FPGA mining: расчеты, версии майнеров и разработка своими руками
В этой статье подробно разберем, что такое FPGA-майнинг, какие устройства существуют на рынке, также расскажем кейсы и приведем сравнения с другими способами майнинга и ответим на вопрос, возможно ли сделать майнер своими руками.
Читайте в статье
Что такое fpga
FPGA расшифровывается как Field Programmable Gate Array, что по-русски переводится как «программируемая пользователем вентильная матрица», сокращается до ППВМ. Она является разновидностью ПЛИС — программируемой логической интегральной системы.
Микросхема представляет собой полупроводники. Используется в тех случаях, когда устройство предназначено для выполнения логических операций, типа and, or, nand и другие.
Технические основы можно найти в книге от Интел «FPGA для чайников» авторства Andrew Moore
То есть, это микросхема с повторяющимися логическими блоками, соединенными в цепь. Их можно сконфигурировать по собственному усмотрению с учетом задач.
FPGA mining распространился одно время, так как задача майнинга как раз совершать однотипные операции. Это был первый шаг перед АСИКами.
Но при майнинге температура устройства слишком поднималась, охлаждение и обеспечение электричеством выходили затратными, снижая рентабельность от fpga-майнера.
Проблему решали производители устройств, повышая эргономичность, стабильность работы и температуры.
ПЛИС даже в режиме цепи действуют как один майнер (порт UART). Когда плата подключается к ПК, распознается как устройство ttyUSB или COM под Windows.
Нормальная частота ошибок составляет менее 0,1%, если уровень ошибок увеличивается, это означает, что что-то пошло не так.
Для FPGA необходим дополнительный вентилятор. Измерение температуры позволяет cgminer отключать ПЛИС, если он становится слишком разогретым.
Майнинг на fpga Altera
Это устройство до сих пор можно считать топовым по производительности. Выпускалось наряду с Spartan (один из первых).
В конце 2011–начале 2012 года такие инновационные компании, как Butterfly Labs, ZTEX начали предлагать майнинговые устройства на базе FPGA. Большинство из них были основаны на FPGA Xilinx Spartan6-150 (200 to 220 MH/s) стоимостью 100 долларов, в устройствах BFL использовалась Altera (830 MH/s), что компания получила по сниженной цене.
Но цена на майнер все равно была высокой, по 600 долларов за микросхему.
В середине 2012 года BFL начал поставлять так называемое мини-устройство miniRig на 25,2 GH/s, состоящее из корпуса и вентиляторов, внутри несколько плат (как правило 17-18) на общую хэш-скорость в 25,2 ГГц/с. ПЛИС Altera в miniRig были еще более дорогими, вся конструкция стоила 15 тысяч долларов. Затем компания плавно перешла на ASIC.
Майнер, который использует совместимую плату FPGA, может работать и в пуле, и в одиночку.
Первый проект с открытым исходным кодом FPGA Bitcoin mine был выпущен 20 мая 2011 года для Altera и Xilinx FPGA. Чтобы скомпилировать код, нужны хотя бы базовые технические знания.
Люди использовали чипы для майнинга BTC, LTC, DOGE и других монет. Все разработки FPGA чаще всего были SHA256 или Scrypt. Силами сообщества была создана схема для майнинга X11. АСИКи начали вытеснять эти майнеры.
FPGA vs ASIC
Первое, что можно отметить, — это то, что разработать FPGA намного проще. В отличие от ПЛИС, дизайн ASIC начинается с совершенно пустой таблицы. Не значит, что каждый настроит микросхему для майнинга дома. Но при наличии базы и прочтении опыта других (об этом ниже), задача теоретически выполнима.
На FPGA вы начинаете с большого массива логических блоков, PLL, встроенных ОЗУ, буферов ввода-вывода, (де) сериализаторов, сетей распределения электроэнергии и т. д., разработка ASIC самостоятельно начинается еще с более низкого уровня. Это означает, что компоненты должны быть приобретены либо изготовлены как часть библиотеки, либо индивидуально разработаны для ASIC.
Следующей большой разницей является цикл разработки. Простые ПЛИС могут быть построены в течение дня или пары недель для умеренно сложного проекта. Это именно цикл: разработка -> выпуск -> тест -> фикс -> разработка…
Один цикл производства ASIC может занять несколько недель (месяцев), после чего вам необходимо интегрировать и протестировать его. После тестов баги не фиксятся, это слишком дорого.
