HashCore: دالة إثبات العمل للمعالجات ذات الأغراض العامة

1. المقدمة

إثبات العمل (PoW) هو آلية الإجماع الأساسية للعملات المشفرة الرئيسية مثل البيتكوين والإيثيريوم، حيث يؤمن سلسلة الكتل من خلال مطالبة المشاركين ببذل جهد حوسبي لإضافة كتل جديدة. ومع ذلك، أدت المكافآت المالية الهائلة من التعدين إلى سباق تسلح في مجال الأجهزة المتخصصة، وتحديداً الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASICs). تقدم هذه الورقة البحثية HashCore، وهي دالة PoW جديدة مصممة ليتم تنفيذها بكفاءة قصوى على المعالجات ذات الأغراض العامة (GPPs) الموجودة حالياً، مثل معالجات x86 الشائعة. الفرضية الأساسية هي قلب مشكلة تطوير ASIC رأساً على عقب: بدلاً من تصميم جهاز لدالة محددة، يتم تصميم دالة تكون الأجهزة المتاحة على نطاق واسع والمتوافرة بالفعل مُحسَّنة لها بالفعل.

2. مشكلة مركزية الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASIC)

أدى تطوير ونشر دوائر ASIC لتعدين إثبات العمل (مثل SHA-256 للبيتكوين) إلى خلق حواجز كبيرة أمام الدخول إلى هذا المجال. تصميم ASIC يتطلب رأس مال مكثفاً ويستغرق وقتاً طويلاً، وغالباً ما يتحكم فيه عدد قليل من الشركات المصنعة الكبيرة. وهذا يؤدي إلى مركزية التعدين، حيث تتركز قوة التجزئة للشبكة بين عدد قليل من الكيانات القادرة على تحمل تكلفة أحدث أجهزة ASIC. تتعارض هذه المركزية مع روح اللامركزية في تقنية سلسلة الكتل وتشكل مخاطر أمنية (مثل هجمات 51% المحتملة). يهدف HashCore إلى التخفيف من ذلك عن طريق جعل "جهاز التعدين" الأكثر كفاءة هو وحدة المعالجة المركزية (CPU) القياسية للكمبيوتر.

3. HashCore: المفهوم الأساسي والتصميم

يتم بناء HashCore كدالة PoW تتكون من "وحدات برمجية" (widgets) يتم توليدها عشوائياً أثناء وقت التشغيل. تقوم كل وحدة بتنفيذ سلسلة من تعليمات المعالج العام (GPP) مصممة لاستنزاف موارد المعالج الحسابية.

3.1. المعيار المقلوب

الابتكار الرئيسي هو المعيار المقلوب. بدلاً من قياس أداء الأجهزة مقابل حمل عمل ثابت، يقوم HashCore بنمذجة حمل عمله على غرار المعايير التي تم تصميم وتهيئة معالجات GPP بشكل صريح لتشغيلها بكفاءة. المثال الأساسي هو مجموعة معايير SPEC CPU 2017 لمعالجات x86. يقوم مصممو الرقائق بشكل فعال بإنشاء دوائر ASIC لهذه المعايير. من خلال محاكاة خصائصها، يضمن HashCore أن يكون المعالج العام (GPP) هو أفضل ASIC لدالة PoW الخاصة به.

3.2. البنية المعتمدة على الوحدات البرمجية

الدالة ليست تجزئة واحدة ثابتة، بل هي تركيبة ديناميكية من الوحدات البرمجية. تمثل كل وحدة مهمة حسابية صغيرة ومستقلة تحاكي حمل عمل حقيقي للمعالج العام (مثل العمليات الصحيحة، حسابات الفاصلة العائمة، أنماط الوصول إلى الذاكرة). يتم تحديد تسلسل ومعلمات هذه الوحدات بشكل شبه عشوائي بناءً على مدخل رأس الكتلة، مما يمنع الحساب المسبق ويضمن بقاء حمل العمل عاماً.

