HashCore: Kazi ya Uthibitishaji wa Kazi (PoW) kwa Vichakataji Vya Kusudi Jumla

1. Utangulizi

Uthibitishaji wa Kazi (PoW) ndio utaratibu msingi wa makubaliano kwa fedha kuu za kidijitali kama vile Bitcoin na Ethereum, unaolinda mnyororo wa vitalu (blockchain) kwa kuhitaji juhudi za kihesabu kuongeza vitalu vipya. Hata hivyo, malipo makubwa kutoka kwa uchimbaji yamesababisha mashindano makali katika vifaa maalumu, hasa Mzunguko Maalumu wa Kiunganishi (ASIC). Karatasi hii inatangaza HashCore, kazi mpya ya PoW iliyoundwa kutekelezwa kwa ufanisi zaidi kwenye Vichakataji Vya Kusudi Jumla (GPPs) vilivyopo, kama vile CPU za kawaida za x86. Nadharia kuu ni kugeuza tatizo la ukuzaji wa ASIC: badala ya kubuni vifaa kwa kazi maalumu, buni kazi ambayo vifaa vilivyopo na vinavyopatikana kwa wingi tayari vimeboreshwa.

2. Tatizo la Ujumuishi wa ASIC

Ukuzaji na utumizi wa ASICs kwa uchimbaji wa PoW (mfano, SHA-256 ya Bitcoin) umeunda vizuizi vikubwa vya kuingia. Ubunifu wa ASIC unahitaji mtaji mkubwa, unachukua muda mrefu, na mara nyingi unadhibitiwa na wachache wachapaji wakubwa. Hii husababisha ujumuishi wa uchimbaji, ambapo nguvu ya hashing ya mtandao imejikita miongoni mwa taasisi chache tu zenye uwezo wa kununua ASICs mpya zaidi. Mkusanyiko huu unapingana na falsafa ya kutokuwa na kituo cha teknolojia ya blockchain na unaweka hatari za usalama (mfano, mashambulizi ya uwezekano wa 51%). HashCore inalenga kupunguza hili kwa kufanya "kifaa cha uchimbaji" kinachofanya kazi vizuri zaidi kuwa CPU ya kawaida ya kompyuta.

3. HashCore: Dhana na Ubunifu Msingi

HashCore imejengwa kama kazi ya PoW inayoundwa na "vidonge" (widgets) vilivyotengenezwa kwa nasibu wakati wa utekelezaji. Kila kidonge hutekeleza mlolongo wa maagizo ya GPP yaliyoundwa kusisitiza rasilimali za kihesabu za kichakataji.

3.1. Upimaji Ulio Geuzwa

Ubunifu mkuu ni upimaji ulio geuzwa. Badala ya kupima vifaa dhidi ya mzigo wa kazi uliowekwa, HashCore huiga mzigo wake kulingana na viwango ambavyo GPPs zimeundwa na kuboreshwa wazi kukimbia kwa ufanisi. Mfano mkuu ni safu ya viwango vya SPEC CPU 2017 kwa vichakataji vya x86. Wabunifu wa chip kwa ufanisi huunda ASICs kwa viwango hivi. Kwa kuiga sifa zao, HashCore inahakikisha GPP ndiyo ASIC bora kwa PoW yake.

3.2. Usanifu wa Msingi wa Vidonge (Widgets)

Kazi hiyo sio hash moja, tuli, bali ni muundo unaobadilika wa vidonge. Kila kidonge kinawakilisha kazi ndogo, ya kujitosheleza ya kihesabu inayoiga mzigo wa kweli wa GPP (mfano, shughuli za nambari kamili, mahesabu ya nambari za desimali, muundo wa ufikiaji wa kumbukumbu). Mlolongo na vigezo vya vidonge hivi huamuliwa kwa nasibu kulingana na pembejeo ya kichwa cha kizuizi, na hivyo kuzuia mahesabu ya awali na kuhakikisha mzigo wa kazi unabaki wa jumla.

