IT201800011045A1 - Computer per il mining di Blockchain - Google Patents

Description

Computer per il mining di Blockchain

Campo dell’invenzione

[0001]. La presente invenzione è diretta ad un computer (miner) atto a calcoli dell’hash di blocchi costituenti svariate blockchain (cryptovalute, smart contract, token, ecc.), operazione denominata “mining”. Suddetto computer è caratterizzato da elevate prestazioni grazie all’utilizzo di schede di ultima generazione, assieme ad un sistema di raffreddamento che consente di utilizzare dette schede a regimi più elevati di quelli per cui erano state progettate.

Background dell’invenzione

[0002]. L’ideazione delle criptovalute, e, più in generale, dell’utilizzo della blockchain per registrare qualsiasi tipo di proprietà ed eseguire trasferimenti della stessa in maniera inviolabile ed incorruttibile, ha generato nel corso degli anni a partire dal 2009 (genesis block di Bitcoin) di pari passo con la diffusione dell’utilizzo di questa nuova applicazione, un nuovo tipo di attività amatoriale o addirittura industriale, che consiste appunto nell’impiegare sistemi hardware e potenza di calcolo all’interno di questo enorme network mondiale decentralizzato. Effettuare il mining su di una blockchain consiste nel calcolare il più velocemente possibile l’hash del blocco in esame in un dato momento (ne vengono generati con cadenze temporali definite) e contemporaneamente convalidare le transazioni scritte all’interno del blocco stesso. La rete, o meglio il protocollo di rete, remunera i miners generando dal nulla e distribuendo equamente nuova cryptovaluta ad ogni blocco “risolto”, in proporzione alla potenza di calcolo messa a disposizione dal singolo miner. Questa attività si è progressivamente affinata e ha portato allo sviluppo di processori ad essa specificamente destinati. Allo stato attuale, sono utilizzati vari tipi di “miner”; All’inizio della storia del mining venivano utilizzati semplici processori CPU (2009-2010), sostituiti quasi subito dai primi processori FPGA, non impiegati a lungo data la ridotta potenza di quel tempo. Dal 2011 si cominciarono ad utilizzare processori grafici GPU per il mining di alcune blockchain, e vengono utilizzati ancora oggi grazie al continuo aggiornamento dei modelli, sempre più performanti e destinati al mercato del gaming. Contemporaneamente all’applicazione delle GPU nacquero dei processori cosiddetti ASIC (application specific integrated circuits) progettati specificatamente per il mining. Ad oggi i processori più utilizzati sono ASIC e GPU, ma recentemente a seguito dello sviluppo hardware e software avvenuto nel corso degli anni sono tornati alla ribalta i processori FPGA, che offrono oggi prestazioni di altissimo livello nel mining, andando a insidiare notevolmente il dominio di mercato di ASIC e GPU.

 

[0003]. Tuttavia, le modifiche software necessarie per il mining, l’aumento del clock e del bitstream delle GPU e FPGA porta ad un importante effetto collaterale, e cioè la potenza delle schede aumenta notevolmente, favorendo la potenza di calcolo, ma provocando un elevato surriscaldamento delle schede stesse. Il bitstream è uno scrypt che programma le funzioni del processore FPGA. Sono stati recentemente creati i bitstream dedicati al mining di alcune blockchain, e sono costantemente in studio nuovi bitstream che saranno rilasciati nel corso del tempo. È quindi necessario raffreddare le schede FPGA-GPU per poterle spingere a potenze di calcolo maggiori evitando che il surriscaldamento della stesse porti al loro danneggiamento.

[0004]. Per capire l’entità del problema bisogna tenere presente che una sola scheda FPGA-GPU con overclock e/o bitstream modificato per il mining può arrivare ad una potenza superiore ai 600 W e che in un miner possono essere presenti un numero elevato di schede. Il sistema di raffreddamento deve essere quindi in grado di rimuovere una grande quantità di calore ed evitare che le schede FPGA-GPU lavorino ad una temperatura troppo elevata.

[0005]. Sono noti sistemi di raffreddamento di miner che si basano sull’utilizzo di olio minerale. L’olio minerale infatti ha un coefficiente di scambio termico più elevato rispetto all’aria e consente quindi di rimuovere una quantità di calore molto più elevata. L’olio a sua volta può essere raffreddato tramite scambio termico con aria o, preferibilmente, acqua.