Технология ASIC обеспечивает более высокую скорость и более низкое энергопотребление в сравнении с FPGA. Различия в скорости между двумя методами легко достигают 10 раз или более.
- Плюсы ПЛИС: можно поиграться самому, подходит для хобби, дешевле за одну единицу товара
- Плюсы АСИК: быстрее, ниже потребление, много предложений на рынке, работает «из коробки».
Сравнение с GPU
Графические процессоры значительно более мощные, чем CPU’s, как по мощности, так и по хешированию/ватту, но из-за присущей FGPA параллельности может быть примерно в 15 раз эффективнее.
В целом, вывод по FPDA такой, что они потребляют меньше электроэнергии, могут быть перенастроены и спроектированы самостоятельно, если вы разбираетесь в микроэлектронике. Но у них:
- высокая теплоотдача,
- устройства не подходят для новичиков,
- чтобы настроить своими руками, нужно действительно искать материалы.
Сравнение майнинга на алгоритме Scrypt
Несмотря на более высокую цену, АСИК будет выгоднее. Но для устойчивых к такой разработке монет, можно попробовать FPGA-майнер.
Майнер FPGA своими руками
Под Ethereum некоторые пытались писать майнер самостоятельно. Целый алгоритм таков:
- купить чип,
- разработать плату,
- собрать устройство,
- написать ядро под алгоритм майнинга: для SIA есть,для Groestl, для Keccak, их нужно адаптировать под свое устройство,
- установить дополнительный софт.
FPGA оборудованием занимаются:
- Icarus Project,
- X6500 Miner,
- ModMiner Quad,
- Ztex
- Altera от Intel (считается более удобной для новичков, так как есть более подробная документация).
Можно почитать эту тему (на английском), где энтузиаст собрал ферму из нескольких установок с доходом $ 160- $ 456 в день. Его ROI составляет 70-200 дней в зависимости от алгоритма.
Вся установка оснащена одним источником Rosewill Hercules 1600W, каждая карта сжигает 100-160 Вт. Любая приличная материнская плата для майнинга будет работать, загрузка на процессор очень низкая. Любая установка GPU может быть быстро переделана в FPGA.
Также ПЛИС использовали для высокочастотного трейдинга: статья на Хабре.
Готовые предложения на рынке
На англоязычном биткоинтоке аноним предлагал по цене в $7500 написать рабочий FPGA-майнер для CryptoNightv7.
План проекта таков:
- майнер должен успешно добывать Monero, используя cryptonightv7 на FPGA,
- майнер должен быть оптимизирован для Kintex-7,
- должен оставаться закрытым.
Также известно, что Baikal miner для Criptonight — это FPGA, что является их ключевым преимуществом после выпуска Bitmain Antminer X3. Если монета изменяет свой алгоритм хеширования, оборудование можно перенастроить.
Мы не можем рекомендовать конкретные сайты, потому что отношение к возможности майнить по алгоритму cryptonight на fpga спорно.
Также программы для майнинга и другие готовые решения обычно или платны, или забирают себе комиссию с намайненного в размере 3-5%.
Источник
Как я blakecoin майнер делал
Не знаю кому как, а меня прошедший 2017 год шокировал стремительным взлетом биткоина. Сейчас, конечно, ажиотаж уже ушел, а в 17-м году про криптовалюты говорили и писали все кому не лень.
Я видел, что люди пытаются зарабатывать на криптовалютах. Кто как умеет. Кто-то на все сбережения скупал видеокарты и начинал самостоятельно майнить в гараже. Кто-то вкладывался в облачный майнинг. Кто-то пытается организовать свой пул. Кто-то запустил в производство шоколадные биткоины, а кто-то выпускает минеральную воду:
Я тоже стал изучать, что же такое эти самые биткоины. Когда-то я даже начал свое собственное иследование алгоритма SHA256 и написал статью здесь на хабре «Можно ли вычислять биткоины быстрее, проще или легче?». Мои исследования алгоритмов хеширования до сих пор продолжаются и еще и близко не завершены… Может быть когда нибудь напишу про это отдельную статью. А сейчас пока вот это..
