HashCore: Функция доказательства выполнения работы для процессоров общего назначения

1. Введение

Доказательство выполнения работы (Proof-of-Work, PoW) — это фундаментальный механизм консенсуса для основных криптовалют, таких как Bitcoin и Ethereum, обеспечивающий безопасность блокчейна за счёт необходимости вычислительных усилий для добавления новых блоков. Однако огромные финансовые вознаграждения за майнинг привели к гонке вооружений в специализированном оборудовании, в частности, в специализированных интегральных схемах (ASIC). В данной статье представлен HashCore — новая функция PoW, спроектированная для максимально эффективного выполнения на существующих процессорах общего назначения (GPP), таких как распространённые x86 CPU. Основной тезис заключается в инвертировании проблемы разработки ASIC: вместо проектирования оборудования под конкретную функцию, спроектировать функцию, для которой существующее, широкодоступное оборудование уже оптимизировано.

2. Проблема централизации из-за ASIC

Разработка и внедрение ASIC для майнинга PoW (например, SHA-256 в Bitcoin) создали значительные барьеры для входа. Проектирование ASIC требует больших капиталовложений, времени и часто контролируется несколькими крупными производителями. Это приводит к централизации майнинга, когда хеш-мощность сети концентрируется у небольшого числа субъектов, которые могут позволить себе новейшие ASIC. Эта концентрация противоречит децентрализованной философии технологии блокчейн и создаёт риски для безопасности (например, потенциальные атаки 51%). HashCore направлен на смягчение этой проблемы, делая стандартный компьютерный CPU наиболее эффективной «майнинг-фермой».

3. HashCore: Основная концепция и дизайн

HashCore построен как функция PoW, состоящая из псевдослучайно генерируемых во время выполнения «виджетов». Каждый виджет выполняет последовательность инструкций GPP, предназначенных для нагрузки на вычислительные ресурсы процессора.

3.1. Инвертированное бенчмаркирование

Ключевая инновация — инвертированное бенчмаркирование. Вместо тестирования производительности оборудования на фиксированной нагрузке, HashCore моделирует свою нагрузку по образцу бенчмарков, для эффективного выполнения которых GPP явно спроектированы и оптимизированы. Основной пример — набор тестов SPEC CPU 2017 для x86-процессоров. Разработчики чипов по сути создают ASIC для этих бенчмарков. Отражая их характеристики, HashCore гарантирует, что GPP является оптимальным ASIC для своего PoW.

3.2. Архитектура на основе виджетов

Функция представляет собой не единый статичный хеш, а динамическую композицию виджетов. Каждый виджет представляет собой небольшую самодостаточную вычислительную задачу, имитирующую реальную нагрузку на GPP (например, целочисленные операции, вычисления с плавающей запятой, паттерны доступа к памяти). Последовательность и параметры этих виджетов определяются псевдослучайно на основе входных данных заголовка блока, что предотвращает предварительные вычисления и гарантирует общий характер рабочей нагрузки.

4. Технический анализ и доказательство безопасности

4.1. Доказательство устойчивости к коллизиям

В статье представлено формальное доказательство того, что HashCore устойчив к коллизиям независимо от реализации виджетов. Аргументация основывается на построении общей хеш-функции из виджетов. Если базовые примитивы и метод комбинирования выходных данных виджетов (например, использование структуры Меркла-Дамгора или губчатой конструкции) криптографически корректны, то нахождение двух различных входных данных, дающих одинаковый итоговый выход HashCore, остаётся вычислительно неосуществимым.

4.2. Математическая формулировка

PoW можно концептуализировать как поиск одноразового числа (nonce) $n$, такого что: $$\text{HashCore}(\text{BlockHeader}, n) < \text{Target}$$ Где $\text{HashCore}(M)$ для сообщения $M$ вычисляется как: $$H_{\text{final}} = C(W_1(M), W_2(M), ..., W_k(M))$$ Здесь $W_i$ — псевдослучайно выбранные виджеты, а $C$ — устойчивая к коллизиям комбинирующая функция (например, стандартный хеш, такой как SHA-3). Случайность для выбора и параметризации $W_i$ получается из $M$, что гарантирует уникальность рабочей нагрузки для каждой попытки хеширования.

