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

1. Utangulizi na Taarifa ya Tatizo

Mkusanyiko wa nguvu ya uchimbaji kupitia Saketi Maalum za Ujumuishaji (ASICs) unaweka tishio la msingi kwa kanuni ya utawala usiojikita ya minyororo ya PoW kama vile Bitcoin. Kadri malipo ya uchimbaji yanavyoongezeka kwa kasi, motisha ya kuunda vifaa maalum vilivyo na ufanisi mkubwa huunda kikwazo kikubwa cha kuingia, na kujumuisha udhibiti wa mtandao miongoni mwa taasisi chache tajiri. Karatasi hii inatangaza HashCore, kazi mpya ya PoW iliyoundwa kwa dhana ya msingi: kufanya Kichakataji cha Kusudi Jumla (GPP)—CPU katika kompyuta za kila siku—kuwa "ASIC" yenye ufanisi zaidi kwa kazi hiyo. Kwa kugeuza tatizo la uboreshaji wa vifaa, HashCore inalenga kuleta usawa katika uchimbaji, kukuza mfumo wa uchimbaji unaoshindana na unaoweza kufikiwa kwa urahisi, na kuboresha usalama wa mtandao kupitia utawala usiojikita.

2. Muundo wa HashCore

Falsafa ya muundo wa HashCore inatofautiana na kazi za kawaida za kihisabati za kriptografia (kama SHA-256) zilizoboreshwa kwa urahisi katika saketi. Badala yake, inakubali utata unaolingana na nguvu za GPP.

2.1 Dhana ya Msingi: Upimaji Ulio Geuzwa

Ubunifu mkuu ni Upimaji Ulio Geuzwa. Waundaji wa saketi (mfano, Intel, AMD) huboresha GPP zao kwa ufanisi kwenye vikundi vya kipimo cha kawaida kama SPEC CPU 2017, vinavyowakilisha mizigo mbalimbali ya kazi halisi zenye utata wa hesabu. HashCore imeundwa kwa uwazi kulingana na vipimo hivi. Kwa hivyo, kwa ufafanuzi, GPP ni ASIC iliyoboreshwa kwa HashCore. Hii inaunganisha kwa ustadi ufanisi wa PoW na viendeshi vya kibiashara vya soko la CPU lenye thamani ya mabilioni ya dola.

2.2 Uundaji wa Kazi Kulingana na Vidonge (Widgets)

HashCore sio kazi moja, tuli. Inajumuisha "vidonge" vinavyotengenezwa kwa nguvu wakati wa utekelezaji. Kila kidonge ni programu ndogo, inayojitegemea ambayo hutekeleza mlolongo wa maagizo ya kusudi jumla yaliyoundwa kusisitiza rasilimali muhimu za hesabu za GPP:

• ALU (Kitengo cha Mantiki ya Hesabu): Shughuli tata za nambari kamili na zenye sehemu za desimali.
• Mpangilio wa Kumbukumbu ya Haraka (Cache Hierarchy): Miundo ya ufikiaji wa kumbukumbu inayojaribu ucheleweshaji na upana wa bendi.
• Utabiri wa Matawi (Branch Prediction): Mtiririko wa udhibiti wenye mantiki isiyo ya kawaida ya matawi.
• Ufananishaji wa Kiwango cha Maagizo (Instruction-Level Parallelism): Mifulizo inayoweza kutumia utekelezaji wa aina ya juu (superscalar).

Muunganiko na mpangilio wa vidonge huamuliwa kwa nasibu bandia kulingana na pembejeo ya kichwa cha kizuizi, na kuhakikisha mzigo wa kazi ni wa kipekee kwa kila jaribio la hash na hauwezi kutabiriwa mapema.

3. Utekelezaji wa Kiufundi na Usalama

3.1 Uthibitisho wa Upinzani wa Mgongano (Collision Resistance)

Waandishi wanatoa uthibitisho rasmi kwamba HashCore ina upinzani wa mgongano. Hoja hiyo inategemea muundo wa muunganiko wa vidonge. Hata kama adui angeweza kwa nadharia kuboresha kidonge kimoja katika vifaa maalum, uteuzi wa nasibu bandia na kuunganisha seti kubwa ya vidonge mbalimbali hufanya kuunda ASIC iliyounganishwa na yenye ufanisi kwa kazi yote ya HashCore kuwa isiyowezekana kihisabati au isiyo na faida kiuchumi. Usalama unapunguzwa kwa nasibu ya mchakato wa uteuzi wa vidonge.