Я попробовал запустить bitcoin майнер в FPGA. Я понимал, что время уже ушло, но хотелось все же прикоснуться к технологии. Уже в конце прошлого года я вдруг почему-то вспомнил, что у меня совершенно без дела лежит плата Terasic DE10-Standard с ПЛИС Intel Cyclone V 5CSXFC6D6F31C6 — это тот чип, который со встроенным процессором ARM. Я подумал, что было бы интересно запустить какой нибудь альткоин майнер в этой плате. А что? Инвестировать в оборудование мне уже не надо, оно и так есть. Главное, чтобы плата зарабатывала больше, чем потребляет энергии.
Поиск подходящего альткоина был весьма прост. Я искал готовые проекты для FPGA, которые я смогу адаптировать под свою плату. Таковых оказалось не очень много. На самом деле как я понимаю во всем мире есть всего несколько человек, которые делали FPGA проекты и главное публиковали их в открытом доступе, например, на github.
Таким образом, я взял проект github.com/kramble/FPGA-Blakecoin-Miner и адаптировал его под имеющуюся у меня плату Марсоход3, а так же адаптировал этот проект для DE10-Standard.
Собственно о том, как я адаптировал проект для платы Марсоход3 написано здесь. Для Cyclone V в принципе все то же самое — только ревизия проекта квартуса blake_cv, мои исходники вот.
К моему сожалению в имеющийся у меня Cyclone V помещается только три хэш функции blake.
Чуть-чуть не хватает емкости ПЛИС до четырех хэшеров. Я запускаю проект на частоте 120МГц и за один такт рабочей частоты вычисляется один хэш blake. Значит производительность моего проекта 120*3=360MH/sec. Не очень много честно говоря, однако, как я уже сказал, плата у меня уже была, и возвращаеть ее стоимость мне не нужно… Тут еще Quartus говорит, что Fmax=150MHz. Можно попытаться поднять частоту, но боюсь придется ставить кулер, будет гудеть — ну не на столько мне нужны эти крипты, чтоб еще гул в комнате слушать.
Общая задумка проекта такая: плата имеет микросхему у которой есть и ПЛИС и Dual-ARM:
Когда плата стартует, то из U-BOOT первым делом загружается ПЛИС, затем стартует Linux и в нем программа майнинга cgminer. Я сперва думал, что я смогу устроить виртуальный канал связи между ARM и FPGA, и это на самом деле возможно, но так не получилось. Дело в том, что программа майнера cgminer работает с аппаратными майнерами через USB и использует библиотеку libusb. То есть мне проще подключить ПЛИС к Linux системе через преобразователь USB-COM на FTDI, чем городить городушку соединяя ПЛИС на шину ARMа. Я таким уже как-то занимался и это было не очень просто.
Сейчас мой «майнер» выглядит вот так (на Cyclone V поставил радиатор на термопасте, а то сильно греется):
Сказать по правде основные проблемы у меня как раз возникли не с FPGA проектом, а с cgminer.
1) Какой cgminer брать за основу своей разработки? И связанный с этим вопрос «Куда подключаться, чтобы начать майнить?». А какая связь между этими вопросами? Казалось бы, где тут проблема — бери самый свежий cgminer, какой найдешь. Но позвольте: на github есть 98 форков программы cgminer. Все они чем-то отличаются, какой есть хороший, а какой плохой, какой есть вообще хотя бы рабочий? Вот вам и опенсоурс. Каждый автор чего-то там себе добавлял и исправлял, или ломал… или делал свою монету. Разобраться не просто. Нашел для себя сайт, где на одной странице есть ссылка и на github проект и на github проект для FPGA. То есть эти два проекта видимо как-то могут и должны пересекаться.
2) Поскольку я взял за основу FPGA проект от автора kramble, то на самом деле, конечно, логично было бы взять его патчи, которые он приложил к своему проекту. Но и тут не без проблем. У него есть патчи к программе cgminer-3.1.1 и cgminer-3.4.3. Я решил, что лучше брать ту, что новее 3.4.3, но только потерял с ней время. Похоже автор начал адаптировать для этой версии, но что-то там не довел до конца и эта версия совсем сырая. Пришлось брать 3.1.1 а это кажется вообще старючая версия.
