比特币火热，但70%矿机ASIC公司面临出局命运

什么是数字加密货币

今年是见证比特币疯狂上涨的一年。 一枚比特币的交易价格从年初的不到1000美元涨到现在的近2万美元，涨幅超过20倍。 除了比特币，今年以太坊等其他加密货币的涨幅也在不断上升，带动了加密货币的狂潮。 尽管中国在过去几个月宣布了一项规范加密货币交易的政策，加密货币的价格得到了短暂的修正，但仍然无法阻止市场加速上涨，许多新的区块链加密货币如万科币也在不断涌现层出不穷。 传统金融市场也逐渐认可和接受比特币。 比如芝加哥期权交易所（CBOE）前不久退出比特币期货，一上市就受到热烈追捧，导致熔断。

让我们先看看比特币和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。 传统的中心化记账技术有一个中央系统来控制账本（比如货币发行中的每一种货币），所以只有这个系统才有货币的发行权和收回权，同时也负责判断货币是否有效（是否有效）伪造）。 基于区块链系统的加密货币则完全不同，背后有一个分布式账本系统。 那么，加密货币如何运作？ 我们可以用下面的例子来说明：

老张、小王和小李一起在矿井里挖，每人占一个角落，约定把挖到的金子全部放在矿井中央。 老张挖到一块金子，就把小王和小李叫来作证，然后三人同时在各自的账本上记下“老张某一时刻挖了多少金子”，把金子放进去。去中间的金堆里面。 结算每天下班后结算，大家根据台账记录的数字，把自己挖到的部分拿走。 此外，还可以进行交易。 比如，小王觉得小李对自己好，给他带了饭吃，于是决定在结算时给小李1/10000克黄金作为奖励。 但是，这样的交易也需要所有人的见证。 他们会在自己的账本上记下“小王在某个时刻给了小李1/10000克黄金”。

在这个例子中，矿场就是区块链，大家挖矿（执行挖矿算法）的过程就是加密货币生产的过程，每个矿工（区块链上的节点）都维护着自己的账本。 每当产生或交易一种加密货币时，它都会广播（尖叫）给区块链上的所有矿工，每个矿工都会将其记录在自己的账本中。 这样，账本就被分发了。 如果一两个矿工在账本上出错，很容易改正，不容易被篡改（因为很容易被发现，很容易被区块链系统惩罚）。

我们最关心的是如何挖矿。 如前所述，挖矿实际上是在执行一种算法。 这个算法就是哈希算法，可以大致理解为用暴力破解密码。 每当密码被破解（发生哈希冲突）时，它就被认为已经开采了一种加密货币。 显然，使用计算能力更强的硬件可以加快算法执行的过程，也可以提前挖掘更多的加密货币。 在比特币如火如荼的今天，这些挖矿硬件成为了人们关注的焦点。

专业矿机：ASIC的主战场

对于像比特币这样成熟的主流加密货币，已经出现了专业的矿场。 什么是“成熟”的加密货币？ 首先，货币需要被加密货币圈内几乎所有人所接受。 一大批人从事大规模的挖矿作业，甚至隐隐有成为与传统货币抗衡的新一代货币的势头。 其次，加密货币的算法已经成熟，不会轻易更改。 对于这种拥有大量挖矿硬件和固定算法的加密货币，那么专用芯片ASIC显然是最好的选择。

比特币大型矿场今年如雨后春笋般涌现，也带动了矿机企业的生意

在矿机ASIC领域，最重要的两个指标是算力和能效比。 计算能力是指每秒可以执行的哈希算法的数量，通常用哈希每秒（H/s）来表示。 目前高端矿机（包括多芯片）已经可以达到10TH/s量级的算力。 除了计算能力，另一个关键指标能效比是指芯片消耗单位能量可以执行的哈希数，单位为焦耳/哈希（J/H）。 目前，矿场的主要开支是矿机的电费。 对于大型矿厂来说，每天的利润等于每天开采的比特币数量减去每天的电费。 为了减少电费，不少矿场甚至选择在电价便宜的四川偏远山区或内蒙古鄂尔多斯开矿。 ，所以能效比对于矿机ASIC来说也是非常重要的。

