3nm挖矿ASIC，实现亚阈值运行

本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）综合

第三代挖矿芯片Kamikaze III的能效将达到10.45 J/TH。

日本加密货币挖矿ASIC公司Triple-1即将流片其第三代比特币挖矿芯片Kamikaze III，该芯片基于台积电3nm工艺技术制造。Triple-1总裁兼首席执行官Takuya Yamaguchi在接受采访时表示，得益于实现亚阈值（sub-threshold）运行的专有技术，Kamikaze III的能效将达到10.45 J/TH，公司还计划将该技术应用于即将推出的AI加速器芯片中。

Yamaguchi于2016年创立了Triple-1，公司于2018年推出了基于台积电7nm工艺的第一代Kamikaze挖矿芯片。第二代挖矿芯片于2020年与一款内部研发的AI加速器测试芯片一同推出，两者均采用台积电5nm工艺。

Yamaguchi表示，由于加密货币价值下滑，挖矿芯片市场变得困难重重。Triple-1于2021年开始与日本电力巨头东京电力公司（TEPCO）展开合作。

Yamaguchi提到，在福岛核事故后，日本公用事业公司在可再生能源发电（主要是太阳能）方面投入巨资，但可再生能源通常依赖于天气，具有不可预测性。过剩的电力供应要么被储存，要么被浪费，而在2018年，由于电池成本高昂，这些电力通常都被浪费了。

Triple-1与TEPCO的合作引领公司走向了两条道路：一是与TEPCO子公司Agile Energy合作，在边缘端部署挖矿服务器，即靠近发电端，且仅在电力过剩时使用；二是同时开发固态电池产品。

“我们不仅专注于半导体设计，”Yamaguchi说，“纵观市场，一切都是紧密相连的：发电、基础设施与传输、能源存储与供应——它们都与数据中心息息相关。”

能源存储

“波动的能源供应是全球所有电力公司面临的巨大问题，”Yamaguchi补充道，“既安全又廉价的高性能电池对于未来建立更安全、更稳定的电力市场至关重要。”

该公司有一个独立的内部团队致力于固态电池的开发。Triple-1的固态电池能量密度已超过280Wh/kg。

“我们不仅与东京电力，还与日本以外的电力公司和政府进行了深入探讨，以利用这种电池，”Yamaguchi说。

与西方的“网状”电网不同，日本的电网呈“鱼骨状”结构，即支线从主干线引出。鱼骨状电网尤其容易发生拥堵，但这两种电网拓扑结构在郊区都使用较细的电缆，既不适合承受电网的高负荷，也不适合传输郊区太阳能设施所发的电。

“电力公司投资这种电缆成本非常高昂，”他说，“在当地存储能源，或者利用过剩能源运行数据中心，可以增加价值……正因如此，与这些参与者合作非常契合。”

Triple-1希望将其电池和边缘挖矿服务器推向亚洲及世界各地的政府和公用事业机构。

能效表现

在边缘部署挖矿服务器依赖于高能效。Triple-1通过使用最先进的制程节点以及采用专有的亚阈值设计技术来实现这一目标。

Kamikaze III将基于台积电3nm工艺制造。身为日本企业赋予了Triple-1优势，因为该公司可以自由使用这些先进工艺节点。

“Triple-1是中国以外唯一成功开发此类芯片的厂商，”Yamaguchi说，“即使是美国的大型企业也没能做到这一点。因此，我们在市场上具有一定的独特性。”

加密货币挖矿芯片是代工厂在新工艺节点上的热门“试金石（pipe-cleaner）”，即利用新工艺节点生产的首批产品。部分原因是挖矿芯片不包含任何高速接口IP、编解码器IP或SRAM，而这些部分通常需要单独验证和测试。这类芯片架构相对简单，只有单一时钟。它们通常也是体积较小、良率较高、产量较大的部件。这有助于像Triple-1这样的公司尽早获得使用新工艺节点的机会。

Yamaguchi表示，Triple-1计划在未来几年与其先进工艺节点方面的新兴日本代工厂Rapidus合作，旨在为客户提供一种仅限日本供应链的选项。

亚阈值技术

Triple-1已在多代挖矿芯片中使用了亚阈值运行技术。对于Kamikaze III，Triple-1的目标工作电压为0.26V。

如今的亚阈值设计已超出了自动化EDA工具的能力范围。因此，Triple-1的设计实现依赖于其对台积电PDK的额外表征、定制单元设计以及手动布线，这些共同构成了该公司IP的重要组成部分。