3) Авторы изменяющие программу cgminer в своих форках для своих альткоинов не следят за правильностью комментариев и именованием функций в коде. Зачастую в коде тут и там встречается слово bitcoin, а сам этот форк cgminer-а уже кажется не может считать для биткоина, а может только в альткоин.
4) Тесты. ГДЕ ТЕСТЫ? Я чего-то не понимаю, как можно делать сложный продукт без тестов? Я их не нашел.
Сказать по правде даже начинать что-то делать было не просто. Представьте себе, что нужно запустить некоторый проект в FPGA, но не очень понятно, что он должен делать, как получать данные, какие данные и в каком виде нужно выдавать результат. К этому FPGA проекту должна прилагаться некоторая программа, которую не известно точно где взять, но она должна обнаружить плату майнера, что-то туда посылать (неизвестно что) и что-то из нее получать. В каком формате, какими блоками, как часто — ничего не известно.
На самом деле, изучая патчи cgminer от kramble я примерно представляю себе как оно должно работать.
В файле usbutils.c прописаны устройства, которые могут рассматриваться как аппаратные внешние майнеры на шине USB:
Я в эту структуру добавил описатель своего USB-to-COM преобразователя FTDI-2232H. Теперь, если cgminer обнаружит устройство с VendorId/DeviceId = 0x0403:0x6010, то он попробует работать с этим устройством, как с платой Icarus, хоть она таковой и не является.
Дальше смотрим файл driver-icarus.c и тут есть функция icarus_detect_one:
Смысл такой. Программа передает плате заведомо известное задание на поиск хэша, причем в задании сказано с какого нонсе начинать вычисление и это нонсе немного меньше настоящего GOLDEN nonce. Таким образом, плата начнет считать с указанного места и буквально сразу в считанные доли секунды наткнется на GOLDEN nonce и вернет его. Программа тут же получит этот результат, сравнит его с правильным ответом и сразу становится понятно — это действительно тот HW майнер с которым можно работать или нет.
И вот тут была ужасная проблема — в проекте есть патчи на языке C, есть тестовая программа на питоне и тестбенч для FPGA.
В патчах на C тестовые данные выглядят вот так:
1) патч для cgminer-3.1.1
1) патч для cgminer-3.4.3
И что тут правильно, а что нет? Исходные данные одинаковые, а golden nonce объявлен разным. Парадокс… (заранее скажу, что в патче для cgminer-3.4.3 ошибка — нонсе 0x000187a2 не верный, а сколько времени я на это потратил..)
В проекте есть тестовая программа на питоне, которая читает текстовый файл, извлекает из него данные и передает в плату через последовательный порт… Там тестовые данные вот такие:
0000007057711b0d70d8682bd9eace78d4d1b42f82da7d934fac0db4001124d600000000cfb48fb35e8c6798b32e0f08f1dc3b6819faf768e1b23cc4226b944113334cc45255cc1f1c085340967d6c0e000000800000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000080020000
0000007057711b0d70d8682bd9eace78d4d1b42f82da7d934fac0db4001124d6000000008fa40da64f312f0fa4ad43e2075558faf4e6d910020709bb1f79d0fe94e0416f5255cc521c085340df6b6e01000000800000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000080020000
0000007095696e4529ae6568e4b2a0057a18e82ccf8d370bf87e358900f8ab5000000000253c6078c7245036a36c8e25fb2c1f99c938aeb8fac0be157c3b2fe34da2fa0952587a471c00fa391d2e5b02000000800000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000080020000
000000704445e0446fcf2a84c47ce7305722c76507ba74796eaf39fe0007d44d00000000cac961f63513134a82713b172f45c9b5e5eea25d63e27851fac443081f453de1525886fe1c01741184a5c70e000000800000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000080020000
00000070a3ac7627ca52f2b9d9a5607ac8212674e50eb8c6fb1219c80061ccd500000000ed5222b4f77e0d1b434e1e1c70608bc5d8cd9d363a59cbeb890f6cd433a6bd8d5258a0141c00b4e770777200000000800000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000080020000
000000706c90b789e84044d5be8b2fac01fafe3933ca3735269671e90043f8d900000000d74578c643ab8e267ab58bf117d61bb71a04960a10af9a649c0060cdb0caaca35258b3f81c00b4e7b1b94201000000800000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000080020000
00000070171d2644781cccf873ce3b6e54967afda244c47fc963bb240141b4ad00000000d56c4fbdc326e8f672834c8dbca53a087147fe0996d0c3a908a860e3db0589665258da3d1c016a2a14603a0a000000800000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000080020000
00000070d03c78cb0bb0b41a5a2c6ce75402e5be8a705a823928a5640011110400000000028fb80785a6310685f66a4e81e8f38800ea389df7f16cf2ffad16bb98e0c4855258dda01c016a2ae026d404000000800000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000080020000
0000007091a7eef446c4cb686aff8908ab5539d03a9ab2e975b9fe5700ed4ca9000000000f83bb385440decc66c10c0657fcd05f94c0bc844ebc744bba25b5bc2a7a557b5258e27c1c016a2a6ce1900a000000800000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000080020000
00000070856bd0a3fda5dac9ede45137e0c5648d82e64fbe72477f5300e96aec0000000026ca273dbbd919bdd13ba1fcac2106e1f63b70f1f5f5f068dd1da94491ed0aa45258e51b1c017a7644697709000000800000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000080020000
Ну то есть совершенно другие! Потом я уже понял, что это не те даннае, что посылаются в плату, из этих только извлекаются данные, специальным образом конвертируются в задание и отсылаются в плату.
