1. المقدمة
بروتوكولات إثبات العمل (PoW) هي أساسية لأمان وتشغيل شبكات البلوكشين الرئيسية مثل البيتكوين والإيثيريوم. فهي تؤمن السجل العام من خلال جعل إنشاء الكتل مكلفًا حسابيًا. ومع ذلك، فإن المكافآت المالية الهائلة من التعدين أدت إلى سباق تسلح في مجال الأجهزة، بلغ ذروته بهيمنة الدوائر المتكاملة ذات التطبيقات الخاصة (ASICs). تقدم هذه الرقائق المتخصصة كفاءة لا مثيل لها لوظائف التجزئة المحددة، لكنها باهظة الثمن ونادرة وتساهم في تمركز التعدين. تقدم هذه الورقة البحثية HashCore، وهي دالة PoW جديدة مصممة على فرضية معكوسة: ليتم تنفيذها بكفاءة قصوى على المعالجات ذات الأغراض العامة (GPPs) المتوفرة على نطاق واسع حاليًا، مثل وحدات المعالجة المركزية x86، وبالتالي تعميم الوصول إلى التعدين.
2. مشكلة تمركز ASIC
القضية الأساسية التي يعالجها HashCore هي تمركز قوة التعدين. يتطلب تطوير ASIC رأس مال وخبرة كبيرة وإمكانية الوصول إلى تصنيع أشباه الموصلات، مما يخلق حواجز عالية للدخول. وينتج عن ذلك نظام بيئي للتعدين يتحكم فيه عدد قليل من الكيانات الكبيرة، وهو ما يتناقض مع فلسطة اللامركزية لتقنية البلوكشين. كما أن تركيز قوة التجزئة يزيد من ضعف الشبكة أمام هجمات 51% إذا حصلت كيان واحد أو كارتل على السيطرة الأغلبية.
3. HashCore: المفهوم الأساسي والتصميم
يعكس HashCore مشكلة التحسين التقليدية لـ ASIC. بدلاً من تصميم أجهزة لخوارزمية ثابتة، فإنه يصمم خوارزمية مُحسنة للأجهزة الحالية المنتجة بكميات كبيرة. الفكرة الرئيسية هي أن معالجات GPPs هي بالفعل "ASICs" مُحسنة للغاية لأحمال العمل الحسابية الشائعة، مثل تلك المحددة في مجموعات المعايير مثل SPEC CPU 2017.
3.1. المعايير المعكوسة
تتضمن المنهجية، المسماة المعايير المعكوسة، نمذجة دالة PoW على غرار أحمال العمل نفسها التي ينفق مهندسو وحدة المعالجة المركزية مليارات الدولارات وسنوات من البحث والتطوير لتحسينها. وبذلك، يضمن HashCore أن "المعدِّن" الأكثر كفاءة لخوارزميته هو وحدة معالجة مركزية قياسية جاهزة للاستخدام.
3.2. البنية المعتمدة على الوحدات
HashCore ليست دالة تجزئة واحدة، بل هي دالة شاملة مكونة من "وحدات" يتم توليدها ديناميكيًا. كل وحدة هي تسلسل صغير من التعليمات ذات الأغراض العامة يتم توليده بشكل شبه عشوائي مصمم لاختبار الموارد الحسابية الرئيسية لوحدة GPP (وحدة المنطق الحسابي ALU، وحدة الفاصلة العائمة FPU، الذاكرة المخبأة، عرض نطاق الذاكرة). يتضمن إثبات العمل الشامل تنفيذ سلسلة من هذه الوحدات على مُدخل (رأس الكتلة + الرقم المستخدم مرة واحدة nonce).
4. التحليل الفني وإثبات الأمان
4.1. إثبات مقاومة التصادم
تقدم الورقة البحثية إثباتًا رسميًا بأن HashCore مقاومة للتصادم، بافتراض أن الأساسيات التشفيرية المستخدمة داخل الوحدات آمنة. يعتمد الإثبات على بنية سلسلة الوحدات وعشوائية توليدها، مما يضمن أن العثور على مُدخلين متميزين يؤديان إلى نفس ناتج التجزئة النهائي هو أمر غير ممكن حسابيًا.
