1. Введение
Протоколы доказательства выполнения работы (Proof-of-Work, PoW) являются основой безопасности и функционирования крупных блокчейн-сетей, таких как Bitcoin и Ethereum. Они защищают реестр, делая создание блоков вычислительно затратным. Однако огромные финансовые вознаграждения за майнинг привели к гонке вооружений в области аппаратного обеспечения, кульминацией которой стало доминирование специализированных интегральных схем (Application-Specific Integrated Circuits, ASIC). Эти специализированные чипы предлагают непревзойденную эффективность для конкретных хеш-функций, но они дороги, дефицитны и способствуют централизации майнинга. В данной статье представлен HashCore — новая функция PoW, разработанная на основе инвертированной предпосылки: быть наиболее эффективно выполняемой на существующих, широко доступных процессорах общего назначения (General Purpose Processors, GPP), таких как x86 CPU, тем самым демократизируя доступ к майнингу.
2. Проблема централизации из-за ASIC
Основная проблема, которую решает HashCore, — это централизация майнинговых мощностей. Разработка ASIC требует значительного капитала, экспертизы и доступа к полупроводниковому производству, создавая высокие барьеры для входа. Это приводит к экосистеме майнинга, контролируемой несколькими крупными игроками, что противоречит децентрализованной философии блокчейн-технологии. Концентрация хеш-мощности также увеличивает уязвимость сети к атакам 51%, если одно лицо или картель получат контроль над большинством.
3. HashCore: Основная концепция и дизайн
HashCore инвертирует традиционную проблему оптимизации под ASIC. Вместо разработки аппаратного обеспечения под фиксированный алгоритм, он разрабатывает алгоритм, оптимизированный под существующее, серийно производимое аппаратное обеспечение. Ключевая идея заключается в том, что GPP уже являются высокооптимизированными «ASIC» для распространенных вычислительных нагрузок, таких как те, что определены в наборах бенчмарков вроде SPEC CPU 2017.
3.1. Инвертированное бенчмаркирование
Методология, названная инвертированным бенчмаркированием, предполагает моделирование функции PoW по образцу тех самых рабочих нагрузок, на оптимизацию которых архитекторы CPU тратят миллиарды долларов и годы НИОКР. Таким образом, HashCore гарантирует, что наиболее эффективным «майнером» для его алгоритма является стандартный, готовый к использованию CPU.
3.2. Архитектура на основе виджетов
HashCore — это не единая хеш-функция, а метафункция, состоящая из динамически генерируемых «виджетов». Каждый виджет — это небольшая, псевдослучайно сгенерированная последовательность инструкций общего назначения, предназначенная для нагрузки на ключевые вычислительные ресурсы GPP (ALU, FPU, кэш, пропускную способность памяти). Общий процесс PoW включает выполнение цепочки таких виджетов на входных данных (заголовок блока + одноразовый номер).
4. Технический анализ и доказательство безопасности
4.1. Доказательство устойчивости к коллизиям
В статье представлено формальное доказательство того, что HashCore устойчив к коллизиям, при условии безопасности используемых в виджетах криптографических примитивов. Доказательство основывается на структуре цепочки виджетов и случайности их генерации, что гарантирует вычислительную невозможность нахождения двух различных входных данных, приводящих к одинаковому итоговому хеш-выводу.
4.2. Математическая формулировка
Основную функцию HashCore можно представить абстрактно. Пусть $W_i$ — функция $i$-го виджета, $G(seed)$ — псевдослучайный генератор виджетов, а $H$ — стандартная криптографическая хеш-функция (например, SHA-256), используемая для финализации. Для входных данных $x$ (заголовок блока + одноразовый номер):
$\text{seed} = H(x)$
$(W_1, W_2, ..., W_n) = G(\text{seed})$
$\text{intermediate}_0 = x$
$\text{intermediate}_i = W_i(\text{intermediate}_{i-1})$ для $i = 1$ до $n$
$\text{HashCore}(x) = H(\text{intermediate}_n)$
Цепочка переменной длины $n$ и зависящая от данных последовательность виджетов делают предварительные вычисления и оптимизацию под ASIC чрезвычайно сложными.
