞争优势。

更要命的是，比特大陆的莱特币矿机L3、以太坊矿机D3、Zcash Z9等技术指标也被竞争对手超越。 比特大陆去年推出的全新AI芯片Sophon BM1682在能效方面也远低于竞争对手。

从上述财报数据也可以看出，今年一季度，比特大陆的S9、L3、D3矿机毛利率均出现大幅下滑。 虽然今年一季度S9的销售数据还不错，但由于比特币市场火爆，比特大陆的矿机销售大部分都是全额预售，而2018年Q1录得的大部分收入其实都来自从 2017 年第四季度的订单。 今年以来，比特币价格暴跌，比特大陆蚂蚁矿机价格大幅下跌，矿机销量也直线下滑。 据自媒体陶氏资本研究，“比特大陆2018年Q1营收至少10亿美元来自2017年，2018年实际销售额最多约11亿美元，较上年下滑超过65%四分之一。”

那么为什么比特大陆在与杨作兴合作两款芯片后，没有掌握“全定制方法论”，并成功推出基于全定制设计的新一代矿机芯片呢？

对此，杨作兴解释道：“我之前做的都是芯片，全定制的方法论对设计师的要求很高，需要一流的设计工程师，只有经过项目锤炼才能掌握。在制作的过程当中他们，其实还有更好的说法，叫极致。其实，就像乔布斯一样以太坊矿机是什么芯片，要极端，变态，把每一个细节都做到极致。可以说，世界上不超过10个人能够完全掌握全定制方法论的个人。我们公司大概有1.7，一个（杨作兴本人），一半，三分之一。”

一方面是神马矿机的异军突起，另一方面是比特大陆的沉寂。 所有这些变量的关键是因为杨作兴和他的全定制方法论。 而这个年轻人改变的不仅仅是矿机芯片市场，还有可能影响整个半导体芯片行业的未来。 在8月底举行的2018年第二届集微半导体峰会上，杨作兴信心满满地表示：“全定制方法论将能够继续推动摩尔定律向前发展5-10年。”

“全定制方法论”是否会成为“摩尔定律”的新推动力？

早在20世纪70年代，英特尔创始人之一戈登·摩尔就提出了著名的“摩尔定律”，即“在价格不变的情况下，一块集成电路所能容纳的晶体管数量大约每增加18 -24 将在一个月内翻倍。” 同时，计算机性能通常会翻倍。

在摩尔定律提出后的几十年里，整个半导体行业确实一直在按照摩尔定律快速推进，但是从28nm开始，摩尔定律开始放缓，其带来的经济效益也开始下降。

2014年上半年，Intel的14nm制程正式发布（二季度末量产），而此时距离其22nm的发布已经过去了将近两年半的时间。 一直在努力推动摩尔定律的英特尔第一次出现了时间上的延迟。 随后，在从14nm向10nm迈进的过程中，英特尔再次遇到困难，量产时间一再推迟。 预计要到2019年才能正式量产。

虽然今年上半年台积电的7nm工艺已经量产，但台积电的7nm工艺其实和英特尔的10nm工艺差不多。 而接下来的5nm、3nm甚至1nm可能还有一段路要走，但无疑会更加艰难。

更悲观的是，虽然随着工艺的改进，晶体管密度可以进一步提升，但能够带来的性能提升或功耗降低却越来越少。 比如从28nm到16nm，面积缩小了40%，速度提高了30%-40%，但是如果选择提高速度，那么功耗也不能降低多少。 28nm之前，每一代工艺技术升级，功耗都可以降低一半以上，面积可以减少一半以上，速度可以提高一倍以上。 可是现在，这样的好事一去不复返了。

此外，随着工艺从10nm不断演进到5nm、3nm、1nm，要付出的代价也更高。 摩尔定律的经济效益可能存在也可能不存在。

此前，国外Semiengingeering网站曾发表过一篇关于工艺和芯片开发成本的文章。 文章指出，28nm节点的芯片开发成本为5130万美元； 16nm节点需要1亿美元； 7nm节点需要2.97亿美元； 5nm节点，芯片研发成本将达到5.42亿美元； ，因此其开发成本目前还难以确定，3nm的开发成本可能超过10亿美元。 此外，晶圆厂的建设也需要大量的现金支持，这将进一步增加芯片制造的成本。

显然，随着制造工艺不断逼近物理极限，芯片开发成本也急剧增加。 如果芯片厂商没有足够的实力，芯片出货量没有足够的出货量，就难以承受高昂的成本。

随着“摩尔定律”的推进越来越艰难，甚至“摩尔定律已死”的说法越来越被外界认可，包括英特尔在内的众多半导体公司和行业也将希望寄托在“架构”上。创新。” 实现“超越摩尔”。

至于所谓的“架构创新”，信智讯此前曾在《联电/格芯，后摩尔时代如何超越摩尔？》中先后放弃7nm。 ”文中指出，主要有以下三个方面：1、芯片工艺由原来的2D变为2.5D/3D堆叠；2、核心架构的创新，如采用非冯诺依曼系统架构，主要包括ASIC（Cambrian 1A、谷歌TPU等）、FPGA和一些新型GPU（Nvidia的Tesla系列等）、类脑芯片（IBM的TrueNorth、Intel的Loihi等）。 ); 3. 异构SoC片上系统。

杨作兴提出的“全定制方法论”，似乎是在上述三种方法之外的“架构创新”的新方向。

可以看出，杨作兴采用全定制方法论设计的S7、S9、Whatsmart M3、Whatsmart M10，每一代产品推出，与传统APR方法设计的相同制程工艺的矿机芯片相比，在功耗×成本优化的比例提升了4倍多。 这远远超出了单纯依靠先进制造工艺所带来的提升。

而且，全定制方法论不仅适用于ASIC矿机芯片，也适用于CPU、GPU和AI芯片。 同样，杨作兴也希望将全定制方法论从比特币矿机芯片领域进一步扩展到其他芯片领域。 杨作兴表示：“全定制方法论首先会成为虚拟货币和人工智能领域的主要方法论，然后逐渐扩展到手机、PC、服务器、物联网等领域。虽然全定制设计目前是人工的，也进入了模块化，概念上只是和以前的模块不同，以前的模块只有逻辑信息，没有物理信息，现在除了逻辑信息，还有物理信息，层层叠叠。

“以前我们做芯片基本靠EDA软件，但未来芯片设计可能会更加细致，每一个细节都要恰到好处，未来设计芯片就是一件艺术品！” 在杨作兴看来，未来完全制定的方法论带来了芯片设计的创新，有望继续推动摩尔定律向前发展5-10年。

“近几十年来，一直是我们的芯片代工厂推动着我们这个行业的快速发展，但现在他们累了，现在轮到我们芯片设计工程师为这个行业做贡献了。在半导体行业遇到瓶颈，我们设计师应该扛着这面旗帜往前走。我觉得这里面有很大的空间，这个空间可以让摩尔定律再往前走五年、十年，我觉得还有希望。”杨作兴大方的说完后发言台上，瑞芯微董事长李敏首先鼓掌。