4.2. الصياغة الرياضية
يمكن تمثيل دالة HashCore الأساسية بشكل مجرد. لنفترض أن $W_i$ هي دالة الوحدة رقم $i$، و $G(seed)$ هي مولِّد الوحدات شبه العشوائي، و $H$ هي دالة تجزئة تشفيرية قياسية (مثل SHA-256) تُستخدم للإنهاء. بالنسبة لمُدخل $x$ (رأس الكتلة + الرقم المستخدم مرة واحدة nonce):
$\text{seed} = H(x)$
$(W_1, W_2, ..., W_n) = G(\text{seed})$
$\text{intermediate}_0 = x$
$\text{intermediate}_i = W_i(\text{intermediate}_{i-1})$ for $i = 1$ to $n$
$\text{HashCore}(x) = H(\text{intermediate}_n)$
السلسلة ذات الطول المتغير $n$ وتسلسل الوحدات المعتمد على البيانات يجعلان الحساب المسبق وتحسين ASIC صعبين للغاية.
5. النتائج التجريبية والأداء
نتائج المحاكاة: تقدم الورقة البحثية محاكاة تقارن أداء HashCore على وحدة معالجة مركزية x86 حديثة مقابل ASIC نظري مُحسَّن لدالة تجزئة تقليدية (مثل SHA-256). المقياس الرئيسي هو الجول لكل عملية تجزئة. بينما يحتفظ ASIC بميزة مطلقة في الإنتاجية الخام لوظيفته المخصصة، فإن ميزته الأدائية مقارنة بوحدة المعالجة المركزية عند تشغيل HashCore هامشية (تقدر بأقل من 10 أضعاف)، مقارنة بميزة تزيد عن 1000 ضعف لـ SHA-256. هذا "ضغط فجوة الأداء" هو مقياس النجاح الأساسي.
وصف الرسم البياني (مفاهيمي): سيظهر مخطط شريطي "كفاءة الطاقة (جول/تجزئة)" على المحور الصادي. ثلاثة أشرطة: 1) SHA-256 على ASIC (شريط قصير جدًا، عالي الكفاءة). 2) SHA-256 على وحدة المعالجة المركزية (شريط طويل جدًا، غير كفء). 3) HashCore على وحدة المعالجة المركزية (شريط أطول قليلاً فقط من الشريط 1، يوضح كفاءة قريبة من ASIC على أجهزة السلع الأساسية). الفجوة بين الشريط 1 والشريط 3 صغيرة، مما يسلط الضوء بصريًا على هدف HashCore.
6. إطار التحليل ودراسة الحالة
إطار تقييم مقاومة PoW لـ ASIC: لتقييم ادعاءات مثل HashCore، يجب على المحللين فحص: 1) تعقيد وتنوع الخوارزمية: هل تستخدم مزيجًا واسعًا وغير متوقع من عمليات وحدة المعالجة المركزية (الأعداد الصحيحة، الفاصلة العائمة، الفروع، عمليات الذاكرة)؟ 2) صعوبة الذاكرة: هل تتطلب وصولاً سريعًا لكمية كبيرة من الذاكرة مكلف التنفيذ في ASICs؟ 3) الاعتماد التسلسلي: هل يمكن موازاة العمل بسهولة؟ 4) محاذاة المعايير: إلى أي مدى تعكس معايير وحدة المعالجة المركزية القياسية في الصناعة؟
دراسة الحالة - المقارنة مع Ethash (PoW السابق للإيثيريوم): تم تصميم Ethash أيضًا لمقاومة ASIC عبر صعوبة الذاكرة (الرسم البياني الموجه غير الدوري DAG). ومع ذلك، ظهرت في النهاية رقائق ASIC لـ Ethash. نهج HashCore أكثر جوهرية: فهو يهاجم النموذج الاقتصادي لتطوير ASIC من خلال جعل منصة الأجهزة المستهدفة (GPP) هدفًا متحركًا ومعقدًا ومُحسَّنًا تجاريًا، على غرار كيفية تعلم الشبكات الخصومة في CycleGAN توليد بيانات لا يمكن تمييزها عن مجال مستهدف. يجبر HashCore مصممي ASIC بشكل أساسي على "إعادة اختراع وحدة المعالجة المركزية"، وهي مهمة ذات تكلفة وتعقيد باهظين.