Descrizione dettagliata dell’invenzione

[0006]. La presente invenzione è diretta ad un miner comprendente una vasca contenente un set di schede PCI express, preferibilmente FPGA-GPU, in cui la vasca è riempita con un olio minerale dielettrico, e in cui l’olio entra nella vasca attraverso un flauto contenente un foro in corrispondenza di ogni scheda e preferibilmente su ogni foro del flauto è montato un convogliatore che indirizza il flusso d’olio fresco nel dissipatore della scheda e consente un migliore scambio termico tra scheda e olio. La vasca contiene da 2 a 50 schede PCI express, preferibilmente da 4 a 30 schede, più preferibilmente da 6 a 24 schede. Nell’ambito dell’applicazione di schede FPGA, in particolare, il sistema di raffreddamento secondo l’invenzione è in grado di preservare i componenti effettuando elevate modifiche al voltaggio delle stesse (fino a 0,85 volt su scheda BCU1525) ed applicando i bitstream più gravosi dal punto del calcolo di hash attualmente disponibili. Arrivando a sviluppare una potenza pari a 275 W per scheda la temperatura rimane costamente inferiore o uguale a 55 °C, e la percentuale di errori di calcolo rimane intorno a millesimi percentuali. Le stesse modifiche in presenza del solo raffreddamento a secco ad aria forzata porterebbero alla fusione dei componenti elettronici nel giro di poco tempo, nonchè, cosa estremamente importante nel mining, alla presenza di una elevata percentuale di errori nei calcoli e di conseguenza un minor numero di shares (soluzioni trovate e remunerate).

 

[0007]. Il miglioramento ottenuto dalla vasca secondo l’invenzione a parità di condizioni operative rispetto ad altre soluzioni può essere evidenziato da: temperatura del processore che esegue i calcoli di hash minore, quindi maggiore longevità del prodotto impiegato (schede standard “PCI express”); minore consumo complessivo del prodotto a parità di potenza di calcolo erogata; protezione dei componenti del prodotto da surriscaldamenti esagerati e conseguente rottura, applicando overclock più performanti dal punto di vista della potenza di calcolo; protezione migliore, ove possibile a seconda del prodotto, di alcuni componenti non direttamente impiegati e contribuenti alla potenza di calcolo (es. alimentatori interni al prodotto, eeprom, condensatori, ecc) non sufficientemente o specificatamente lubrificati in altri sistemi di raffreddamento.

[0008]. L’olio pompato entra nella vasca dal fondo, distribuito da un flauto attraverso fori appositamente dimensionati, posizionati uno per ogni scheda elettronica al di sotto della stessa. In corrispondenza di ciascun foro, è preferibilmente presente un convogliatore a imbuto, che indirizza il flusso d’olio verso l’interno del dissipatore metallico montato sul processore di ogni scheda. I convogliatori sono fatti con uno dei materiali compatibili con l’olio dielettrico, per esempio nylon, e ancor più preferibilmente sono ottenuti per stampa 3D.

[0009]. Il convogliatore ha una parte a contatto con il foro di distribuzione del condotto dell’olio di arrivo alla vasca, e la parte opposta è posizionata in vicinanza della scheda PCI express. In un modo di realizzazione preferito la distanza tra la scheda e il convogliatore è inferiore a 1 cm, ancor più preferibilmente inferiore a 0,5 cm. In un modo particolarmente preferito dell’invenzione illustrato nelle figure 2, 5 e 6, il convogliatore è fissato alla scheda PCI express, ed è disegnato in modo tale da convogliare l’olio nel dissipatore della scheda.

[0010]. Preferibilmente, il convogliatore presenta anche un condotto secondario che porta l’olio sulla scheda PCI express in vicinanza dei componenti di alimentazione. Infatti, un insufficiente raffreddamento di questi ultimi potrebbe portare al danneggiamento della scheda stessa.

[0011]. L’olio riscaldato esce dalla vasca da un flauto posto in cima della stessa. Preferibilmente i fori di uscita dalla vasca sono in numero molto maggiore e di diametro inferiore rispetto ai fori di alimentazione della vasca. Questo consente di ottenere un più omogeneo rimescolamento dell’olio che avrà attraversato i dissipatori con quello che sarà venuto a contatto con parti meno “calde” della scheda in funzione. L’area totale dei fori piccoli del flauto di scarico è preferibilmente maggiore di circa 1,5 volte l’area totale dei fori del flauto di alimentazione, per ottenere sempre una leggera maggiore richiesta di olio allo scarico rispetto la quantità immessa in alimentazione ed evitare remoti se pur possibili eventi di tracimamento.