4. Uchambuzi wa Kiufundi na Uthibitisho wa Usalama

4.1. Uthibitisho wa Upinzani wa Mgongano

Karatasi hii inatoa uthibitisho rasmi kwamba HashCore inapingana na migongano bila kujali utekelezaji wa kidonge. Hoja inategemea ujenzi wa kazi ya hash ya jumla kutoka kwa vidonge. Ikiwa misingi ya msingi na njia ya kuunganisha matokeo ya vidonge (mfano, kutumia muundo wa Merkle-Damgård au ujenzi wa sponge) ni salama kikriptografia, basi kupata pembejeo mbili tofauti zinazozalisha matokeo sawa ya mwisho ya HashCore bado ni jambo lisilowezekana kihesabu.

4.2. Uundaji wa Kihisabati

PoW inaweza kufasiriwa kama kutafuta nambari ya mara moja $n$ ambayo: $$\text{HashCore}(\text{Kichwa cha Kizuizi}, n) < \text{Lengo}$$ Ambapo $\text{HashCore}(M)$ kwa ujumbe $M$ inahesabiwa kama: $$H_{\text{ya mwisho}} = C(W_1(M), W_2(M), ..., W_k(M))$$ Hapa, $W_i$ ndio vidonge vilivyochaguliwa kwa nasibu, na $C$ ni kazi ya kuunganisha inayopingana na migongano (mfano, hash ya kawaida kama SHA-3). Urahisi wa kuchagua na kuweka vigezo vya $W_i$ unatokana na $M$, na kuhakikisha umoja wa mzigo wa kazi kwa kila jaribio la hash.

5. Ufanisi Unatarajiwa na Matokeo

Ingawa PDF haina chati maalumu za ufanisi, matokeo yanayotarajiwa yameelezewa kwa ubora:

Usawa wa Ufanisi: CPU ya hali ya juu ya watumiaji (mfano, Intel Core i9, AMD Ryzen 9) inapaswa kufikia kiwango cha hash kinacholinganishwa na ASIC ya kinadharia iliyojengwa kwa HashCore, kwani CPU tayari ndio jukwaa lililoboreshwa kwa mizigo ya kazi inayofanana na viwango.
Kutofaa kwa ASIC: ASIC maalumu iliyoundwa kwa HashCore ingekabiliwa na mapato yanayopungua. Uchungu na utofauti wa mzigo wa kazi unaotegemea vidonge hufanya ubunifu wa ASIC wa kazi maalumu kuwa wa gharama kubwa sana na tu kwa kasi kidogo kuliko GPP, na hivyo kuangamiza faida yake ya kiuchumi.
Sifa Zinazotegemea Kumbukumbu: Vidonge vimeundwa kusisitiza sio tu ALU bali pia mifumo ya cache na kumbukumbu, mkakati unaotumiwa na algoriti zingine zinazopingana na ASIC kama Ethash. Hii inaongeza gharama na uchungu wa ASIC yoyote inayowezekana.

Dhana ya Mchoro: Chati ya kinadharia ya baa ingeonyesha uwiano wa "Kiwango cha Hash / Gharama", na HashCore kwenye GPP ikiwa na uwiano mkubwa zaidi kuliko PoW ya jadi (SHA-256) kwenye GPP, na karibu sawa na HashCore kwenye ASIC ya kinadharia.

6. Mfumo wa Uchambuzi na Uchunguzi wa Kesi

Mfumo wa Kutathmini Upinzani wa ASIC wa PoW:

Utofauti wa Mzigo wa Kazi: Je, algoriti inabadilika baada ya muda au kwa kila hesabu? (HashCore: Juu - vidonge vya nasibu).
Matumizi ya Vifaa: Je, inatumia sehemu nyingi, tofauti za GPP (ALU, FPU, cache, kidhibiti cha kumbukumbu)? (HashCore: Juu).
Ugumu wa Kumbukumbu: Je, ufanisi umepunguzwa na upana/chelewa cha kumbukumbu badala ya hesabu safi? (HashCore: Imeundwa kuwa).
Uboreshaji Ulipo: Je, mzigo wa kazi unafanana na viwango muhimu vya kibiashara? (HashCore: Juu - SPEC CPU).