5. Ожидаемая производительность и результаты

Хотя в PDF-файле нет конкретных графиков производительности, ожидаемые результаты описаны качественно:

Паритет производительности: Продвинутый потребительский CPU (например, Intel Core i9, AMD Ryzen 9) должен достигать хешрейта, сопоставимого с гипотетическим ASIC, построенным для HashCore, поскольку CPU уже является оптимизированной платформой для нагрузок, подобных бенчмаркам.
Неэффективность ASIC: Пользовательский ASIC, спроектированный для HashCore, столкнётся с убывающей отдачей. Сложность и изменчивость рабочей нагрузки на основе виджетов делают проектирование ASIC с фиксированной функциональностью чрезмерно дорогим и лишь незначительно более быстрым, чем GPP, что уничтожает его экономическое преимущество.
Характеристики, ограниченные памятью: Виджеты спроектированы так, чтобы нагружать не только АЛУ, но и подсистемы кэша и памяти — тактика, используемая другими алгоритмами, устойчивыми к ASIC, такими как Ethash. Это увеличивает стоимость и сложность любого потенциального ASIC.

Концепция диаграммы: Теоретическая столбчатая диаграмма показала бы соотношение «Хешрейт / Стоимость», где HashCore на GPP имел бы значительно более высокое соотношение, чем традиционный PoW (SHA-256) на GPP, и почти равное HashCore на теоретическом ASIC.

6. Фреймворк анализа и кейс-стади

Фреймворк для оценки устойчивости PoW к ASIC:

Изменчивость рабочей нагрузки: Меняется ли алгоритм со временем или для каждого вычисления? (HashCore: Высокая — случайные виджеты).
Использование аппаратного обеспечения: Использует ли он несколько разнообразных частей GPP (АЛУ, FPU, кэш, контроллер памяти)? (HashCore: Высокое).
Сложность по памяти: Ограничена ли производительность пропускной способностью/задержкой памяти, а не чистыми вычислениями? (HashCore: Спроектирован так).
Существующая оптимизация: Похожа ли рабочая нагрузка на коммерчески важные бенчмарки? (HashCore: Высокая — SPEC CPU).

Кейс-стади — Сравнение с Ethash от Ethereum: Ethash также устойчив к ASIC, но использует подход, основанный на памяти и DAG. Хотя он эффективен, его рабочая нагрузка специфична для майнинга. «Инвертированное бенчмаркирование» HashCore — это более прямой экономический аргумент: он использует миллиарды долларов на НИОКР, потраченные Intel и AMD на оптимизацию CPU для общих бенчмарков. ASIC для HashCore конкурирует с оптимизацией всей полупроводниковой отрасли для схожего набора задач.

7. Будущие применения и развитие

Новые криптовалюты: HashCore является основным кандидатом на роль механизма консенсуса для новых блокчейнов, ставящих во главу угла децентрализацию и эгалитарный майнинг.
Гибридные системы PoW/PoS: Может использоваться в переходной или гибридной модели, подобной переходу Ethereum на Proof-of-Stake (PoS), где PoW изначально обеспечивает безопасность сети перед полным переходом.
Децентрализованные рынки вычислений: «Полезная работа», выполняемая виджетами, теоретически может быть направлена на проверяемые реальные вычисления (например, сворачивание белков, моделирование погоды), двигаясь в сторону «Proof-of-Useful-Work». Это сталкивается со значительными проблемами верификации и справедливости, но остаётся долгосрочным видением.
Адаптация к другим архитектурам: Принцип может быть расширен путём создания вариантов HashCore, смоделированных по образцу бенчмарков для ARM (мобильные/серверные), RISC-V или GPU-бенчмарков (например, Luxor для GPU-майнинга).