 

[0012]. La Figura 1 mostra uno schema del sistema di raffreddamento secondo l’invenzione. La vasca contenente 10 schede FPGA è provvista di un sensore di temperatura T1 e di un indicatore di livello L2. L’olio freddo entra dal basso grazie ad una pompa. L’olio più caldo in uscita dalla vasca viene raffreddato attraverso uno scambiatore ad acqua e, opzionalmente attraverso un radiatore olio/aria. Il sistema prevede anche un’unità di controllo, in cui una centralina C1 regola il flusso di acqua fredda nello scambiatore ad acqua in funzione della temperatura misurata da T1, ed il controllo software C2 interviene sulla pompa in caso di innalzamento del livello L2 nella vasca. Nell’esempio illustrativo, la vasca contiene 10 schede FPGA del tipo BCU1525 Squirrel®, la pompa è una pompa industriale ad ingranaggi per fluidi viscosi e fornisce fino a 28 l/min di flusso. È equipaggiata da un motore elettrico privo di spazzole da 470W così da garantirne l’impiego intensivo senza manutenzioni continue. Gli ingranaggi sono realizzati in PTFE, le guarnizioni interne in Viton ed NBR. Tutte le tubazioni ed i raccordi sono realizzati in rame, ottone, acciao inox, acciao zincato. L’olio dielettrico è Electrocool EC-130 prodotto da Engineered fluids; lo scambiatore acqua/olio è di tipo lamellare realizzato in acciao Inox/rame, e permette di dissipare fino a 44kw termici.

[0013]. La Figura 2 mostra una vasca in cui per maggior chiarezza è montata solo una scheda con il processore 100, il suo dissipatore 110, il tubo di ingresso dell’olio fresco 200, il flauto di alimentazione 205, il foro 210 di ingresso nella vasca, il convogliatore 220 associato ad un foro, i fori di aspirazione 310, il flauto di scarico 300.

[0014]. La Figura 3 mostra una vasca secondo l’invenzione prima del montaggio delle schede. Si può notare sul fondo il flauto di alimentazione con i fori di ingresso dell’olio.

[0015]. La Figura 4 mostra un modo di realizzazione del convogliatore, in cui una piccola parte dell’olio di raffreddamento viene convogliata sulla parte posteriore della scheda tramite un condotto secondario.

[0016]. La Figura 5 mostra il convogliatore montato sul dissipatore della scheda FPGA Squirrel BCU1525.

[0017]. La Figura 6 mostra il lato posteriore della scheda con il convogliatore montato ed evidenzia il condotto secondario che indirizza una piccola parte del flusso in direzione dei componenti di alimentazione della scheda.

[0018]. L’olio dielettrico può essere scelto tra una varietà di olii dielettrici noti nell’arte. Per esempio, sono utilizzabili gli olii dielettrici della ditta Engineered Fluids, delle serie Bitcool ®, Electrocool® e Ampcool®. In particolare, sono preferiti gli olii Electrocool® 110 e Electrocool® 130.

 

[0019]. Il materiale utilizzato per la vasca, i tubi e le giunzioni del sistema di circolazione dell’olio devono essere compatibili con l’olio dielettrico utilizzato. Un elenco di materiali compatibili con gli olii Bitcool ®, Electrocool® e Ampcool® è presente sulla pagina https://www.engineeredfluids.com/material-compatibility qui incorporata per riferimento. Tra i materiali preferiti possiamo citare per la vasca e i flauti alluminio, bronzo, ferro, acciaio, nickel e suoi ossidi, grafite, nylon. Per i sigilli Acrilonitrile-butadiene, Buna-epicloridrina, copolimeri di etilene clorurato, copolimeri etilene-propilene fluorurati, fluorocarburi, fluoroelastomeri, fluorosiliconi. Per le tubazioni copolimeri etilene-propilene fluorurati, fluorocarburi, fluoroelastomeri, fluorosiliconi, PTFE, Buna-N. Per i convogliatori, oltre ai materiali già citati per i tubi, anche nylon.

