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Si bien la industria automotriz ha estado luchando durante varios meses a la luz de la escasez de chips en curso, otras industrias también están sufriendo el impacto, en particular, el mercado de la minería de criptomonedas.
Una de las principales preocupaciones en el mercado de las criptomonedas es el consumo masivo de electricidad involucrado en las operaciones mineras. Debido al exorbitante costo de la energía, muchos mineros profesionales intentan encontrar una ubicación geográfica adecuada para su granja minera donde el costo de la electricidad es relativamente menor.

Granja de cripto minería. Imagen utilizada por cortesía de Transphorm

¿Por qué exactamente la minería de criptomonedas quema tanta energía? Y teniendo en cuenta este alto consumo, ¿en qué se diferencian las unidades de suministro de energía (PSU) empleadas en aplicaciones mineras de las PSU de uso general?

La minería implica operaciones intensivas en computación

Bitcoin es una criptomoneda descentralizada. Utiliza una tecnología de libro mayor distribuido para garantizar la seguridad del sistema. Cuando una transacción la realizan personas que envían o reciben bitcoins, la responsabilidad de validar la transacción se reparte entre muchos usuarios de todo el mundo.
Para verificar de forma segura estas transacciones, se emplean CPU, GPU o ASIC potentes para resolver ecuaciones criptográficas cada vez más difíciles. Los servidores de minería aportan su poder computacional a la red bitcoin para resolver estas ecuaciones y validar las transacciones. Como recompensa, la red bitcoin paga a los mineros por su tiempo y equipo.

Se ha demostrado que los ASIC son más eficientes que las CPU, CPU o FPGA en aplicaciones de minería criptográfica. Imagen utilizada cortesía de Bitcoin

Cuanto mayor sea el poder computacional de un minero, mayor será la compensación recibida. En consecuencia, las personas y las empresas construyen servidores de minería de bitcoins de megavatios, también conocidos como centros de datos de minería, para aumentar sus posibilidades de ganar más bitcoins.

¿Cuánta energía se consume?

Los potentes procesadores empleados en los servidores de minería consumen mucha energía y funcionan durante largos períodos de tiempo, lo que genera una cantidad significativa de consumo de energía. Por lo tanto, las granjas mineras tienen un costo energético continuo extremadamente alto que debe minimizarse para maximizar el retorno de la inversión.
Según una investigación de Cambridge, la energía global consumida durante las operaciones mineras de bitcoin es de aproximadamente 121,36 teravatios-hora (TWh) al año y supera el consumo energético anual de Argentina.

Consumo de energía de los países en comparación con bitcoin. Imagen utilizada por cortesía de la BBC.

La calificación de eficiencia de la fuente de alimentación es un factor clave

Sin reducir el costo asociado con el consumo de electricidad, la minería en realidad puede hacer que los mineros pierdan dinero. Es por eso que los mineros necesitan emplear unidades de suministro de energía (PSU) con alta eficiencia de conversión.
La clasificación de eficiencia se puede utilizar para determinar cuánta energía extraída del enchufe de pared se envía a los equipos electrónicos. Por ejemplo, una fuente de alimentación con una eficiencia del 80% que entrega 800 W a la carga en realidad consumirá 1000 W de energía de la toma de corriente. En este ejemplo, 200 W de potencia se desperdiciarán como calor en el proceso de conversión.
Con un sistema de PC, la actualización a una fuente de alimentación más eficiente podría no generar ahorros anuales notables. Sin embargo, este no es el caso cuando se trata de plataformas mineras hambrientas de energía que operan 24 horas al día, 7 días a la semana. Por lo general, se recomiendan las unidades de suministro de energía con una calificación de eficiencia de 80 Plus Gold o superior para aplicaciones mineras.
Como se muestra a continuación, una fuente de alimentación 80 Plus Gold tiene al menos 87% de eficiencia al 20% de carga, 90% de eficiencia al 50% de carga y 87% de eficiencia al 100% de carga.

Eficiencia de diferentes clasificaciones de PSU. Imagen utilizada por cortesía de Nicehash

Las unidades de suministro de energía de minería generalmente operan en entornos hostiles

Muchas granjas mineras se construyen cerca de centrales eléctricas con duras condiciones ambientales. La humedad es mayor cerca de una planta de energía hidroeléctrica, y la alta humedad junto con una alta temperatura de funcionamiento pueden reducir la vida útil de una fuente de alimentación.
Además, en las regiones cercanas a las centrales eléctricas, el voltaje de entrada de la fuente de alimentación experimenta una mayor variación y los rayos también son más frecuentes. Es por eso que las granjas mineras deben emplear unidades de suministro de energía altamente eficientes que puedan funcionar de manera confiable en entornos hostiles. La prevención del tiempo de inactividad es fundamental porque el tiempo tiene un valor significativo en dólares en la minería de criptomonedas.

