Blockchain it!

Универсальная система для майнинга SHA-256 и SCRYPT

Papa Carlo

Все права защищены 2018 годDravnieku iela 9 - 117, Riga, Latviaтел. +7 812 570 4040тел. +371 2252 2262info@buratino.tech

Technical paper

Papa Carlo 2

Содержание

Вы находитесь здесьÒåõíè÷åñêèå ìîìåíòû è îïèñàíèå ñèñòåìû ìàéíèíãàÎïèñàíèå ãîëîâíîãî áëîêà Ñèñòåìà ïèòàíèÿÑèñòåìà âû÷èñëåíèÿÆèäêîñòíîå îõëàæäåíèåÑåðâåðíîå èñïîëíåíèÿÌîíèòîðèíã, íàñòðîéêà è êîíòðîëü

23

46789

10

--

------

Papa Carlo 3

Технические моменты и описание системы майнинга

Проблема майнинга на сегодняшний день заключается в том, что майнинг производится на разных типах оборудования, разных сочетаниях оборудования и с разными техни-ческими характеристиками. Отсутствует стандартизация и унификация оборудования. Устройства значительными темпами, не успевая физически выйти из строя, морально устаревают. Это в свою очередь приводит к большим затратам на покупку нового устро-йства в целом. Однако унификация и стандар-тизация может упростить и удешевить про-цесс обновления оборудования.

Наша компания предлагает вариант систе-мы майнинга с возможностью апгрейда отдельных морально устаревающих систем. При этом предоставляя высокий уровень обеспечения во всех системах технических майнинга, таких как: электропитание, охлаж-дение, управление, настройка и конструктив-ная сборка.

Проект “Papa Carlo” является многоуровне-вой аппаратной платформой для организации

вычислений BlockChain в мировой децентра-лизованной сети BitCoin. Низкоуровневой основой платформы выступает специализи-рованный сверхвысокопроизводительный процессор (asic) собственной разработки. Он реализует основные ресурсоёмкие алгорит-мы обработки sha-256 и SCRYPT. На таких процессорах строится многопроцессорный майнинговый модуль – плата распределён-ных вычислений с функциями разделения работы по отдельным элементарным ядрам. Ряд таких модулей объединяется платой управления, выполняющей коммуникацион-ную роль между майнинговым пулом и расчётными модулями. На основе этих моду-лей производится линейка законченных устройств. В простейшей конфигурации – это персональный вычислитель электрической мощностью до 2 кВт с воздушным либо водяным охлаждением процессоров. В промышленной конфигурации – это сервер-ная вычислительная стойка мощностью до 200 кВт с жидкостным охлаждением процес-соров.

Назначение и применимостьЦелью, представленной системы, является вывод процесса майнинга на новый, более

технологичный уровень. Где применены разработки и усовершенствования за по-следние годы жизни криптовалюты.

Система предназначена для экономичного майнинга с применением алгоритмов вы-числения хэш суммы sha-256 и SCRYPT.

Отличительной особенностью системы является применение специальных струк-турных решений АСИК чипов для майнинга, применение системы жидкостного охлаж-дения, системы контроля и управления, новейшей системы питания, принципа расширя-емости и апгрейда системы.

Все это делает представляемую майнинг систему наиболее производительной, про-стой и удобной в использовании, бесшумной, компактной и экономичной системой на рынке.

Papa Carlo 4

Система состоит из основного элемента - блока управления, который включает в себя все основные элементы для распределения потоков данных и энергии между остальными модулями. Блок управления имеет встроен-ные сетевые интерфейсы Ethernet и Wi-Fi, что обеспечивает возможность подключения к сети в удаленных местах. Блок построен на базе многоядерного процессора, что обеспе-чивает высокую степень работоспособности и исключения ошибок в работе, даже при высокой загрузке потока данных.