矿机ASIC的主要特点

整体系统：控制简单，计算部分是大头

矿机整体系统简单来说就是一个异构计算系统。 主处理器（host processor）通常运行一个简单的操作系统。 它一方面可以与用户进行交互，另一方面负责为加速器（accelerator）安排任务。 加速器完成计算后，将结果上报给主处理器。

在矿机系统中，由于算法任务非常单一（即哈希算法），基本不需要分支预测、规划等复杂的控制和调度，所以我们会看到一个非常简单的主处理器，以及亮点将放在计算执行单元（加速器）上。 以比特大陆的系统为例，主处理器部分采用Xilinx 2012年推出的Zynq系列FPGA，包含两个ARM A-9内核，部分FPGA逻辑可以手动配置。 与5年前采用技术的主处理器相比，其加速器（矿机ASIC）采用了最新技术，采用16nm工艺实现。 这也是矿机系统“控制简单、计算强大”的绝佳体现。

算力是关键

前面说过，矿机ASIC最关键的指标就是算力（computing power）。 算力越强，挖比特币的速度就越快。 根据比特币的特性，比特币的挖矿难度随着全网算力的提升而增加。 在世界已经拥有海量算力的今天，如果你的矿机算力不够，就意味着你挖比特币会更加困难。 因此，随着比特币的普及和ASIC矿机的普及，矿机ASIC的算力竞争日趋激烈，也迫使矿机ASIC企业快速提升芯片算力，否则将面临被淘汰的命运。

提升算力可以从微架构和系统两个层面入手。 从微观结构来看，最关键的是如何设计流水线和并行处理架构，避免计算哈希算法的某个环节成为系统性能的瓶颈。 此外，在微架构中也仔细考虑了内存访问。 在冯诺依曼架构中，算法的执行需要存储单元。 存储器是成本高但速度快的片上存储器，还是容量大但访问速度慢的片外存储器，需要慎重考虑。 在目前的比特币算法中，每次哈希算法执行所需的内存量并不大，因此内存接口不太可能成为瓶颈； 但在以太坊或其他未来的加密货币中，内存接口可能成为瓶颈。

从系统的角度来说，就是增加集成度。 把芯片做得无限大在理论上是可行的，在一个芯片上拥有大量的计算单元在理论上是可行的。 然而，现实中没有这样做的重要原因有两个。 一是散热。 当芯片过大到一定程度时，散热系统就不能满足需求。 第二是收益率。 随着芯片面积越来越大，要保证高良品率将变得异常困难。 因此，目前提高集成度的方式是在保证散热和良品率的情况下，将芯片做的尽可能大，同时在一台矿机中集成尽可能多的芯片。 比如比特大陆的蚂蚁矿机S9，一台矿机集成了189颗芯片。 当然，当系统包含大量芯片时，散热仍然是个问题。 此时，除了宏散热系统的精心设计外，配套芯片的优质封装技术也将成为关键。

能效比决定了矿机多久可以回本

除了算力，矿机ASIC最关键的就是能效比。 前面说了，现在挖矿的成本很大一部分是用电，所以做矿机的时候一定要慎重考虑这个问题。 同样，可以从微观结构和系统层面入手。 从微观结构上来说就是低功耗设计，比如如何做时钟门控来关闭非活动单元，如何访问片外存储器少等等。 另一方面，系统级的功耗优化往往容易被忽视。 在系统层面，首当其冲的就是电源管理。 众所周知，矿机的供电电压是交流220V，而16nm芯片使用的标准供电电压是0.75V。 通常，从 220V AC 到 0.75V DC 需要进行多次电源转换，例如先从 220V AC 转换到 14V DC，然后从 14V DC 转换到 5V DC，然后再从 5V DC 转换到 0.75V DC。 即使每次功率转换的效率达到90%，多次转换后的总效率约为50%-70%，这意味着我们在光系统功率设计中损失了30%的能效比！ 而这30%的电费，就意味着30%的成本回收周期，更关系到大规模部署矿场资金链的稳定性！ 这也是大家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描述了如何优化矿机系统中的电源设计。