“我们技术的优势在于能够在控制风险的同时，最大限度地降低功耗和成本，”Yamaguchi说，“在确保芯片功能后，我们的首要任务是低功耗，其次是成本，最后是温度。如果热要求不是极度严格，我们会为最终系统选择风冷。如果热要求异常苛刻，我们将选择液冷以确保芯片始终正常运行。”

其他的温度缓解技术包括低功耗模式，如睡眠和深度睡眠模式，这可以扩大芯片的环境温度适应范围。如果已知的环境温度分布情况明确，可以在设计阶段引入特定的运行模式。此外，还可以采用先进技术，如软硬件协同设计，即感知温度并反馈以实现运行模式的动态切换。

Yamaguchi指出，随着挖矿芯片尺寸的减小（因为较大芯片在亚阈值电压下会限制时钟速度），亚阈值已成为一种可行的技术，并提到每块板上使用了多个小芯片。

下一代AI

Triple-1的亚阈值技术能否应用于未来的AI芯片？AI芯片能否部署在边缘，例如太阳能发电场内部或附近，利用过剩能源生成大语言模型（LLM）的Token？

Yamaguchi表示，事实上许多挖矿公司已经将重心转向AI。（例如，云公司IREN正从挖矿公司转型为AI云公司，并于近期与微软签署了97亿美元的协议。）

“挖矿厂商正致力于开始与美国超大规模云服务商合作，”Yamaguchi说，“有一个关键原因：挖矿公司与当地电力公司签订的电力合同。”

如今，有10-12GW的容量，约占整个数据中心行业电力足迹的15%，被用于加密货币挖矿。Yamaguchi说，这些公司已经从电力供应商那里谈下了优惠的价格，这对AI公司来说极具吸引力。

他补充道，Triple-1与挖矿公司现有的关系，结合其分布式计算方法以及对其他被忽视电源的利用能力，可能成为未来与AI公司合作的竞争优势。

“我们目前的重点在挖矿方面，而非AI，但一旦市场有需求，我们可以轻松转向AI，”Yamaguchi说，“郊区数据中心是AI的近期未来，而不是集中的基于GPU的超大规模数据中心。为了让全国都能使用AI服务，我们需要在本地进行部署。”

2020年，Triple-1制造了一款5nm AI加速器测试芯片Goku。该芯片使用了内部设计的训练NPU，在FP16精度下实现了10 TFLOPS/W的性能，但并未应用公司的亚阈值设计专长。不过，这些技术可以结合用于未来的AI芯片，特别是如果能利用亚阈值的高可靠性与AI推理较低精度要求之间明显的协同效应。

Yamaguchi表示，对于像AI芯片这样的未来应用，亚阈值运行可能仅应用于芯片上的特定模块，以缓解时钟速度问题。

亚阈值面临的另一个问题是SRAM，众所周知它在低电压下不稳定。Kamikaze挖矿芯片不使用SRAM，部分原因是使用非常先进的工艺节点意味着SRAM尚未针对目标工艺节点进行充分表征。Yamaguchi指出，无论如何，对于现代finFET工艺而言，这一问题已大大减少，公司预计这不会成为未来亚阈值设计（包括SRAM）的问题。

未来Triple-1 AI芯片面临的挑战还包括互连。像AI芯片一样，挖矿芯片也是多核的，但这些核心是独立工作以执行相同的哈希计算。这与AI加速器相反，后者需要核心协同工作处理单一的大型问题。因此，虽然核心对核心以及芯片对芯片的互连对挖矿并不关键，但对AI加速器而言却至关重要。

Yamaguchi表示，Triple-1的路线图上有商业边缘AI推理芯片，但利用分布式计算生成AI Token是否合理仍在讨论中。

Yamaguchi说，在此期间，Triple-1将寻求与亚洲及更广泛地区的政府和公用事业机构合作，通过销售芯片或与合作伙伴共同提供服务器或更高级别的解决方案，将其分布式计算基础设施概念商业化。

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