4. التحليل الفني وإثبات الأمان

4.1. إثبات مقاومة التصادم

تقدم الورقة البحثية إثباتاً رسمياً بأن HashCore مقاوم للتصادم بغض النظر عن تنفيذ الوحدات البرمجية. يعتمد الحجة على بناء دالة التجزئة الكلية من الوحدات البرمجية. إذا كانت الدوال الأولية الأساسية وطريقة دمج مخرجات الوحدات البرمجية (مثل استخدام بنية Merkle-Damgård أو بنية الإسفنج) سليمة من الناحية التشفيرية، فإن العثور على مدخلين مختلفين ينتجان نفس مخرج HashCore النهائي يظل غير ممكن حسابياً.

4.2. الصياغة الرياضية

يمكن تصور إثبات العمل (PoW) على أنه العثور على رقم عشوائي (nonce) $n$ بحيث: $$\text{HashCore}(\text{BlockHeader}, n) < \text{Target}$$ حيث يتم حساب $\text{HashCore}(M)$ للرسالة $M$ على النحو التالي: $$H_{\text{final}} = C(W_1(M), W_2(M), ..., W_k(M))$$ هنا، $W_i$ هي الوحدات البرمجية المختارة شبه عشوائياً، و $C$ هي دالة دمج مقاومة للتصادم (مثل دالة تجزئة قياسية مثل SHA-3). يتم اشتقاق العشوائية لاختيار ومعلمة $W_i$ من $M$، مما يضمن تفرد حمل العمل لكل محاولة تجزئة.

5. الأداء المتوقع والنتائج

بينما لا يحتوي ملف PDF على مخططات أداء محددة، يتم وصف النتائج المتوقعة نوعياً:

التكافؤ في الأداء: يجب أن يحقق معالج المستهلك المتطور (مثل Intel Core i9، AMD Ryzen 9) معدل تجزئة مماثلاً لدائرة ASIC افتراضية مبنية لـ HashCore، حيث أن وحدة المعالجة المركزية (CPU) هي بالفعل المنصة المحسنة لأحمال العمل الشبيهة بالمعايير.
عدم كفاءة ASIC: ستواجه دائرة ASIC مخصصة مصممة لـ HashCore تناقصاً في العوائد. إن تعقيد وتنوع حمل العمل القائم على الوحدات البرمجية يجعل تصميم ASIC ذي الوظيفة الثابتة مكلفاً للغاية وأسرع قليلاً فقط من المعالج العام (GPP)، مما يدمر ميزته الاقتصادية.
خصائص الارتباط بالذاكرة: تم تصميم الوحدات البرمجية لاستنزاف ليس فقط وحدة الحساب والمنطق (ALU) ولكن أيضاً أنظمة الذاكرة المخبئية والذاكرة الفرعية، وهي تكتيك تستخدمه خوارزميات أخرى مقاومة لـ ASIC مثل Ethash. وهذا يزيد من تكلفة وتعقيد أي دائرة ASIC محتملة.

مفهوم الرسم البياني: سيظهر مخطط شريطي نظري نسبة "معدل التجزئة / التكلفة"، حيث يكون لـ HashCore على معالج عام (GPP) نسبة أعلى بكثير من إثبات العمل التقليدي (SHA-256) على معالج عام، وتساوي تقريباً نسبة HashCore على دائرة ASIC افتراضية.

6. إطار التحليل ودراسة الحالة

إطار عمل لتقييم مقاومة PoW لـ ASIC:

تغيرية حمل العمل: هل تتغير الخوارزمية مع مرور الوقت أو لكل عملية حسابية؟ (HashCore: مرتفعة - وحدات عشوائية).
استخدام العتاد: هل تستخدم أجزاء متعددة ومتنوعة من المعالج العام (ALU، FPU، الذاكرة المخبئية، وحدة تحكم الذاكرة)؟ (HashCore: مرتفعة).
صلابة الذاكرة: هل يكون الأداء محدوداً بعرض النطاق الترددي/زمن الوصول للذاكرة بدلاً من الحساب الخالص؟ (HashCore: مصمم ليكون كذلك).
التحسين الحالي: هل يشبه حمل العمل المعايير المهمة تجارياً؟ (HashCore: مرتفعة - SPEC CPU).