Но все равно, среди этих тестовых данных для программы на питоне НЕТ задания похожего на то, которое описано в программе на C.
Ну хорошо, тогда смотрю тестовую программу-тестбенч на verilog:
Здесь есть предполагаемый пакет данных, который плата должна принять. Но опять этот предполагаемый пакет данных никак не похож на пакет данных в программе на C или на данные для тестовой программы на питоне.
Вот это отсутствие общих тестовых данных для программы на питоне, C и Verilog очень сильно портит картину. Получается, что между компонентами как бы нет общих точек соприкосновения, общих тестов и это печально.
Вообще, в верилог проекте blakecoin майнера было скрыто еще одно форменное издевательство над моим организмом.
Если проводить симуляцию проекта с verilog тестбенчем, то в симуляторе с вот этими тестовыми данными 416’h000007ffffbd9207ffff001e11f35052d5544… замечательно находится и возвращается результат GOLDEN nonce.
Потом проект компилирую для реальной FPGA платы, эти же самые данные подаю из программы на питоне и… плата не находит GOLDEN nonce…
Оказывается, что тестовые данные в verilog тестбенче «немного плохие». Они для низкой сложности, когда в результирующем хэше всего 24 ведущих нуля, а не 32, как требуется.
В файле experimental/LX150-FourPiped/BLAKE_CORE_FOURPIPED.v есть вот такой код
В Verilog симуляторе проверяется не так, как будет будет работать в железе! То есть для реальной FPGA платы будем проверять на 32 бита ведущих нулей, а в симуляции будем проверять только 24 бита. Это просто прелестно. Хочется побить автора.
Я конечно, все это победил. По крайней мере, тестовая программа на питоне выдает бодрые сообщения:
Ладно, что в результате? Сколько намайнил? К сожалению нисколько.
Как только я был уже готов начать майнить, буквально в конце января сложность блейка сильно возросла:
Теперь я мог оставить на сутки плату и она хоть и находила решения, но их не принимал пул — все еще мало ведущих нулей.
Я пробовал переключиться на другую валюту — VCASH. С этой валютой пул хотя бы иногда выдавал мне бодрящие сообщения вроде вот этого:
Но все равно и VCASH пул ничего не начисляет. Печаль-беда.
Пользуясь случаем хотел бы спросить у знающих людей. Вот у меня есть видеокарта Nvidia 1060. Она выдает 1,25GHash/sec на блейкоине и за час два-три раза выдает nonce, который принимает пул (и начисляет копеечку). Я думал, что если моя FPGA плата считает 360MHash/sec, ну то есть примерно в 3 раза хуже, чем видеокарта, то я за два часа получу хотя бы один нонсе принятый пулом. Однако, этого не происходит. Даже за сутки нет ни одной копеечки… Где тут подвох для меня так и осталось загадка…
Сейчас я на досуге пытаюсь понять можно ли как-то оптимизировать имеющийся FPGA проект, скажем задействовать встроенную память или еще что-то. Может быть, если повезет, что-то и придумаю.
Источник