Uchunguzi wa Kesi - Tofauti na Ethash ya Ethereum: Ethash pia inapingana na ASIC lakini hutumia mbinu ngumu ya kumbukumbu, inayotegemea DAG. Ingawa inafanya kazi, mzigo wake ni maalumu kwa uchimbaji. "Upimaji ulio geuzwa" wa HashCore ni hoja ya kiuchumi ya moja kwa moja zaidi: inachukua bilioni za dola za utafiti na ukuzaji zilizotumika na Intel na AMD kuboresha CPUs kwa viwango vya jumla. ASIC ya HashCore inashindana na uboreshaji wa tasnia nzima ya semiconductor kwa seti ya matatizo sawa.

7. Matumizi ya Baadaye na Maendeleo

Fedha Mpya za Kidijitali: HashCore ni mgombea bora kwa utaratibu wa makubaliano wa blockchains mpya zinazokipa kipaumbele usambazaji wa mamlaka na uchimbaji wa usawa.
Mifumo ya Mchanganyiko wa PoW/PoS: Inaweza kutumika katika mfano wa mpito au mchanganyiko, kama uhamisho wa Ethereum kwa Uthibitishaji wa Hisa (PoS), ambapo PoW inalinda mtandao hapo awali kabla ya mpito kamili.
Soko la Hesabu Zisizo na Kituo: "Kazi muhimu" inayofanywa na vidonge kwa nadharia, inaweza kuelekezwa kwenye mahesabu yanayoweza kuthibitishwa ya ulimwengu wa kweli (mfano, kunyoosha protini, uigaji wa hali ya hewa), kuelekea "Uthibitishaji wa Kazi Muhimu". Hii inakabiliwa na changamoto kubwa katika uthibitishaji na usawa lakini bado ni ndoto ya muda mrefu.
Kukabiliana na Usanifu Mwingine: Kanuni hii inaweza kupanuliwa kwa kuunda aina tofauti za HashCore zilizoundwa kulingana na viwango vya ARM (rununu/seva), RISC-V, au viwango vya hesabu za GPU (kama Luxor kwa uchimbaji wa GPU).

8. Uelewa Msingi na Mtazamo wa Mchambuzi

Uelewa Msingi: HashCore sio tu algoriti nyingine inayopingana na ASIC; ni hack ya kiuchumi ya kimkakati. Inatambua kwamba "ASIC" ya mwisho kwa kazi yoyote ni vifaa ambavyo soko tayari imetumia mtaji mkubwa zaidi kuuboresha. Kwa kuunganisha PoW na malengo ya ufanisi ya tasnia ya bilioni nyingi za dola ya CPU ya kusudi jumla, inafanya ujumuishi usiwe na mvuto kiuchumi. Hii ni uelewa wa kina zaidi kuliko kuongeza tu mahitaji ya kumbukumbu, kama inavyoonekana katika Ethash au familia ya CryptoNight.

Mtiririko wa Mantiki: Hoja ni nadhifu: 1) ASICs hujumuisha uchimbaji. 2) ASICs zinafanisi kwa sababu zimeboreshwa kwa kazi moja. 3) Watengenezaji wa CPU/GPU huuboresha chip zao kwa viwango vya kawaida (SPEC, n.k.) kushinda sehemu ya soko. 4) Kwa hivyo, buni PoW inayoiga viwango hivyo. 5) Sasa, "ASIC bora ya uchimbaji" ni CPU uliyonayo tayari, na Intel/AMD ndio wakuzaji wako wasio na kusudi wa ASIC. Kuruka kwa mantiki kutoka kwa uboreshaji wa kiufundi hadi mienendo ya soko ndipo HashCore inang'aa.

Nguvu na Kasoro:
Nguvu: Dhana kuu ya kiuchumi ni thabiti. Matumizi ya viunganishi vya kriptografia vilivyothibitishwa ($C$) kwa vidonge hutoa njia wazi ya kuthibitisha usalama wa msingi. Inashughulikia moja kwa moja chanzo cha ujumuishi—kutofautiana kwa kiuchumi katika ufikiaji wa vifaa.
Kasoro na Hatari: Shetani yuko kwenye maelezo ya kidonge. Kubuni vidonge ambavyo ni tofauti kweli, visivyotabirika, na vinavyosisitiza mifumo yote muhimu ya CPU kwa usawa ni changamoto kubwa ya uhandisi. Seti iliyobuniwa vibaya inaweza kuwa na upendeleo unaoweza kutumiwa na mzunguko maalumu wenye akili. Zaidi ya hayo, mbinu hii haizuii utumizi wa kiwango kikubwa wa mashamba ya CPUs za kawaida, ambazo bado zinaweza kusababisha ujumuishi wa aina tofauti (uchimbaji wa wingu/kituo cha data). Ukosoaji wa matumizi ya nishati ya PoW bado haujashughulikiwa.