[0020]. Le schede sono munite di un dissipatore e tra il dissipatore e la scheda è generalmente presente una pasta che aumenta lo scambio termico tra processore e dissipatore. Detta pasta può essere di tipo standard, cioè fornita dal produttore della scheda assieme al dissipatore, oppure speciale e capace di aumentare ulteriormente lo scambio termico tra scheda e dissipatore rispetto alla pasta standard. Esempi di paste speciali sono Kryonaut® e Conductonaut®, che nel caso di scheda BCU1525 Squirrel®, aumentano lo scambio termico rispetto alla pasta standard rispettivamente del 15% e 75%. Tuttavia, le paste “speciali” rappresentano un aggravio in termini di costi e a volte la perdita della garanzia sulla scheda da parte del produttore. Quindi, se da un lato l’utilizzo di paste speciali aumenta lo scambio termico e quindi consente di ridurre la temperatura di lavoro, oppure a pari temperatura di aumentare il clock, d’altro canto esso presenta anche svantaggi che ne possono limitare l’uso.

[0021]. Anche il dissipatore può essere il tipo standard, cioè fornito assieme alla scheda, oppure un dissipatore specifico sviluppato da terze parti per la scheda utilizzata. Un ulteriore vantaggio della presente invenzione è che riduce l’esigenza di un dissipatore specifico, perché nella vasca secondo l’invenzione l’olio scorre lungo il dissipatore in modo quasi analogo al flusso d’aria convogliato da una ventola. Quindi, il convogliatore originale della scheda che in generale è disegnato per ottimizzare un flusso d’aria, funziona bene anche in presenza del flusso d’olio generato nella vasca secondo l’invenzione.

[0022]. Il flusso d’olio per ogni scheda è determinato dalla quantità di calore da rimuovere. Per una scheda che lavora a 400W, e con un olio dielettrico avente un calore specifico di circa 2,2 kJ/kg°C, con un flusso di 0,020 kg/s si ha un aumento di temperature dell’olio tra ingresso e uscita di circa 9°C. Inoltre, un aumento del flusso dell’olio dielettrico può portare ad un aumento della velocità dell’olio sul dissipatore e quindi un abbassamento della temperatura di funzionamento. In generale, è preferibile avere un flusso compreso tra 0,010 kg/s e 0,040 kg/s, più preferibilmente

 

compreso tra 15 g/s e 35 g/s per ogni scheda presente. Quindi, per una vasca contenente 10 schede, il flusso sarà compreso tra 0,100 kg/s e 0,400 kg/s preferibilmente tra 0,150 kg/s e 0,350 kg/s. In termini di m<3>/h, per una vasca da 10 schede e un olio avente densità 0,82 significa un flusso compreso tra 0,438 m<3>/h a 1,758 m<3>/h, preferibilmente tra 0,606 m<3>/h e 1,536 m<3>/h.

[0023]. La dimensione dei fori 210 di ingresso nella vasca influenza il raffreddamento delle schede. In un modo di realizzazione preferito, i fori hanno un diametro compreso tra 4 mm e 10 mm, ancor più preferibilmente tra 5 mm e 8 mm.

[0024]. Ai fini dell’invenzione non è importante il modo in cui viene raffreddato l’olio. Preferibilmente la temperatura dell’olio all’ingresso della vasca è inferiore a 35°C, poiché  la temperatura dell’olio in ingresso alla vasca influenza la temperatura della scheda all’interno della vasca. I metodi più comuni utilizzati nell’arte per raffreddare l’olio sono l’utilizzo di uno scambiatore di calore ad acqua, oppure un radiatore per il raffreddamento dell’olio con aria forzata. Entrambi i metodi possono essere usati da soli o in combinazione. Per quel che riguarda lo scambiatore ad acqua, è preferibile l’utilizzo di uno scambiatore controcorrente. Questo tipo di scambiatore consente il raggiungimento di temperature dell’olio in uscita prossime alla temperatura dell’acqua in entrata anche utilizzando un flusso d’acqua relativamente contenuto. Nel caso di utilizzo di uno scambiatore ad acqua, il flusso d’acqua dipende inoltre dalla quantità di schede comprese nella vasca. Per una vasca da 10 schede, il flusso è preferibilmente compreso tra 0,100 m<3>/h e 1,000 m<3>/h, più preferibilmente tra 0,150 m<3>/h e 0,800 m<3>/h. Flussi superiori a 1,000 m<3>/h non presentano svantaggi tecnici ma rappresentano un costo aggiuntivo per il funzionamento del sistema. In alternativa o in aggiunta al raffreddamento ad acqua dell’olio, è possibile inserire nell’impianto un sistema di raffreddamento ad aria, come indicato in figura 1.

