Технические данные чипа Bitfury

1. Технические данные чипа Bitfury

 

Чип Bitfury представляет собой ASIC (аббревиатура от англ. application-specific integrated circuit, — интегральная схема специального назначения), созданный для единственной задачи — подсчета значений хеш-функций в сети Bitcoin. При этом вычисления производятся только для обработки задач сети. Они не связаны ни с одним другим из известных проектов распределенных вычислений, ни с прочими самостоятельными криптографическими задачами.

 

1. Особенности чипа Bitfury

 

• Технология 55nm. Использован усовершенствованный процесс производства микросхемы на базе технологии  65nm, обеспечивающий экономию затрат мощности при сохранении производительности.
• Дизайн-схема. Чип спроектирован вручную, без использования автоматического синтеза из стандартных ячеек. Состоит, в том числе, из 756 хэш-ядер, 65 ядер синхронизации подсчетов и циклов загрузки.
• Корпус, обозначения. QFN48, 7mm x 7mm, логотип и цифровые обозначения изменяются согласно конкретной партии.
• Производительность. На этот параметр влияют поданное на чип напряжение и, установленная программно, реализованная во многих сборках opensource-майнеров, скорость внутреннего осциллятора (частота чипа). На практике, на дату написания данного руководства, имеются следующие практические данные:  при условии подачи питания в пределах 0.75 – 0.95V можно получить  производительность в пределах 1.8 — 3.0 GHps (gigahashes per second). Пример: 2.7 GHps достигается при 0.835V, значении осциллятора по умолчанию (минимальная частота).
• Потребление энергии. Так же, как и в предыдущем пункте, зависит от конкретной реализации принципиальной схемы подключения. В среднем, на практике, имеем следующие данные: вольтаж в пределах 0.75 – 0.95V дает от 0.7W до 1.9W на один GHps производительности чипа. Стоит отметить,  что любое потребление энергии выше 0.8W/Ghps напрямую связано с обвязкой чипа вспомогательными компонентами платы конкретного изделия, потреблением мощности блоками питания, коммуникаций и т.д.
• Тепловыделение. При нормальной нагрузке рабочей температурой чипа считается диапазон 50 – 55°С. Для стабильной работы при вольтаже больше 0.7V, рекомендуется рассчитать монтаж радиатора на нижнюю сторону печатной платы (cм. рекомендации в Разделе 2). Важно знать, что при температурах ниже 50°С возможно падение производительности.
• Потребляемый ток. Может изменяться в пределах от 1 до 3А в нагрузке, при расчете блока питания учитывайте эти данные. Например: при установленных на одной плате 16-ти чипах с напряжением VDD 0.8V, для получения максимальной производительности необходим блок питания, как минимум, 50А.
• Упаковка.  Чипы поставляются в «катушках» по 3000 штук в вакуумной антистатической оболочке.

 

2. Схема чипа Bitfury

 

Среди особенностей принципиальной схемы чипа Bitfury предусмотрены разные варианты  подключения и взаимодействия микросхем с использованием шины SPI (англ. Serial Peripheral Interface, SPI bus — последовательный периферийный интерфейс, шина SPI), а также распределение питания между чипами. Так например пины с 5 по 8 можно использовать для передачи/приема сигналов SPI на следующий чип, формируя цепочку подключения микросхем по шине. Схему пинов чипа Bitfury см. на рис.1.

 

Рис. 1 Схема пинов чипа Bitfury.

 

На рисунке 1, пин номер 49, обозначает подложку корпуса  QFN48, используемую как вывод питания GND и теплоотвод.

 

Функциональная схема  чипа приведена на рисунке 1.1.

 

 

Рисунок 1.1 Функциональная схема чипа Bitfury.

 

 

Таблица 1. Назначение выводов (пинов) микросхемы Bitfury.