Uelewa Unaoweza Kutekelezwa:
1. Kwa Wakuzaji wa Blockchain: HashCore inawasilisha mchoro unaoweza kutekelezeka kwa fedha mpya za kidijitali za uzinduzi wa haki. Thamani yake ni ya juu zaidi katika miradi ambayo usambazaji wa jamii na usambazaji wa uchimbaji ni muhimu zaidi.
2. Kwa Wawekezaji: Kuwa na mashaka juu ya madai yoyote ya "kupinga ASIC". Chunguza utaratibu. Sababu ya HashCore inayotegemea viwango ni ya kudumu zaidi kuliko algoriti zinazotegemea ukubwa wa kumbukumbu pekee. Tafuta miradi inayotumia miundo kama hii ya PoW yenye msingi wa kiuchumi.
3. Kwa Watafiti: Dhana ya "upimaji ulio geuzwa" ni ardhi yenye rutuba. Je, inaweza kutumika kuunda PoW kwa vifaa vya rununu kwa kutumia safu za viwango vya ML? Je, matokeo ya vidonge yanaweza kufanywa muhimu kweli, na kuleta ufunganishi kwa "Uthibitishaji wa Kazi Muhimu" kama ilivyochunguzwa katika miradi kama Primecoin au utafiti kuhusu "Kazi Muhimu"?
4. Njia Muhimu: Mafanikio ya HashCore yanategemea kabisa utekelezaji mkali, wa chanzo wazi, na ukaguzi mkubwa wa wenza wa maktaba yake ya vidonge. Bila hii, inabaki kuwa nadharia ya kuvutia. Jamii inapaswa kushinikiza kwa mtandao wa majaribio ya umma na uainishaji wa kina ili kujaribu madai yake kwa shida.

Kwa kumalizia, HashCore inabadilisha tatizo la usambazaji wa mamlaka la PoW kutoka kwa mashindano ya silaha za vifaa hadi mchezo wa usawa wa kiuchumi. Ni mkakati mwerevu, ikiwa haujathibitishwa. Jaribio lake la mwisho halitakuwa katika uthibitisho wa kitaaluma, bali katika ikiwa inaweza kudumisha usambazaji wa wachimbaji wasio na kituo katika mazingira halisi, dhidi ya motisha halisi za kiuchumi. Kama kushindwa kwa sarafu nyingi "zinazopingana na ASIC" kunavyoonyesha, huo ndio kiwango pekee kinachotokea.

9. Marejeo

Georghiades, Y., Flolid, S., & Vishwanath, S. (Mwaka). HashCore: Kazi za Uthibitishaji wa Kazi kwa Vichakataji Vya Kusudi Jumla. [Jina la Mkutano/Jarida].
Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: Mfumo wa Pesa ya Elektroniki ya Mtandao wa Wenza kwa Wenza.
Back, A. (2002). Hashcash - Kikwazo cha Kuzuia Huduma.
Dwork, C., & Naor, M. (1993). Bei kupitia Usindikaji au Kupambana na Barua Taka. CRYPTO '92.
SPEC CPU 2017. Shirika la Tathmini ya Ufanisi wa Kawaida. https://www.spec.org/cpu2017/
Buterin, V. (2013). Karatasi Nyeupe ya Ethereum: Jukwaa la Mkataba Mwerevu la Kizazi Kijacho na Programu Zisizo na Kituo.
Ball, M., Rosen, A., Sabin, M., & Vasudevan, P. N. (2017). Uthibitisho wa Kazi Muhimu. IACR Kriptolojia Jarida la EPrint, 2017, 203. https://eprint.iacr.org/2017/203
Teutsch, J., & Reitwießner, C. (2017). Suluhisho la Uthibitishaji Linaloweza Kupanuka kwa Blockchains. Utafiti wa Ethereum.