Многопроцессорный модуль объединяет на одной плате 66 процессоров, схему распреде-ления электропитания и микроконтроллер управления. Входное напряжение питания 24 В, суммарная электрическая мощность всей платы 500 Вт, общая производительность 9.3 Т-хешей/сек. Распределение электропитания выполнено по последовательной схеме – входное напряжение делится на 22 секции по три процессора в каждой, общий ток через все секции 20 А. Поскольку каждая группа про-цессоров находится на разных уровнях пита-ния относительно входной земли, для управ-ляющих сигналов требуется преобразование уровней напряжения; эта функция реализо-вана в самом процессоре. Шина данных,

поэтому, так же последовательная. Микро-контроллер отвечает за связь с головной платой управления. В зависимости от конфи-гурации законченного устройства процессоры снабжаются или воздушными радиаторами, или жидкостным блоком охлаждения.

Головная плата управления строится на основе микрокомпьютера OrangePi с опера-ционной системой Linux, на котором работает программное обеспечение верхнего уровня BfgMiner. Это программное обеспечение с открытым исходным кодом, позволяющее дописать в него собственный драйвер asic-процессора. В функции этой программы входит tcp-связь с майнинговым пулом по протоколу stratum и локальное генерирова-ние задач «get work» для вычислительных процессоров asic. Управление настройками осуществляется через http-интерфейс. Связь с сетью по Ethernet или Wi-Fi. Предусмотрена возможность подключения дисплея для отображения статусной информации. Для большого количества майнинговых модулей имеется возможность объединять несколько головных плат в единую сеть для централизо-ванного управления настройками.

В одном корпусе расположен мощный блок питания с повышенным выходным напряже-

Описание головного блока

Control block

Mining block #2

Mining block #2

Mining block #1

Powerblock 24 V

Liquid cooling system

Settings block

Рисунок 1 – общая структурная схема системы майнинга

Papa Carlo 5

Описание головного блока

нием 24В. В отличие от аналогов с использо-ванием схемы питания по 12В проводу, при-менен более экономичный и энергоемкий вариант питания. При сохранении тех же характеристик передаваемая мощности при этом может быть увеличена в два раза, позволяя, таким образом, уменьшить потери в проводах и увеличить количество и мощ-ность АСИК микросхем.

Для удобного и доступного мониторинга, настройки и управления в блоке управления установлен модуль настройки с сенсорным экраном. Который позволяет оперативно, не используя WebGUI, настроить систему, прове-рить наличие подключения к серверу, темпе-ратуру устройств, скорость потока жидкости, скорость майнинга, а кроме того оценить потребление энергии, построить график майнинга и отобразить количество добытой валюты.

Блок управления в верхней части имеет слоты, в которые устанавливаются блоки майнинга, сопряжение блоков осуществляет-ся по универсальной шине MiningBus. Пита-ние так же идет через разъемы данного слота, что обеспечивает простоту замены блока для обслуживания или замены.

Блоки майнинга предусматриваются в разных версиях, имеющие различия в скорос-ти, потреблении, типе примененного вычис-ления. Основное преимущества заключается в возможности замены устаревшего блока майнинга на более новый, при этом все доступные системы будут обеспечивать тот же функционал высокого уровня.

Вычислительный процессор (asic) спроекти-рован по многопоточной конвейерной схеме. Он реализует алгоритм «get work», состоя-щий в поиске ключа (nonce), удовлетворяю-щего условию на значение итоговой hash-функции. Максимальная сложность этого поиска --- перебор 4.2 млрд. ключей (2^32). Обработка каждого значения ключа незави-сима, при этом остальные входные данные одинаковы. Это определяет общую схему архитектуры: единственный блок управления с памятью для входных данных генерирует набор сигналов для всех вычислительных

ядер, которые работают синхронно друг с другом. Каждое вычислительное ядро получает своё значение ключа из полного множества, таким образом, перебор всего пространства значений поровну распределя-ется между ядрами. Ядро вычисляет функ-цию двойного преобразования sha-256 за 72 такта. Суммарная производительность процессора выбрана 140 Гига-хешей в секун-ду, что определяет необходимое количество ядер на кристалле при заданной тактовой частоте. Так, для 1ГГц необходимо 10800 ядер. Потребляемая электрическая мощность ~7Вт, это соответствует энергоэффективности 0.07 Дж/Г-хеш. На кристалле предусмотрен датчик температуры и аппаратная защита от перегрева. Кристалл спроектирован для 7нм техпроцесса. Изготовление на фабрике Samsung Foundry.