Номер вывода	Название	Тип вывода	назначение
1*	CMQ	аналоговый	Выводы силовых транзисторов питания.
2*	CMPLU	аналоговый	Выводы силовых транзисторов питания.
3*	CMMINI	аналоговый	Выводы силовых транзисторов питания.
4	IOVDD	аналоговый	Питание SPI-интерфейса микросхемы – 1.8V.
5*	OUTCLK	Выход цифр.	Выход – ретранслированный сигнал внешнего генератора от INCLK .
6	OUTSCK	Выход цифр	Выход – ретранслированный тактовый сигнал SPI-шины.
7	OUTMOSI	Выход цифр	Выход – ретранслированный сигнал данных по SPI-шине.
8	OUTMISO	Вход цифр	Вход данных от предыдущего чипа по SPI-шине.
9	INMISO	Выход цифр	Выход данных от чипа по SPI-шине.
10	INMOSI	Вход цифр	Вход данных от чипа по SPI-шине.
11	INSCK	Вход цифр	Вход тактового сигнала SPI-шины.
12*	INCLK	Вход цифр	Вход внешнего генератора.
13	IOREF	аналоговый	Вывод, определяющий опорное напряжение для входных сигналов.
14-48	VDD	аналоговый	Питание внутренней логики микросхемы.
49	GND-PAD	аналоговый

 

Выводы микросхемы с  обозначением (*) используются только в  режиме подключения чипов в виде цепочки, где питание всей цепи выстраивается  от первого чипа, а частоты задаются внешним генератором частот. Благодаря этому экономится энергия потребления конкретного устройства и удешевляется сборка в связи с отсутствием многих вспомогательных компонентов. Во всех остальных вариантах подключения чипов пины 1, 2, 3 должны заводится на землю GND, а пины 5 и 12 остаются неиспользованными.

 

Уровень напряжения входных  и выходных сигналов SPI шины (цифровые).

• Логический ноль  –  от 0 до 0.6V.
• Логическая единица от 1.2 до 1.8V.
• На последнем чипе, в цепочке псоледовательно соединенных по сигнальным пинам SPI, пин номер 8 OUTMISO необходимо завести на землю GND через резистор 1kΩ.
• Напряжение питания (SPI) IOVDD – 1,8V.
• Напряжение IOREF – половина напряжения питания IOVDD – 0,9V (см. рис 1.2). Если напряжение VDD близко к 0.9V возможно заведение IOREF на питание VDD.

 

Рис.1.2 IOREF – половина напряжения питания IOVDD.

 

• Важно! При подключении чипа/цепочки чипов к контроллеру SPI необходимо использовать трансивер для согласования уровней сигналов. Например, шина SPI на Raspberry Pi имеет максимальный размах сигналов 3.3V. Соответственно необходимо использовать трансивер для согласования сигналов Bitfury 1.8V на Raspberry Pi 3.3V. 
• Рекомендуемые допустимые пределы напряжения питания VDD: от 0,7 до 0,9V. Питание ядер чипа должно быть стабильным без присутствия скачков. Это напрямую влияет на производительность и энергопотребление чипа в связке с установленным значением частоты осциллятора. Максимальное напряжение - 1.2V требует достаточного охлаждения и пониженных значений осциллятора. Настоятельно не рекомендуется использовать напряжение VDD больше 0.95V. В таблице 1.1 предоставлены электрические характеристики чипа.

 

Таблица 1.1 Основные электрические  характеристики чипа Bitfury.

 

Параметр	Обозначение	Min.	Type	Max.	Единицы
Питание чипа		0.6	0.8	0.95	V
Питание порта SPI		1.7	1.8	1.9	V
Температура чипа		-20	55	+105	°С
Ток потребляемый чипом		0	3	6	A

 

Таблица 1.2 Внутренний программируемый  осцилятор чипа Bitfury.

 

Параметр	Обозначение	Min.	Type	Max.	Единицы
Частоты внутреннего  программируемого осциллятора		240	340	450	MHz

 

 

2. Спецификация корпуса QFN48 7x7mm и рекомендации по монтажу.