دراسة الحالة - المقارنة مع Ethash الخاص بالإيثيريوم: Ethash أيضاً مقاوم لـ ASIC ولكنه يستخدم نهجاً قائماً على الرسم البياني الموجه غير الدوري (DAG) وصلب الذاكرة. بينما هو فعال، فإن حمل عمله خاص بالتعدين. يمثل "المعيار المقلوب" لـ HashCore حجة اقتصادية أكثر مباشرة: فهو يستفيد من مليارات الدولارات التي تنفقها Intel وAMD على البحث والتطوير لتحسين وحدات المعالجة المركزية للمعايير العامة. إن دائرة ASIC لـ HashCore تتنافس مع تحسين صناعة أشباه الموصلات بأكملها لمجموعة مشاكل مماثلة.

7. التطبيقات المستقبلية والتطوير

عملات مشفرة جديدة: HashCore هو مرشح رئيسي لآلية الإجماع لسلاسل الكتل الجديدة التي تعطي الأولوية للامركزية والتعدين المتكافئ.
أنظمة هجينة PoW/PoS: يمكن استخدامه في نموذج انتقالي أو هجين، مثل انتقال الإيثيريوم إلى إثبات الحصة (PoS)، حيث يؤمن PoW الشبكة في البداية قبل الانتقال الكامل.
أسواق الحوسبة اللامركزية: يمكن نظرياً توجيه "العمل المفيد" الذي تقوم به الوحدات البرمجية نحو حسابات واقعية قابلة للتحقق (مثل طي البروتين، محاكاة الطقس)، متجهاً نحو "إثبات العمل المفيد". يواجه هذا تحديات كبيرة في التحقق والإنصاف ولكنه يبقى رؤية طويلة المدى.
التكيف مع بنى أخرى: يمكن توسيع المبدأ من خلال إنشاء متغيرات لـ HashCore على غرار المعايير الخاصة بـ ARM (للأجهزة المحمولة/الخوادم)، أو RISC-V، أو معايير حوسبة وحدات معالجة الرسومات (GPU) (مثل Luxor لتعدين GPU).

8. الفكرة الأساسية ومنظور المحلل

الفكرة الأساسية: HashCore ليس مجرد خوارزمية أخرى مقاومة لـ ASIC؛ إنه اختراق اقتصادي استراتيجي. إنه يدرك أن "ASIC" النهائي لأي مهمة هو العتاد الذي أنفق السوق بالفعل أكبر رأس مال لتحسينه. من خلال محاذاة PoW مع أهداف أداء صناعة وحدات المعالجة المركزية ذات الأغراض العامة متعددة المليارات، فإنه يجعل المركزية غير جذابة اقتصادياً. هذه نظرة أعمق من مجرد زيادة متطلبات الذاكرة، كما هو الحال في Ethash أو عائلة CryptoNight.

التدفق المنطقي: الحجة أنيقة: 1) تؤدي دوائر ASIC إلى مركزية التعدين. 2) دوائر ASIC فعالة لأنها محسنة لمهمة واحدة. 3) يصنع مصنعو وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات رقائقهم محسنة للمعايير القياسية (مثل SPEC، إلخ.) للفوز بحصة في السوق. 4) لذلك، قم بتصميم PoW يحاكي تلك المعايير. 5) الآن، أفضل "ASIC للتعدين" هو وحدة المعالجة المركزية التي تمتلكها بالفعل، و Intel/AMD هما مطورا ASIC الخاصين بك دون قصد. القفزة المنطقية من التحسين الفني إلى ديناميكيات السوق هي حيث يتألق HashCore.