La confiabilidad del sistema se ve afectada por un diseño térmico ineficiente

Los procesadores que consumen mucha energía en las instalaciones mineras pueden generar cantidades excesivas de calor. Aunque se pueden utilizar técnicas como ventiladores de refrigeración de servicio pesado, sistemas HVAC o enfriadores de agua para manejar el calor, estos sistemas generalmente no se emplean en las granjas mineras debido a sus altos costos y consumo de energía.
Como alternativa, aquellos en las granjas de minería de criptomonedas podrían recurrir a otras técnicas de gestión térmica. El documento de TI "Uso de controladores DC / DC para mejorar los diseños de Bitcoin Miner" presenta dos de estas opciones. En él, la empresa compara el rendimiento térmico de dos diseños de potencia diferentes: 1) una placa basada en un controlador reductor de alta eficiencia, el LM27402, que utiliza FET externos y 2) una placa que utiliza un convertidor reductor, el TPS548B22, con MOSFET integrados.
En general, las soluciones integradas son mejores opciones porque requieren menos componentes externos y suelen ser más fiables. Sin embargo, TI señala que en las aplicaciones mineras, un diseño de energía discreta puede lograr un mayor rendimiento térmico. Esto se debe a que una solución discreta mantiene los MOSFET de potencia y el calor generado por ellos más lejos del controlador.

Rendimiento térmico de una placa basada en LM27402 (izquierda) y TPS548B22 (derecha). Imagen utilizada por cortesía de Texas Instruments

La placa que emplea la solución integrada basada en el TPS548B22 tiene una temperatura máxima de 55,6 ° C; sin embargo, la placa que utiliza MOSFET de alimentación externa tiene una temperatura máxima de 43 ° C. Dado que el último diseño coloca los MOSFET de potencia más lejos del controlador, logra una temperatura máxima más baja y, en consecuencia, una mayor confiabilidad.

GaN: un elemento de poder prometedor para aplicaciones mineras

Aunque los dispositivos GaN tienen algunas limitaciones, pueden ser el transistor de potencia preferido en futuros servidores de minería. Estos dispositivos cambian a velocidades mucho más rápidas en comparación con los MOSFET de superunión de silicio. Una frecuencia de conmutación más alta puede reducir el tamaño de los elementos magnéticos y dar lugar a una placa más pequeña en comparación con las soluciones de silicio convencionales. Además, los dispositivos de GaN cuentan con una resistencia de encendido más baja y una recuperación inversa cero, lo que da como resultado soluciones de mayor eficiencia energética que, como se mencionó anteriormente, es un factor clave en las aplicaciones mineras.
Transphorm Inc., una empresa de semiconductores centrada en dispositivos GaN para fuentes de alimentación de modo conmutado, anunció recientemente que sus dispositivos GaN están optimizados para fuentes de alimentación de alto rendimiento utilizadas en aplicaciones de minería de criptomonedas.

Comparación del cascodo GaN de Transphorm con otros modos e convencionales. Imagen utilizada por cortesía de Transphorm

La compañía afirma que sus dispositivos son altamente confiables y han producido una tasa de FIT de <1, lo que significa que menos de 1 parte por mil millones de horas falla en aplicaciones de campo. Estos dispositivos funcionan como los MOSFET de superunión de silicio comunes con controladores de puerta estándar.

El futuro de las fuentes de alimentación en la minería criptográfica

Las unidades de suministro de energía, y particularmente las unidades de suministro de energía basadas en GaN, pueden desempeñar un papel fundamental en los centros de datos de minería si la criptomoneda se mantiene en su trayectoria actual.
Así como NVIDIA anunció recientemente una nueva línea de GPU dedicada a la minería criptográfica, Transphorm también ha aprovechado las PSU de GaN diseñadas expresamente para esta aplicación de consumo intensivo de energía. Es posible que más fabricantes se sumen a componentes específicos de minería para conservar las ofertas para aplicaciones informáticas menos exigentes.

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¿Alguna vez ha incursionado en el diseño de hardware para la minería de criptomonedas? ¿Qué desafíos enfrentó con el consumo masivo de energía? Comparta sus pensamientos en los comentarios a continuación.