Для охлаждения команда разработчиков предлагает отказаться от воздушного типа охлаждения в пользу системы жидкостного охлаждения. Это дает преимущества в значительном снижении уровня шума и повышении максимальной отводимой мощ-ности на удаленное расстояние. Использова-ние предложенной системы майнинга позво-ляет разместить головной блок в жилом помещении, а систему охлаждения жидкости отвести в другое помещение или на улицу. В промышленном варианте система майнинга объединяется единым контуром охлаждения с другими и формирует единую систему охлаждения.

Корпус элементов системы выполнен из алюминия и покрашен специальной краской. Элементы системы охлаждения блоков майнинга специально изготовлены из фрезе-рованного алюминия и имеют змеевидный канал для прохождения охлаждающей жидкости.

Таким образом, система майнинга обеспе-чивает гибкую эксплуатацию за счет унифи-кации блоков, сопряжения элементов инже-нерных систем с другими системами форми-рования единой системы майнга за счет ее горизонтального расширения.

Papa Carlo 6

Система питания

Питание устройства осуществляется распре-деленным напряжением 24В. Микросхемы подключаются в цепочки, и благодаря единой цепи тактирования и равномерной загрузке цепочек достигается устойчивое напряжение питания. Блок питания разработан на базе последних современных разработках компании Texas Instruments на GAN транзисторах с наивысши-ми показателями КПД до 99% (рисунок 2). При этом габариты уменьшились в двое, в сравнении использования стандартных импу-

льсных блоков питания. Импульсный транс-форматор так же выполняется на основе новейшей схемы изготовления плоских кату-шек на текстолите. Таким образом, в мини-мальный размер помещается максимальная мощность блока питания системы, а с увели-чением КПД возрастает экономичность систе-мы, снижается уровень тепловыделения, и возникает возможность пассивного охлажде-ния блока – без использования вентилятора.

Рисунок 2 - диаграммы сравнения эффективности работы силовых ключей

Papa Carlo 7

Система вычисления

Данная система представлена блоками май-нинга, каждый блок – это набор цепочек, использующиеся для последовательного вычисления одной операции с последующей передачей ее следующему элементу цепоч-ки.Каждый блок, имеет последовательную систему тактирования, распределенную систему контроля состояния и систему кон-троля температуры.

Каждая АСИК микросхема снабжена PLL элементом, который позволяет гибко настро-ить частоту в зависимости от входных пара-метров и настроек пользователя.В АСИК микросхемах реализованы множества параллельных конвейерных вычислителей, которые позволяют добиться высокого пока-зателя производительности даже на более низких частотах, чем их аналоги.

Papa Carlo 8

Жидкостное охлаждение

Эффективность жидкостного охлаждения (СЖО) сравнима с иммерсионным охлажде-нием, однако обеспечивает схожие характе-ристики при малых затратах, не требуя часто-го обслуживания и специальных требований к размещению оборудования.СЖО состоит из ряда водных охладителей, расположенных на каждом блоке майнинга, системы трубок, помпы, бака с жидкостью и радиатора/теплообменника. Для выравнивания давления в каждом во-доблоке применен метод ирригационной подачи жидкости, что значительно улучшает распределение давления в блоках.

СЖО является практически бесшумной, в качестве работающего агрегата выступает помпа, которая расположена рядом с радиа-тором-теплообменником.Охлаждающая жидкость представляет собой специальный нетоксичный раствор дистилли-рованной воды с добавлением пигмента и антимикробной присадки.Для замены майнинг блоков необходимо перемонтировать блок охлаждения на новую плату майнинга, используя при этом термо-пасту. Процесс не сложен и напоминает уста-новку кулера для процессора компьютера.

