从零搭建FPGA区块链运算机——ASICGPUFPGA对比

Posted 2021-09-06 qq_42930746

从零搭建FPGA区块链运算机——ASIC、GPU、FPGA对比

开源！开源！开源！
只分享技术！只分享技术！只分享技术！

2020年末到2021年初，区块链技术被持续看好，各路英雄好汉涌入，导致游戏显卡的需求和价格暴增。这使得我只能给新攒的电脑配一张50元亮机卡，苟且偷生。显卡奸商们的唯利是图，让我和我的小伙伴愤愤不平，决定根据自身所学，使用FPGA做个区块链运算机。以寻求区块链运算机需求分流，显卡价格下降的“曲线救卡”路线，或者说是一种充满希望的尝试。

在项目的前期，我们在网上查阅了大量的相关资料。其中更多是对区块链原理科普性质的介绍，鲜有从零搭建FPGA区块链运算机的技术分享。我们只好逐步摸索，制定了区块链运算机三步走策略。终于历经半年，我们逐步实现了纯软件的基于Python3的CPU区块链运算机，基于FPGA的1.0区块链运算机，还有现在想和大家分享的基于FPGA的2.0区块链运算机（后面简称FPGA运算机）。

三步走策略的第一步是最难的，这里主要想感谢GitHub上ricmoo大神开源的基于Python2的CPU区块链运算机工程（https://github.com/ricmoo/nightminer）。它很好地帮助我们了解了整个区块链运算的流程。我们也将其升级到了Python3的版本，尽可能多地添加了中文注释，并分享给大家（https://github.com/WF-2021/BTC-Miner）。

我们想把整个区块链运算机搭建的过程分享出来，一个是分享我们独立做出FPGA运算机的喜悦，另一个是希望给想要了解区块链，以及想要自己搭建区块链运算机的朋友一些参考和交流的机会，尽可能帮助大家少走弯路。

我们FPGA运算机的硬件部分，使用Vivado2019.2开发环境，和Xilinx公司CX7A100T的FPGA实现，而软件部分使用Python3实现。目前使用SHA-256加密算法，可实现100MHash/s的算力。这是我们在该型号FPGA下，可实现的最高算力（也希望有大神可以提供更好的改进建议）。使用Vivado2019.2进行功耗评估，其功耗约为0.5W，算力功耗比约为200MHash/sW。

同时我们也查阅了相关GPU在区块链中的算力（https://technical.city/en/video/bitcoin-rating）。可以看到，主流显卡的算力虽然很高，但是功耗也很高。算力功耗比最高不会超过6MHash/sW。在这个方面，我们的FPGA运算机是主流显卡的约33倍，具有绝对的优势。

当然，对于使用SHA-256加密算法的区块链运算机来说，ASIC是绝对的霸主，我们以蚂蚁区块链运算机DR5 35T版本为例，其算力为35THash/s，功耗为1610W，算力功耗比约为21739MHash/sW。这是我们的FPGA运算机的100多倍。

综上，从算力和功耗的角度分析，ASIC >> FPGA >> GPU。这是芯片的设计初衷所导致的。ASIC专为特定加密算法的区块链而设计，不能实现其他功能；FPGA相比于ASIC具有可编程性，牺牲了一些性能；GPU本身是做图形处理的，只是因为核多和并行计算，才用来搭建区块链。

从硬件成本的角度讲，ASIC和GPU都具有很完整的产品供应链，性价比都很高。而FPGA在区块链运算这个行业，更多是技术验证，没有形成完整的产品供应链，所以性价比要低很多，没有任何“曲线救卡”的可能性的。但我们认为技术验证才是FPGA的定位，所以前面才说是“一种充满希望的尝试”。

我们希望以多篇连载的方式分享整个区块链运算机的搭建过程，一个是因为我们的业余时间都很少。另一个是我在给小伙伴讲解其中的设计思路时，发现有很多问题不是一两句能说明白的。如果我们力争用一篇万字长文，把算法原理、设计思路和搭建实现都和大家说清楚是不可能的。所以也希望感兴趣的朋友可以保持关注。像对区块链运算非常感兴趣，已经按耐不住的朋友，我们也提前将FPGA区块链运算机的开源工程连接放在了这里（https://github.com/WF-2021/BTC_FPGA_MINER），它仅需符合BSD开源协议即可被二次开发。

后面我们会从区块链算法原理、FPGA设计实现（主要）、Python3上位机设计实现和集成联调这几方面，和大家分享，敬请期待。