3.2 Uundaji wa Kihisabati

Mchakato wa msingi wa hash unaweza kufafanuliwa. Acha $B$ iwe data ya kichwa cha kizuizi. Mbegu $S$ inapatikana: $S = H_{mbegu}(B)$, ambapo $H_{mbegu}$ ni hash ya kawaida ya kriptografia. Kisha, kizazi cha nasibu bandia $G(S)$ hutoa mlolongo wa vitambulisho vya vidonge $\{W_1, W_2, ..., W_n\}$. Matokeo ya HashCore $H_{msingi}(B)$ yanahesabiwa kama:

$H_{msingi}(B) = W_n( ... W_2( W_1( S ) ) ... )$

Kila kidonge $W_i$ hufanya kama kazi ndogo, tata ya mabadiliko. Matokeo ya mwisho yanachakatwa baadaye ili kukidhi lengo la ugumu wa PoW (mfano, sifuri za mwanzo).

4. Uchambuzi na Athari

Mtazamo wa Mchambuzi wa Sekta

4.1 Uelewa wa Msingi: Usawa wa GPP-ASIC

Wazo la kuvutia zaidi la HashCore ni kutambua kwamba kupambana na ASICs ni vita ya kushindwa ikiwa itafasiriwa kama kuunda algoriti "zinazopinga ASIC". Waundaji wa ASIC watashinda daima vita hiyo ya silaha, kama ilivyoonyeshwa na ASIC-ization ya mwisho ya Ethash ya Ethereum (ngumu ya kumbukumbu) na Scrypt ya Litecoin. HashCore inabadilisha lengo: sio upinzani, bali kujiunga. Haijaribu kuwa isiyo na ufanisi kwa ASICs; inajaribu kuwa na ufanisi kamili kwa vifaa ambavyo tayari vipo katika mamia ya mamilioni ya vifaa—GPP. Hii inabadilisha faida ya kiuchumi kutoka kwa utengenezaji wenye mtaji mkubwa hadi ubunifu wa programu na ufikiaji wa vifaa ulioenea.

4.2 Mtiririko wa Mantiki na Muundo wa Mfumo

Muundo wa mantiki ni sahihi. Matumizi ya vidonge vinavyotengenezwa wakati wa utekelezaji kutoka kwa dimbwi kubwa ni uigizaji mwerevu wa mbinu zinazotumiwa katika utofautishaji wa programu na ulinzi wa lengo linalosogea, nyanja zilizosomwa na DARPA na taasisi za kitaaluma kama Idara ya CERT ya Carnegie Mellon. Nasibu hii hushambulia moja kwa moja kiini cha mantiki tuli ya ASIC ya kawaida. Uhusiano na vipimo vya SPEC ni wa busara na wenye akili, ukichukua faida ya miaka kadhaa ya Utafiti na Maendeleo ya sekta. Hata hivyo, mantiki ya karatasi hiyo inakwama inapozingatia Mashamba ya Lango Yanayoweza Kurekebishwa (FPGAs). FPGAs zinaweza kurekebishwa ili kuiga mizigo ya kazi ya GPP kwa ufanisi zaidi kuliko GPP yenye ISA isiyobadilika. HashCore inaweza tu kuhamisha mkusanyiko kutoka kwa mashamba ya ASIC hadi makundi makubwa ya FPGAs yaliyoboreshwa—kikwazo tofauti, lakini bado muhimu.

4.3 Nguvu na Kasoro Muhimu

Nguvu:

• Uwezekano wa Usawa: Inapunguza kikwazo cha kuingia kwa kasi, na kuwezesha uchimbaji wa "mtu yeyote mwenye kompyuta kibao".
• Usalama Kupitia Utawala Usiojikita: Kiwango cha hash kilichosambazwa zaidi kinaongeza gharama ya shambulio la 51%.
• Ubunifu wa Kuvutia: Upimaji ulio geuzwa ni zana mpya na yenye nguvu ya dhana.
• Inachukua Faida ya Sheria ya Moore: Inafaidika moja kwa moja kutoka kwa maendeleo ya jumla ya utendaji wa CPU.