5. Экспериментальные результаты и производительность
Результаты моделирования: В статье представлены результаты моделирования, сравнивающие производительность HashCore на современном x86 CPU с теоретическим ASIC, оптимизированным под традиционную хеш-функцию (например, SHA-256). Ключевой метрикой является Джоули на хеш. Хотя ASIC имеет абсолютное преимущество в чистой пропускной способности для своей специализированной функции, его преимущество в производительности над CPU при выполнении HashCore незначительно (оценивается менее чем в 10 раз) по сравнению с преимуществом в 1000+ раз для SHA-256. Это «сжатие разрыва в производительности» является основным критерием успеха.
Описание диаграммы (концептуальное): Столбчатая диаграмма покажет «Энергоэффективность (Дж/Хеш)» на оси Y. Три столбца: 1) SHA-256 на ASIC (очень короткий столбец, высокая эффективность). 2) SHA-256 на CPU (очень высокий столбец, неэффективно). 3) HashCore на CPU (столбец лишь немного выше, чем Столбец 1, демонстрирующий эффективность, близкую к ASIC, на стандартном оборудовании). Разрыв между Столбцом 1 и Столбцом 3 мал, что наглядно подчеркивает цель HashCore.
6. Фреймворк анализа и кейс-стади
Фреймворк для оценки устойчивости PoW к ASIC: Для оценки заявлений, подобных заявлениям HashCore, аналитикам следует изучить: 1) Алгоритмическую сложность и разнообразие: Использует ли он широкий, непредсказуемый набор операций CPU (целочисленные, с плавающей запятой, ветвления, операции с памятью)? 2) Сложность по памяти: Требует ли он доступа к большому объему быстрой памяти, что дорого реализовать в ASIC? 3) Последовательная зависимость: Можно ли тривиально распараллелить работу? 4) Соответствие бенчмаркам: Насколько точно он отражает отраслевые стандартные бенчмарки CPU?
Кейс-стади — Сравнение с Ethash (бывший PoW Ethereum): Ethash также был разработан для устойчивости к ASIC через сложность по памяти (DAG). Однако со временем появились ASIC для Ethash. Подход HashCore более фундаментален: он атакует экономическую модель разработки ASIC, делая целевую аппаратную платформу (GPP) движущейся, сложной и коммерчески оптимизированной целью, подобно тому, как состязательные сети в CycleGAN учатся генерировать данные, неотличимые от целевой области. HashCore по сути заставляет разработчиков ASIC «изобретать CPU заново», что является задачей с запретительной стоимостью и сложностью.
7. Будущие применения и развитие
- Запуск новых криптовалют: HashCore является идеальным кандидатом для базового алгоритма PoW новых блокчейнов, приоритезирующих децентрализацию и широкое участие в майнинге с первого дня.
- Гибридные системы PoW/PoS (Proof-of-Stake): HashCore может служить вычислительно сложным, устойчивым к ASIC компонентом в гибридной модели консенсуса, дополняя безопасность на основе доли владения.
- Децентрализованные рынки вычислений: Модель на основе виджетов может быть расширена для создания доказуемо полезной работы, где виджеты выполняют проверяемые фрагменты реальных научных вычислений (например, симуляции сворачивания белков, аналогичные Folding@home), двигаясь в сторону «Proof-of-Useful-Work».
- Адаптивная сложность и эволюция аппаратного обеспечения: Будущая работа включает создание адаптивного генератора виджетов, чтобы PoW «эволюционировал» вместе с развитием архитектуры GPP (например, акцентируя новые блоки AVX-512 или матричной математики), поддерживая вечно движущуюся цель для разработчиков ASIC.
8. Ссылки
- Georghiades, Y., Flolid, S., & Vishwanath, S. (Год). HashCore: Proof-of-Work Functions for General Purpose Processors. [Название конференции/журнала].