7. التطبيقات المستقبلية والتطوير
- إطلاق عملات مشفرة جديدة: HashCore مرشح مثالي لخوارزمية PoW الأساسية لسلاسل الكتل الجديدة التي تعطي الأولوية للامركزية ومشاركة التعدين الواسعة من اليوم الأول.
- أنظمة هجينة PoW/PoS (إثبات الحصة): يمكن أن تعمل HashCore كعنصر كثيف الحساب ومقاوم لـ ASIC في نموذج إجماع هجين، مكملًا للأمان القائم على الحصة.
- أسواق الحوسبة اللامركزية: يمكن توسيع النموذج المعتمد على الوحدات لإنشاء عمل مفيد يمكن إثباته، حيث تؤدي الوحدات أجزاء قابلة للتحقق من الحساب العلمي الواقعي (مثل محاكاة طي البروتين المشابهة لـ Folding@home)، والتحول نحو "إثبات العمل المفيد".
- الصعوبة التكيفية وتطور الأجهزة: يتضمن العمل المستقبلي جعل مولِّد الوحدات تكيفيًا، بحيث "يتطور" PoW جنبًا إلى جنب مع تطور بنية GPP (مثل التأكيد على وحدات AVX-512 الجديدة أو وحدات الرياضيات المصفوفية)، والحفاظ على هدف متحرك دائم لمصممي ASIC.
8. المراجع
- Georghiades, Y., Flolid, S., & Vishwanath, S. (السنة). HashCore: Proof-of-Work Functions for General Purpose Processors. [اسم المؤتمر/المجلة].
- Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
- Back, A. (2002). Hashcash - A Denial of Service Counter-Measure.
- SPEC CPU 2017. Standard Performance Evaluation Corporation. https://www.spec.org/cpu2017/
- Zhu, J., Park, T., Isola, P., & Efros, A. A. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. In Proceedings of the IEEE international conference on computer vision (pp. 2223-2232).
- Buterin, V. (2013). Ethereum White Paper: A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform.
9. التحليل والتعليق الخبير
الفكرة الأساسية
HashCore ليست مجرد خوارزمية أخرى "مقاومة لـ ASIC"؛ بل هي تحول استراتيجي في سباق التسلح الاقتصادي التشفيري. يحدد المؤلفون بشكل صحيح أن جذر تمركز التعدين ليس مجرد تصميم الخوارزمية، ولكن عدم التماثل الاقتصادي بين تصميم ASIC ذي الغرض الواحد ومنصة الحوسبة ذات الأغراض العامة المُحسَّنة عالميًا بقيمة مليارات الدولارات. تكمن عبقريتهم في تسليح إنفاق البحث والتطوير لصناعة أشباه الموصلات بأكملها ضد مطوري ASIC المتخصصين. من خلال محاذاة PoW مع معيار SPEC CPU - وهو التقرير نفسه الذي يدفع قرارات البنية المعمارية لشركتي Intel وAMD - يجعل HashCore كل دورة ترقية لوحدة المعالجة المركزية ترقية ASIC فعلية لعمال المناجم الخاصين به، مجانًا. هذه نظرة أعمق بكثير من مجرد إضافة صعوبة في الذاكرة، كما رأينا في السابق مثل Ethash أو عائلة CryptoNight المستخدمة في Monero.