8. Ключевая идея и взгляд аналитика

Ключевая идея: HashCore — это не просто ещё один алгоритм, устойчивый к ASIC; это стратегический экономический хак. Он признаёт, что конечным «ASIC» для любой задачи является оборудование, на оптимизацию которого рынок уже потратил больше всего капитала. Согласовывая PoW с целями производительности многомиллиардной индустрии процессоров общего назначения, он делает централизацию экономически непривлекательной. Это более глубокое понимание, чем простое увеличение требований к памяти, как в Ethash или семействе CryptoNight.

Логическая цепочка: Аргументация элегантна: 1) ASIC централизуют майнинг. 2) ASIC эффективны, потому что они оптимизированы под одну задачу. 3) Производители CPU/GPU оптимизируют свои чипы под стандартные бенчмарки (SPEC и др.), чтобы завоевать долю рынка. 4) Следовательно, спроектируйте PoW, имитирующий эти бенчмарки. 5) Теперь лучший «майнинговый ASIC» — это CPU, который у вас уже есть, а Intel/AMD — ваши невольные разработчики ASIC. Логический скачок от технической оптимизации к рыночной динамике — вот где сияет HashCore.

Сильные стороны и недостатки:
Сильные стороны: Базовая экономическая предпосылка устойчива. Использование устоявшихся криптографических комбинаторов ($C$) для виджетов обеспечивает чёткий путь к доказательству базовой безопасности. Он напрямую атакует коренную причину централизации — экономическую асимметрию в доступе к оборудованию.
Недостатки и риски: Дьявол кроется в деталях реализации виджетов. Проектирование виджетов, которые действительно разнообразны, непредсказуемы и равномерно нагружают все соответствующие подсистемы CPU, — это колоссальная инженерная задача. Плохо спроектированный набор может иметь смещения, которыми сможет воспользоваться умная специализированная схема. Кроме того, этот подход не предотвращает крупномасштабное развёртывание ферм из стандартных CPU, что всё равно может привести к централизации другого рода (майнинг в облаке/дата-центрах). Критика энергопотребления PoW остаётся без ответа.

Практические выводы:
1. Для разработчиков блокчейнов: HashCore представляет собой жизнеспособный план для новых криптовалют с честным запуском. Его ценность наиболее высока в проектах, где распределение среди сообщества и децентрализация майнинга имеют первостепенное значение.
2. Для инвесторов: Относитесь скептически к любым заявлениям об «устойчивости к ASIC». Внимательно изучайте механизм. Обоснование HashCore на основе бенчмарков более долговечно, чем у алгоритмов, полагающихся только на объём памяти. Ищите проекты, использующие такие экономически обоснованные дизайны PoW.
3. Для исследователей: Концепция «инвертированного бенчмаркинга» — плодородная почва. Можно ли применить её для создания PoW для мобильных устройств с использованием наборов тестов для машинного обучения? Можно ли сделать выходные данные виджетов по-настоящему полезными, сократив разрыв до «Proof-of-Useful-Work», как это исследуется в проектах вроде Primecoin или работах вокруг «Useful Work»?
4. Критический путь: Успех HashCore полностью зависит от строгой, открытой реализации и всесторонней экспертной оценки его библиотеки виджетов. Без этого он остаётся интересной теорией. Сообщество должно настаивать на публичной тестовой сети и детальной спецификации, чтобы проверить его заявления на прочность.

В заключение, HashCore переосмысливает проблему децентрализации PoW, превращая её из гонки вооружений в оборудовании в иру экономического согласования. Это умная, хотя и непроверенная стратегия. Его окончательное испытание будет не в академическом доказательстве, а в том, сможет ли он поддерживать децентрализованное распределение майнеров в реальном мире, против реальных экономических стимулов. Как показывает провал многих «устойчивых к ASIC» монет, это единственный бенчмарк, который имеет значение.

9. 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.
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.