比特大陆电源系统专利

除了电源，散热也是矿机能耗的重要组成部分。 为了降低散热成本，需要进行良好的封装设计，经过仔细的热流仿真后才能成为最终设计。

半导体工艺注意事项

由于比特币ASIC主要是数字逻辑，对半导体技术的需求主要是高速数字逻辑，因此优先采用先进工艺节点。 另一方面，由于挖矿 ASIC 公司资金雄厚，他们也能够使用这些先进的工艺节点。 由于挖矿ASIC的芯片尺寸普遍较大，在能效方面往往需要尽量减少漏电流，因此FinFET工艺成为主流。 选择工艺的另一个考虑因素是代工厂对中小企业的友好程度。 目前，比特币ASIC公司主要是中小型公司。 换句话说，他们不会像高通或博通这样的大公司那样拥有自己的PDK/CAD团队。 因此，晶圆代工厂需要提供成熟的PDK和设计验证。 过程。 综上所述，目前全球只有台积电、格罗方德和三星能够提供FinFET先进节点代工。 与格罗方德和三星相比，台积电对中小型企业的支持更好，这也是比特大陆芯片等最先进的Advanced mining ASIC往往采用台积电16nm FinFET工艺的原因。 事实上，矿机ASIC已成为台积电营收主要增长点之一，相关营收4亿美元，占第三季总营收5%。 台积电财务发言人何丽梅甚至在今年第三季度财报评论中表示，“台积电的财务收入受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，中国领先的矿机公司比特大陆已成为台积电16nm FinFET工艺的最大客户之一。 在下一代10nm节点上，甚至有消息称比特大陆已经超越海思成为台积电在中国的第一大客户。 .

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占全球比特币总算力的70%以上，可谓龙头老大。 其蚂蚁系列矿机中最先进的型号（蚂蚁S9）采用专门定制的16nm芯片，算力高达14TH/S。

比特大陆在鄂尔多斯的矿山每天可带来 25 万美元的收入

除了比特大陆，国内另一家值得关注的芯片公司是嘉楠耘智。 旗下的阿瓦隆系列矿机也是老手了。 最新矿机搭载16nm芯片，可实现7.5TH/s的算力。 嘉楠耘智的最新动作也是准备转型人工智能芯片领域，宣布将推出基于16nm工艺的KPU。

除了中国企业，BitFury在国际比特币矿机市场也是一股不可忽视的力量，约占技术市场的11%。 BitFury 于 2011 年成立于俄罗斯，目前总部位于比利时。 除了制造矿机和设计矿机芯片外，BitFury 目前正在慢慢转型为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矿业巨头Hut 8合作，共同打造北美最大的矿场。

未来，预计16nm仍将成为近年来矿机ASIC的主流工艺。 下一代工艺（7nm）成本巨大，更重要的是它的设计工艺还不成熟，中小企业还没有把握掌握和走完工艺。 事实上，在很多矿机ASIC的设计中，后端的物理设计都交给了设计服务，能掌握7nm工艺的设计服务公司还是少之又少。 在加密货币持续繁荣的前提下比特币现有量多少个，我们预计用于矿机的ASIC芯片将继续到达下一个半导体节点，但具体时间表取决于下一代半导体工艺的成熟度。