نقاط القوة والضعف:
نقاط القوة: الفرضية الاقتصادية الأساسية قوية. يوفر استخدام أدوات الدمج التشفيرية المعتمدة ($C$) للوحدات البرمجية مساراً واضحاً لإثبات الأمان الأساسي. إنه يتناول مباشرة السبب الجذري للمركزية - عدم التماثل الاقتصادي في الوصول إلى العتاد.
نقاط الضعف والمخاطر: التفاصيل الدقيقة للوحدات البرمجية هي التحدي الحقيقي. تصميم وحدات برمجية متنوعة حقاً وغير متوقعة وتستنزف جميع أنظمة وحدة المعالجة المركزية ذات الصلة بالتساوي هو تحد هندسي ضخم. يمكن لمجموعة مصممة بشكل سيء أن تحتوي على تحيزات قابلة للاستغلال من خلال دائرة متخصصة ذكية. علاوة على ذلك، لا يمنع النهج النشر واسع النطاق لمزارع وحدات المعالجة المركزية القياسية، والتي يمكن أن تؤدي لا يزال إلى مركزية من شكل مختلف (التعدين عبر السحابة/مراكز البيانات). يبقى نقد استهلاك الطاقة لـ PoW دون معالجة.

رؤى قابلة للتنفيذ:
1. لمطوري سلسلة الكتل: يقدم HashCore مخططاً عملياً للعملات المشفرة الجديدة ذات الإطلاق العادل. تكون قيمته أعلى في المشاريع التي يكون فيها التوزيع المجتمعي ولامركزية التعدين في غاية الأهمية.
2. للمستثمرين: كن متشككاً في أي ادعاء "مقاوم لـ ASIC". افحص الآلية بعناية. الأساس المنطقي القائم على المعايير لـ HashCore أكثر متانة من الخوارزميات التي تعتمد فقط على حجم الذاكرة. ابحث عن مشاريع تستخدم مثل هذه التصاميم لـ PoW ذات الأساس الاقتصادي.
3. للباحثين: مفهوم "المعيار المقلوب" أرض خصبة. هل يمكن تطبيقه لإنشاء PoW للأجهزة المحمولة باستخدام مجموعات معايير التعلم الآلي؟ هل يمكن جعل مخرجات الوحدات البرمجية مفيدة حقاً، لسد الفجوة إلى "إثبات العمل المفيد" كما تم استكشافه في مشاريع مثل Primecoin أو البحث حول "العمل المفيد"؟
4. المسار الحرج: يعتمد نجاح HashCore بالكامل على تنفيذ صارم ومفتوح المصدر ومراجعة الأقران المكثفة لمكتبة وحداته البرمجية. بدون هذا، يبقى نظرية مثيرة للاهتمام. يجب على المجتمع الضغط من أجل شبكة اختبار عامة ومواصفات مفصلة لاختبار مزاعمه تحت الضغط.

في الختام، يعيد HashCore صياغة مشكلة لامركزية PoW من سباق تسلح في العتاد إلى لعبة محاذاة اقتصادية. إنها استراتيجية ذكية، وإن كانت غير مثبتة. لن يكون اختبارها النهائي في إثبات أكاديمي، بل في ما إذا كان يمكنها الحفاظ على توزيع معدّنين لامركزي في العالم الواقعي، ضد الحوافز الاقتصادية الحقيقية. كما يظهر فشل العديد من العملات "المقاومة لـ ASIC"، هذا هو المعيار الوحيد الذي يهم.

9. المراجع

Georghiades, Y., Flolid, S., & Vishwanath, S. (Year). HashCore: Proof-of-Work Functions for General Purpose Processors. [Conference/Journal Name].
Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
Back, A. (2002). Hashcash - A Denial of Service Counter-Measure.
Dwork, C., & Naor, M. (1993). Pricing via Processing or Combatting Junk Mail. CRYPTO '92.
SPEC CPU 2017. Standard Performance Evaluation Corporation. https://www.spec.org/cpu2017/
Buterin, V. (2013). Ethereum White Paper: A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform.
Ball, M., Rosen, A., Sabin, M., & Vasudevan, P. N. (2017). Proofs of Useful Work. IACR Cryptology ePrint Archive, 2017, 203. https://eprint.iacr.org/2017/203
Teutsch, J., & Reitwießner, C. (2017). A Scalable Verification Solution for Blockchains. Ethereum Research.