Kasoro Muhimu:

• Pengo la FPGA: Kama ilivyoelezwa, hii ndiyo hatari kuu ya mpango huo. FPGAs za hali ya juu zinaweza kurekebishwa ili kutekeleza mfululizo wa vidonge kwa kasi zaidi kuliko GPP, na kuunda tena faida ya vifaa.
• Mizigo ya Uthibitishaji: Utata wa HashCore unaweza kuifanya iwe polepole kuthibitisha kuliko SHA-256, na kuathiri utendaji wa nodi na uwezo wa kupanuka wa mtandao—suala muhimu lililoelezwa katika mjadala wa uwezo wa kupanuka wa Bitcoin.
• Upofu wa Ufanisi wa Nishati: Inapendelea ufikiaji wa vifaa kuliko ufanisi kamili wa nishati. Mtandao unaoendeshwa kwenye mabilioni ya GPPs zisizo na ufanisi unaweza kuwa na wigo mkubwa wa jumla wa mabaki ya kaboni kuliko ule unaoendeshwa kwenye ASICs chache, zenye ufanisi zaidi, na kinyume na mwelekeo unaoongezeka wa ESG katika minyororo.
• Utata wa Utekelezaji na Hitilafu: Kazi ya PoW yenye utata mkubwa zaidi ina eneo kubwa la shambulio kwa makosa ya utekelezaji na udhaifu wa kriptografia, somo lililojifunza kutokana na udhaifu uliopatikana katika kazi ngumu zaidi za hash zamani.

4.4 Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa na Mapendekezo ya Kimkakati

Kwa miradi ya minyororo inayozingatia HashCore au kanuni zake:

1. Lenga Minyororo Midogo, Inayoendeshwa na Jamii: HashCore ni bora kwa fedha mpya za kidijitali zinazopendelea utawala usiojikita wa kiwango cha juu na ushiriki wa jamii kuliko uhamisho wa mabaki wa muamala. Ni chaguo la kimkakati kwa miradi ya "kiadili" au "ya msingi" ya PoW.
2. Lazimisha Mbinu ya Mchanganyiko: Punguza hatari ya FPGA kwa kubuni HashCore kujumuisha sehemu ngumu ya kumbukumbu (kutokana na Argon2 au DAG ya Ethash) pamoja na vidonge ngumu vya hesabu. Hii inalazimisha vifaa kusawazisha upana wa kumbukumbu na mantiki ya hesabu, na kuwa changamoto kwa uboreshaji.
3. Jenga Uwezo wa Kukabiliana na Mabadiliko: Dimu la vidonge linapaswa kusasishwa kupitia utaratibu wa utawala wa jamii, na kuruhusu PoW kubadilika kukabiliana na vitisho vipya vya vifaa, sawa na jinsi Monero inavyobadilisha mara kwa mara algoriti yake.
4. Fanya Majaribio Makali ya Ulimwengu Halisi: Kabla ya kuzindua mtandao kuu, fanya programu kubwa za malipo ya hitilafu na ukaguzi wa utendaji unaolenga kasi ya uthibitishaji na uwezekano wa kutumia FPGA. Shirikiana na maabara za usalama za kitaaluma.
5. Weka kama Teknolojia ya Mpito: Kwa minyororo mikuu, HashCore inaweza kuonekana sio kama suluhisho la mwisho bali kama PoW ya mpito ili kuleta tena utawala usiojikita katika mtandao huku suluhisho za muda mrefu kama Uthibitishaji wa Hisa (kama Ethereum ilivyofanya na The Merge) zikitengenezwa na kuthibitishwa.

5. Mfumo wa Majaribio na Matarajio ya Matokeo

Ingawa sehemu ya PDF iliyotolewa haijumuishi matokeo maalum, uthibitishaji thabiti wa majaribio wa HashCore ungehusisha:

• Vipimo vya Utendaji: Kulinganisha hash/sec/Watt kwa HashCore kwenye GPPs za hali ya juu (Intel Core i9, AMD Ryzen), GPUs, FPGAs, na ASICs za nadharia. Chati kuu ingeonyesha GPPs zikiongoza kwa ufanisi, na GPUs zikiwa karibu na FPGAs zikionyesha faida iliyopungua ikilinganishwa na utendaji wao kwenye SHA-256.
• Uchambuzi wa Utofauti wa Vidonge: Mchoro unaoonyesha mfereji wa utengenezaji na utekelezaji wa vidonge, na kuonyesha jinsi mbegu $S$ inavyoelekea kwenye njia ya kipekee kupitia grafu inayoongozwa ya mfululizo unaowezekana wa vidonge.
• Uigizaji wa Mtandao: Kuiga ukuaji wa kiwango cha hash cha mtandao na usambazaji wake miongoni mwa aina za nodi (kompyuta za nyumbani, vituo vya data) baada ya muda, na kulinganisha na mkunjo wa mkusanyiko wa kasi wa mtandao wa kawaida wa SHA-256.