未来趋势预测：落红非无情物，化作春泥护花

目前，比特币风起云涌，人们看到了无数机会； 然而，比特币矿机行业的风险其实并不小。 首先要承担的风险是与比特币本身相关的风险。 虽然目前比特币的价格在上涨，但目前的交易主要以投机为主。 大家都在赌比特币会成为未来的主流货币之一，这就是造成这种趋势的原因。 但是，一旦未来比特币没有成为主流货币，所有的期待和疯狂的价格都将化为乌有，矿机ASIC行业也将崩盘。 即便比特币最终能够被世界所接受，也存在第二个风险，即矿机ASIC领域能够容纳的公司数量不会很多。 全世界的ASIC矿机实现的算法都是完全一样的。 大家看的指标就是功率和能效比。 可谓高度同质化竞争。 小公司没有办法用差异化的方法去寻找新的细分市场。 . 这意味着矿机ASIC市场之后最有可能的竞争格局不是百花齐放，而是赢者通吃。 像处理器和FPGA，只有少数几家巨头占据了绝大部分市场。 现在60-70%的小型矿山Machine ASIC公司如果不能加强技术，将面临被淘汰的命运。 目前由于比特币的暴涨导致ASIC矿机供不应求，因为矿机ASIC公司将ASIC和矿机卖给第三方赚取的利润比自己留着挖矿要多； 然而，这样的暴涨并不能成为常态，一旦比特币价格企稳后，矿机巨头卖矿机赚取的利润将超过自己的挖矿利润。 这个时候，释放出来的产能会向市场释放大量的矿机，这样矿机的价格就会快速下降，迫使其他技术消亡。 和资本实力薄弱的小公司。

不过，这并不是说目前的矿机ASIC公司无所作为。 事实上，矿机ASIC可以说是我国半导体产业在全球高速数字芯片上的重大突破。 比特大陆等中国企业在技术上已经走在了世界前列，这是非常值得庆贺的。 即使未来比特币不成为主流，以比特大陆为首的矿机ASIC公司积累的高速、强算力ASIC也将成为中国半导体领域的一笔宝贵财富。 要知道比特币虽然不一定能成功，但是区块链技术成为主流是大概率事件，而区块链中也使用哈希算法进行验证，所以区块链大规模普及之后，会有机遇与需求 强大的计算能力 ASIC 加速整体系统性能。 除了区块链比特币现有量多少个，还有人工智能、基因计算等新的核心技术，需要强大的算力和相应的专用加速ASIC。 这些ASIC最重要的指标是算力和能效比。 因此，矿机 ASIC 经验迅速迁移到这些领域。 在未来的算力竞争中，中国一定会走在世界前列，而这些矿机ASIC公司及其研发的技术，将成为中国未来算力发展的重要支柱。

事实上，中国矿机ASIC龙头企业已经开始利用从比特币挖矿中获得的第一桶金进军其他算力密集型行业。 比特大陆在赚大钱的同时也已经开始布局人工智能，推出了搜风系列AI加速卡。 此外，以阿瓦隆系列着称的嘉楠耘智也开始进军人工智能芯片领域。 这样的“两步走”策略显然有利于对冲比特币市场的风险，能够让这些矿机ASIC在未来更加稳定。

总结

随着加密货币价格的快速上涨，矿机及其背后的相关ASIC近年来也蓬勃发展。 矿机ASIC主要采用高速数字逻辑，最重要的指标是算力和能效比。 因此，先进的FinFET技术是最适合它的。 台积电还凭借其成熟的 FinFET 技术和友好的设计流程，从加密货币热潮中获益。 相当丰富。 中国的加密货币矿机行业处于世界领先地位，这也可能是中国在区块链技术上弯道超车的机会。

虽然我们看到了加密货币 ASIC 的巨大市场机会，但该行业必须看到所涉及的高风险。 与其他满足客户需求的 ASIC 不同，矿机 ASIC 与加密货币的价格直接挂钩，而加密货币目前的价格具有很强的投机性，在缺乏监管的情况下存在崩盘的可能。 然而，即使比特币市场崩盘，矿机专用集成电路高速逻辑芯片设计技术的积累仍将成为中国半导体产业的宝贵财富，是中国未来在全球算力竞争中取胜的重要基石。

加密货币和矿机ASIC的未来，让我们来试试看。

R