При майнинге в больших масштабах, необхо-димо отводить значительное количество тепла. Система СЖО позволяет объединять системы циркуляции между собой и форми-ровать единую сеть охлаждения майнинго-

вых систем. При этом возникает возможность применения тепловых насосов и полезной аккумуляции тепла для последующего ис-пользования.

Papa Carlo 9

Серверное исполнения

Серверный вычислительный блок рассчитан на электрическую мощность 20 кВт, он объе-диняет в себе сорок майнинговых модулей, снабжённых жидкостными радиаторами. В качестве теплоносителя разумнее всего использовать деионизированную воду. В этом случае поток теплоносителя должен состав-лять 15 л/мин для выведения тепла с 25-градусным перегревом. Контур охлаждения имеет дополнительные датчики температуры и скорости потока. Система циркуляции и

рекуперации внешняя. Их конфигурация зависит от потребностей заказчика, посколь-ку произведённое тепло можно использовать в хозяйственных нуждах, либо просто выво-дить в атмосферу.Серверная стойка объединяет десять сервер-ных блоков. Общая электрическая мощность 200 кВт. Необходимый для охлаждения поток теплоносителя-воды 150 л/мин. Система циркуляции внешняя.

Papa Carlo 10

Мониторинг, настройка и контроль

С целью упростить взаимодействие пользова-теля с системой, в корпус блока управления встроен сенсорный дисплей. Дисплей позво-ляет напрямую производить мониторинг основных параметров системы майнинга, строить отчеты, производить настройку и текущее управление. Меню довольно обшир-ное и включает в себя следующие элементы.

Отображаемые параметры:џ Время работы системыџ Температура по каждому блокуџ Температура охлаждающей жидкостиџ Текущая производительность майнингаџ Статусы цепочек блоков майнингаџ Количество наманенной криптовалютыџ Количество потребленной электроэнер-

гии, и ее стоимостьџ Статус соединения с серверомџ Текущие ошибкиџ Количество принятых блоковџ Статус системы питания

Настройки системы:џ Настройки майнинга – адрес, логин, парольџ Параметры настройки производительнос-

тиџ Настройки подключения к сетиџ Максимальная температура жидкости для

охлажденияџ Производительность перекачивающей

помпыџ Режимы работы системы

Отчеты:џ График потребления электроэнергииџ График производительности майнингаџ График температуры по каждому датчикуџ Расчет экономики майнинга с учетом цен

на электроэнергии и курса валюты

Выбор режима работы зависит от интенсив-ности использования системы. Для экономии ресурсов электроэнергии введен режим ночного майнинга. Данный режим позволяет работать системы только в определенные ночные часы, когда киловатт энергии значи-тельно ниже дневного, однако необходимо иметь двухтарифный счет электроэнергии. При этом необходимо задать параметр стои-мости ночного киловатта в настройках систе-мы для построения отчета. В случае постоян-ного майнинга, предлагается использовать режим экономичного майнинга, при котором оборудование работает при оптимальных настройка, которые в меньшей степени влия-ют на износ оборудования системы. Однако если пользователь хочет получить макси-мальную производительность за меньший срок предлагается использовать режим Boost, позволяющий максимально увеличить мощность системы при высоком потреблении энергии. Для гибкой настройки предлагается использовать пользовательский режим рабо-ты.

Дополнительной полезной функцией являет-ся система оповещения пользователя о теку-щем состоянии системы майнга. Пользова-тель получает уведомления в виде почтового извещения на заранее указанный адрес. В тексте сообщения указывается причина опо-вещения и другие технические параметры майнинга. Данная функция, например, полез-на для своевременного предотвращения потери канала связи с сервером, восстанов-ления работоспособности при возможных технических неисправностях системы, кон-троле потребления ресурсов и т.д.