[0025]. Sono stati effettuati dei test con una vasca contente 10 schede PCI express e con un flauto contenente un foro da 6mm in corrispondenza di ciascuna scheda. Sono state utilizzate schede PCI express “BCU1525” prodotte da XILINX, che montano un processore Virtex Ultrascale+ VU9P. Le schede sono state testate in con pasta termica originale, rimuovendo il front plate e del back plate per permettere il montaggio non invasivo dei nostri componenti, nonché di apportare un notevole miglioramento al flusso dell’olio di raffreddamento anche verso i componenti di alimentazione DC posteriore, successivamente poi sono state apportate delle modifiche al fine di migliorarne il raffreddamento: sostituzione della pasta termica originale presente tra processore e dissipatore con lega Indio-Gallio “Conductonaut”. Durante le prove, l’olio in ingresso alla vasca aveva una temperatura di 32°C, ed il flusso d’olio nella vasca era di 0,900 m<3>/h.

[0026]. La tabella 1 riporta i dati ottenuti nelle seguenti condizioni: raffreddamento con vasca ad olio convenzionale, raffreddamento con ingresso olio tramite foro sotto ogni scheda, raffreddamento come nel caso precedente ma con presenza ulteriore di convogliatori. Le prove sono state condotte sia utilizzando la pasta termica standard, che con pasta termica Conductonaut®. La scheda originale è stata testata per un ciclo di 24 ore per ogni modalità esplicata della tabella, programmandola con il Bitstream denominato “VCU1525_0xToken_15_09GHS_V2.bit” ” scaricabile dal sito di sviluppo “Zetheron Tecnology – FPGA software and resource” (http://zetheron.com/index.php/downloads/), necessario al mining del token “0xBitcoin” relativo allo smart contract su blockchain Ethereum “0xb6ed7644c69416d67b522e20bc294a9a9b405b31”; le temperature sono state rilevate a cadenze regolari tabulandole direttamente dal miner in esecuzione, ed è stata eseguita media matematica.

Tabella 1

[0027]. Nel caso del raffreddamento in vasca ad olio con flauti e convogliatori sono state rilevate le temperature operative del processore in ognuna delle posizioni possibili all’interno del rack costruito per contenere fino a 10 schede PCIe. Il rendimento in termini di raffreddamento è risultato costante in ogni posizione.

Claims (10)

1. Rivendicazioni 1. Computer atto a calcoli dell’hash di blocchi costituenti blockchain (miner) comprendente una vasca di raffreddamento contente da 2 a 50 schede PCI express comprendenti un processore (100) e un dissipatore (110), la quale vasca è riempita con olio minerale dielettrico e comprende una tubazione di ingresso dell’olio fresco (200), un flauto di alimentazione (205), dei fori di ingresso olio (210), disposti in corrispondenza di ciascuna scheda, fori di aspirazione (310) e un flauto di scarico (300) dell’olio.
2. 2. Miner secondo la rivendicazione 1, in cui su ciascun foro (210) è montato un convogliatore (220) che porta il flusso d’olio in prossimità del dissipatore (110) della scheda.
3. 3. Miner secondo la rivendicazione 2, in cui il convogliatore è collegato meccanicamente alla scheda.
4. 4. Miner secondo le rivendicazioni 2-3, in cui il convogliatore comprende un condotto secondario per il raffreddamento dei componenti di alimentazione della scheda
5. 5. Miner secondo le rivendicazioni 1-4, in cui l’olio viene inviato nella vasca da una pompa avente portata compresa tra 0,010 kg/s e 0,040 kg/s per ogni scheda PCI express.
6. 6. Miner secondo le rivendicazioni 1-5, in cui la scheda PCI express è una scheda FPGA.
7. 7. Miner secondo le rivendicazioni 1-6, in cui il numero di schede è compreso tra 4 e 30.
8. 8. Miner secondo le rivendicazioni 1-7, in cui la vasca comprende inoltre una sonda di temperatura e una sonda di livello.
9. 9. Miner secondo le rivendicazioni 1-8, in cui l’olio viene raffreddato tramite almeno uno scambiatore ad acqua e/o almeno uno scambiatore ad aria.
10. 10. Miner secondo la rivendicazione 9, in cui lo scambiatore ad acqua è uno scambiatore controcorrente.