- 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. Экспертный анализ и комментарии
Ключевая идея
HashCore — это не просто очередной «устойчивый к ASIC» алгоритм; это стратегический разворот в криптоэкономической гонке вооружений. Авторы верно определяют, что корень централизации майнинга заключается не только в дизайне алгоритма, но и в экономической асимметрии между разработкой узкоспециализированного ASIC и многомиллиардной, глобально оптимизированной платформой общего назначения. Их гениальность заключается в том, чтобы использовать расходы на НИОКР всей полупроводниковой отрасли против нишевых разработчиков ASIC. Согласовав PoW с бенчмарком SPEC CPU — тем самым «табелем успеваемости», который определяет архитектурные решения Intel и AMD, — HashCore делает каждый цикл обновления CPU де-факто обновлением ASIC для своих майнеров, и делает это бесплатно. Это гораздо более глубокая идея, чем просто добавление сложности по памяти, как в предшественниках вроде Ethash или семейства CryptoNight, используемого Monero.
Логическая последовательность
Логика статьи убедительна, но опирается на критическое, недоказанное предположение: что псевдослучайная генерация «виджетов», нагружающих CPU, может на практике создать рабочую нагрузку, которая будет равномерно оптимальна для различных микроархитектур CPU (Intel vs. AMD vs. ARM) и останется таковой с течением времени. Хотя теория «инвертированного бенчмаркинга» обоснованна, ее реализация чертовски сложна. Риск заключается в создании PoW, который непреднамеренно благоприятствует реализации конкретного вендора CPU, скажем, инструкций AVX-512, просто воссоздавая централизацию ASIC под другим именем — «централизация по бренду CPU». Авторы признают это, но отмахиваются от решения, откладывая его на будущие «адаптивные» виджеты. Это главный разрыв между элегантной теорией и суровой реальностью развертывания.
Сильные стороны и недостатки
Сильные стороны: Основная экономическая и безопасностная концепция блестяща. Формальное доказательство устойчивости к коллизиям обеспечивает необходимую криптографическую достоверность. Подход на основе виджетов предлагает врожденную гибкость и является умным способом создания «движущейся цели». Он напрямую решает проблему доступности, потенциально позволяя миллиардам существующих устройств осмысленно участвовать в консенсусе.
Недостатки и риски: Основной недостаток — это сложность реализации и накладные расходы на верификацию. Каждый майнер должен динамически генерировать и выполнять уникальные виджеты кода. Это вызывает серьезные проблемы безопасности — как предотвратить сбои или эксплуатацию майнеров вредоносными виджетами? Проверка блока становится более вычислительно затратной, чем в традиционном PoW. Более того, как отмечает сам консорциум SPEC, бенчмарками можно манипулировать. Если алгоритм генерации виджетов станет предсказуемым, разработчики ASIC смогут создавать чипы, превосходно справляющиеся с наиболее вероятными шаблонами виджетов, ломая модель. Статья также в значительной степени игнорирует надвигающийся отраслевой сдвиг в сторону Proof-of-Stake (PoS), продвигаемый слиянием Ethereum (The Merge), который стремится решить проблему централизации, полностью устраняя аппаратную конкуренцию.
Практические выводы
Для архитекторов блокчейнов: Немедленно протестируйте HashCore в тестовой сети или сайдчейне. Проверьте генератор виджетов на предмет смещений и уязвимостей безопасности. Сотрудничайте с производителями CPU, чтобы понять будущие архитектурные планы, потенциально сделав HashCore совместным стандартом.
Для инвесторов и майнеров: Рассматривайте HashCore не как прямого конкурента Bitcoin, а как ведущего кандидата для следующего поколения децентрализованных, ориентированных на сообщество монет. Его успех зависит от сообщества, которое ценит эгалитарный майнинг выше чистой эффективности. Отслеживайте проекты, которые его принимают, и оценивайте реальное распределение их хеш-мощности.
Для производителей ASIC: На стене уже написано. Долгосрочный тренд направлен против однофункциональных, фиксированных по алгоритму майнинговых чипов. Диверсифицируйтесь в такие области, как ускорение доказательств с нулевым разглашением (zero-knowledge proofs) или модульные уровни доступности данных блокчейна, которые представляют собой следующий рубеж специализированного, но устойчивого крипто-аппаратного обеспечения.
В заключение, HashCore — это основополагающее исследование, меняющее парадигму PoW. Хотя практические препятствия значительны, его основная идея — использование экономики вычислений общего назначения — является наиболее убедительным путем для сохранения децентрализованного, основанного на вычислениях консенсуса в мире после ASIC. Оно заслуживает тщательного реального тестирования.