6. Mfumo wa Uchambuzi: Kesi ya Utafiti Isiyo na Msimbo

Hali: Kutathmini sarafu mpya ya mbadala, "Democoin," inayopendekeza kutumia HashCore.

Utumiaji wa Mfumo:

1. Ulinganifu wa Malengo: Je, hati nyeupe ya Democoin inasisitiza utawala usiojikita na ufikiaji kama maadili ya msingi? (Ndio/La). Ikiwa ndio, HashCore inalingana kwa dhana.
2. Kuiga Vitisho: Nani ndiye mchimbaji anayewezekana?
   - Mtumiaji Binafsi: Faida kubwa (anaweza kuchimba kwenye PC yake iliyopo).
   - Mwendeshaji wa Shamba la FPGA: Faida ya wastani. Inahitaji uchambuzi wa utata wa kidonge dhidi ya kasi ya urekebishaji wa FPGA.
   - Mbunifu wa ASIC: Faida ndogo. Gharama kubwa ya NRE kwa lengo lisilo na hakika na linalosogea.
3. Uchambuzi wa Rasilimali: Je, ni wakati gani wa uthibitishaji kwa mteja mwepesi? Ikiwa ni mrefu sana, inaathiri upokeaji wa simu mkononi.
4. Ukaguzi wa Mfumo: Je, kuna madimbwi yaliyopo tayari kusaidia uchimbaji wa HashCore? Je, programu ya pochi inaendana?

Orodha hii ya ukaguzi iliyoundwa inaenda zaidi ya "je, ni ya ubunifu?" hadi "je, inawezekana na inafaa kwa lengo?"

7. Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo wa Utafiti

• Zaidi ya Sarafu ya Kidijitali: Kanuni ya HashCore inaweza kubadilishwa ili kuzuia barua taka katika mifumo ya barua pepe au ulinzi wa DDoS, ambapo "kazi" lazima iwe ghali kwa botnets (ambazo mara nyingi zinajumuisha GPPs zilizotekwa nyara) lakini iwe rahisi kwa watumiaji halali.
• PoW Ngumu ya AI: Mwelekeo wa baadaye unahusisha kubuni vidonge vinavyofanya kazi ndogo muhimu katika mafunzo ya mashine au ufafanuzi, na kuunda "Uthibitishaji wa Kazi Yenye Manufaa." Hii inalingana na utafiti kutoka kwa taasisi kama OpenAI juu ya kusambaza mizigo ya hesabu.
• Kodi ya Vifaa Inayobadilika: Dimu la vidonge linaweza kubuniwa ili kutoa adhabu moja kwa moja kwa vifaa vilivyogunduliwa kuwa vimegawanyika sana (mfano, kwa kupima tofauti ya wakati wa utekelezaji katika aina tofauti za vidonge), na kufanya uboreshaji wa FPGA kuwa mgumu zaidi.
• Ujumuishaji na Hesabu za Siri: Kuchanganya HashCore na mazingira ya utekelezaji yanayotegemewa (TEEs) kama Intel SGX kunaweza kuwezesha madimbwi mapya ya uchimbaji yanayohifadhi faragha.

8. Marejeo

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
2. Dwork, C., & Naor, M. (1992). Pricing via Processing or Combatting Junk Mail. CRYPTO.
3. SPEC CPU 2017 Benchmark Suite. Standard Performance Evaluation Corporation. https://www.spec.org/cpu2017/
4. Buterin, V. (2013). Ethereum Whitepaper: A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform.
5. Biryukov, A., & Khovratovich, D. (2015). Argon2: the memory-hard function for password hashing and other applications. IEEE European Symposium on Security and Privacy.
6. Carnegie Mellon University, CERT Division. (2022). Moving Target Defense. https://www.sei.cmu.edu/our-work/cybersecurity-mtd/
7. Monero Research Lab. (2019). RandomX: Proof of Work algorithm based on random code execution. https://github.com/tevador/RandomX