التدفق المنطقي
منطق الورقة البحثية مقنع ولكنه يرتكز على افتراض حاسم وغير مثبت: أن التوليد شبه العشوائي "لللوحات" التي تختبر وحدة المعالجة المركزية يمكن، عمليًا، إنشاء حمل عمل يكون بشكل موحد أمثل عبر بنيات وحدة المعالجة المركزية الدقيقة المتنوعة (Intel مقابل AMD مقابل ARM) ويظل كذلك بمرور الوقت. بينما نظرية "المعايير المعكوسة" سليمة، فإن تنفيذها معقد للغاية. الخطر هو إنشاء PoW يفضل عن غير قصد تنفيذ بائع معين لوحدة المعالجة المركزية لتعليمات، على سبيل المثال، AVX-512، مما يعيد ببساطة إنشاء تمركز ASIC تحت اسم مختلف - "تمركز علامة وحدة المعالجة المركزية". يعترف المؤلفون بهذا ولكنهم يمررون الحل إلى "الوحدات" "التكيفية" المستقبلية. هذه هي الفجوة الكبيرة بين النظرية الأنيقة والنشر الواقعي القوي.
نقاط القوة والعيوب
نقاط القوة: الأطروحة الاقتصادية والأمنية الأساسية رائعة. يقدم الإثبات الرسمي لمقاومة التصادم المصداقية التشفيرية اللازمة. يوفر النهج المعتمد على الوحدات مرونة جوهرية وهو طريقة ذكية لإنشاء "هدف متحرك". يتناول مباشرة مشكلة إمكانية الوصول، مما يسمح محتملاً لمليارات الأجهزة الحالية بالمشاركة بشكل ذي معنى في الإجماع.
العيوب والمخاطر: العيب الأساسي هو تعقيد التنفيذ والنفقات العامة للتحقق. يجب على كل معدِّن توليد وتنفيذ أكواد وحدات فريدة ديناميكيًا. هذا يثير مخاوف أمنية هائلة - كيف نمنع الوحدات الخبيثة من تعطيل أو استغلال المعدِّنين؟ يصبح التحقق من صحة الكتلة أكثر كثافة حسابيًا من PoW التقليدي. علاوة على ذلك، كما تلاحظ مجموعة SPEC نفسها، يمكن التلاعب بالمعايير. إذا أصبحت خوارزمية توليد الوحدات قابلة للتنبؤ، فيمكن لمصممي ASIC إنشاء رقائق تتفوق في أنماط الوحدات الأكثر احتمالاً، مما يكسر النموذج. كما أن الورقة البحثية تتجاهل إلى حد كبير التحول الوشيك في الصناعة نحو إثبات الحصة (PoS)، كما يدعمه اندماج Ethereum، والذي يهدف إلى حل مشكلة التمركز من خلال إلغاء المنافسة على الأجهزة تمامًا.
رؤى قابلة للتنفيذ
لمهندسي البلوكشين: جرب HashCore في شبكة اختبار أو سلسلة جانبية على الفور. اختبر مولِّد الوحدات للتحيز ونقاط الضعف الأمنية. تعاون مع مصنعي وحدات المعالجة المركزية لفهم خطط البنية المعمارية المستقبلية، مما يجعل HashCore محتملاً معيارًا تعاونيًا.
للمستثمرين وعمال المناجم: انظروا إلى HashCore ليس كمنافس مباشر للبيتكوين، ولكن كالمرشح الرئيسي للجيل القادم من العملات اللامركزية التي تركز على المجتمع. يعتمد نجاحها على مجتمع يقدر التعدين المتساوي على الكفاءة البحتة. راقب المشاريع التي تعتمدها وقم بتقييم التوزيع الواقعي لمعدل التجزئة الخاص بها.
لمصنعي ASIC: الكتابة على الجدار. الاتجاه طويل الأمد هو ضد رقائق التعدين ذات الوظيفة الواحدة والخوارزمية الثابتة. تنوِّع في مجالات مثل تسريع إثبات المعرفة الصفرية أو طبقات توافر البيانات البلوكشين المعيارية، والتي تمثل الحدود التالية للأجهزة التشفيرية المتخصصة والمستدامة.
في الختام، HashCore هي قطعة بحثية أساسية تحول نموذج PoW. بينما العقبات العملية كبيرة، فإن فكرتها الأساسية - الاستفادة من اقتصاديات الحوسبة ذات الأغراض العامة - هي المسار الأكثر مصداقية للمضي قدمًا للحفاظ على إجماع قائم على الحوسبة ولامركزي في عالم ما بعد ASIC. إنها تستحق الاختبار الواقعي الدقيق.