 

В связи с тем, что  в нагрузке чип Bitfury выделяет достаточно большое количество тепла, для нормальной работы чипа требуется хорошее система  охлаждения, подобранная в зависимости  от схемы питания/частоты осцилятора. QFN48-корпус позволяет отводить излишнее тепло на широкий проводник земли под корпусом чипа. Печатную плату желательно спроектировать с двумя или более слоями земли. При этом самый последний слой будет служить для отвода тепла от всех чипов (см. рис. 2), установленных на плате, и монтажа радиатора. Стоит уделить внимание выбору термо-прокладки между поверхностью платы и радиатором. Если будет использоваться термопаста, необходим правильный расчет технологических отверстий на последнем слое. Иначе термопаста, растекаясь, проникнет через эти отверстия и попадет на контакты питания или сигналов, что может привести к потере работоспособности устройством.

 

 

 

Рис. 2. Нижняя сторона  земли с теплоотводами.

 

Для монтажа чипов  на такую плату мощности обычного монтажного фена будет не достаточно. Ведь нижний слой, выполняющий роль радиатора, будет отводить тепло быстрее, чем фен – успевать нагревать плату. Поэтому для монтажа чипов необходимо использовать паяльную пасту и печку с регулировкой температуры для пайки SMD-компонентов (или блок преднагревателя).  При проектировании схем с использованием большого количества чипов Bitfury, желательно придерживаться структуры:

1. Процессорная плата с цепочкой чипов.
2. Материнская плата в роли шины, объединяющей все цепочки в одну, или в роли буфера между блоком раздачи заданий и отдельной цепочкой.
3. Блок раздачи заданий.

 

На процессорной плате  устанавливаются непосредственно  чипы Bitfury. В ней желательно предусмотреть  несколько экранирующих слоев для  исключения «шумов» всей платы. 

 

На материнской плате необходимо предусмотреть монтажные разъемы, в которые будут подключаться процессорные платы, а также развязку через трансивер (например, 74AVCH4T245D) с блоком раздачи заданий.

В качестве блока раздачи заданий можно  использовать Raspberry Pi ver. B (http://ru.wikipedia.org/wiki/Raspberry_Pi ).

При монтаже процессорной платы следует  пользоваться трафаретом для нанесения  паяльной пасты. Важно не переусердствовать  с ее количеством. Также следует выбрать правильный диаметр отверстий под корпусом чипа Bitfury для проникновения излишков пасты внутрь платы. Иначе чип может быть приподнят днищем на подушке олова, в результате чего могут остаться не пропаянными сигнальные и питающие ноги. Под днищем рекомендуется располагать 16 отверстий – 0.45mm.

 

3. Примеры схематических  решений по использованию чипов  Bitfury.

 

3.1. Схема параллельного  включения микросхемы. Для каждой  микросхемы используется свой  сигнал SCK и MISO (см. рис. 3).

 

 

Рис. 3. Для каждой микросхемы используется свой сигнал SCK и  MISO.

 

3.2. Вариант  последовательного включения чипов  Bitfury по сигналам SPI и параллельно по питанию (см. рис. 3.1).

Рис. 3.1. Последовательное включение  чипов Bitfury по сигналам SPI и параллельно по питанию.

 

3.3. Вариант  источника питания для одной  микросхемы на базе TPS54331 (см. рис 3.2).

 

http://www.ti.com/product/tps54331

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps54331.pdf

 

 

Рис. 3.2. Схема источника  питания  TPS54331.

 

Технические параметры  источника питания для одной  микросхемы:

 

• Входное напряжение VCC – от 4 до 28V.
• Выходное напряжение VDD – от 0.8 до 1.2V.
• Выходное напряжение определяется номиналом резистора R*.
• Выходной ток до 3A.
• КПД источника питания зависит от входного напряжения и выходного тока – от 65 до 80%.

Расчет источника можно  произвести на сайте http://www.ti.com/product/tps54331,

задав требуемые параметры  и нажав кнопку Open Design (см. рис 3.3). При этом будут рассчитаны не только номиналы элементов, но и приблизительная стоимость источника.

 

 

 

Рис. 3.3. На данном сайте  возможно подобрать и рассчитать источник питания на базе других микросхем.

 

 

3.4.  Схема  подключения 16-ти чипов ( для  каждой микросхемы используется  свой сигнал SCK и  MISO) на одной  плате и объединение плат на  общей шине.