HashCore：適用於通用處理器的工作量證明函數

1. 簡介

工作量證明（PoW）是比特幣和以太坊等主要加密貨幣的基礎共識機制，透過要求計算工作來添加新區塊，從而保護區塊鏈。然而，挖礦帶來的巨大經濟回報引發了專用硬體（特別是特殊應用積體電路，ASIC）的軍備競賽。本文介紹 HashCore，這是一種新型 PoW 函數，旨在現有的通用處理器（GPP，例如常見的 x86 CPU）上以最高效率執行。其核心論點是反轉 ASIC 開發問題：不是為特定函數設計硬體，而是設計一個函數，讓現有且廣泛可用的硬體已經為其進行了最佳化。

2. ASIC 中心化問題

為 PoW 挖礦（例如比特幣的 SHA-256）開發和部署 ASIC 已造成顯著的進入障礙。ASIC 設計資本密集、耗時，且通常由少數大型製造商控制。這導致挖礦中心化，網路算力集中在少數能夠負擔最新 ASIC 的實體手中。這種集中化與區塊鏈技術的去中心化理念相悖，並帶來安全風險（例如潛在的 51% 攻擊）。HashCore 旨在透過使標準電腦 CPU 成為最高效的「挖礦設備」來緩解此問題。

3. HashCore：核心概念與設計

HashCore 被構建為一個在執行時由偽隨機生成的「小工具」組成的 PoW 函數。每個小工具執行一系列旨在壓榨處理器計算資源的 GPP 指令。

3.1. 逆向基準測試

關鍵創新在於 逆向基準測試。HashCore 並非針對固定工作負載來對硬體進行基準測試，而是將其工作負載建模為 GPP 明確設計和最佳化以高效執行的基準測試。主要範例是 x86 處理器的 SPEC CPU 2017 基準測試套件。晶片設計師實際上為這些基準測試創造了 ASIC。透過模仿其特性，HashCore 確保 GPP 是其 PoW 的最佳 ASIC。

3.2. 基於小工具的架構

該函數不是單一、靜態的雜湊，而是小工具的動態組合。每個小工具代表一個模仿真實世界 GPP 工作負載（例如整數運算、浮點計算、記憶體存取模式）的小型、自包含的計算任務。這些小工具的順序和參數是根據區塊標頭輸入偽隨機決定的，防止預先計算並確保工作負載保持通用性。

4. 技術分析與安全性證明

4.1. 抗碰撞性證明

本文提供了正式證明，無論小工具如何實作，HashCore 都具有抗碰撞性。論證的關鍵在於從這些小工具構建整體雜湊函數。如果底層原語和組合小工具輸出的方法（例如使用 Merkle-Damgård 結構或海綿結構）在密碼學上是健全的，那麼找到兩個不同的輸入產生相同最終 HashCore 輸出在計算上仍然是不可行的。

4.2. 數學公式化

PoW 可以概念化為找到一個隨機數 $n$，使得： $$\text{HashCore}(\text{BlockHeader}, n) < \text{Target}$$ 其中，對於訊息 $M$ 的 $\text{HashCore}(M)$ 計算如下： $$H_{\text{final}} = C(W_1(M), W_2(M), ..., W_k(M))$$ 此處，$W_i$ 是偽隨機選取的小工具，而 $C$ 是一個抗碰撞的組合函數（例如標準雜湊函數如 SHA-3）。用於選擇和參數化 $W_i$ 的隨機性源自 $M$，確保每次雜湊嘗試的工作負載都是唯一的。

5. 預期效能與結果

雖然 PDF 中沒有包含具體的效能圖表，但對預期結果進行了定性描述：

效能對等： 高階消費級 CPU（例如 Intel Core i9、AMD Ryzen 9）應能達到與為 HashCore 構建的假想 ASIC 相當的雜湊率，因為 CPU 已經是針對類似基準測試工作負載進行最佳化的平台。
ASIC 效率低下： 為 HashCore 設計的客製化 ASIC 將面臨收益遞減。基於小工具的工作負載的複雜性和可變性，使得固定功能的 ASIC 設計成本過高，且速度僅比 GPP 快一點點，從而摧毀了其經濟優勢。
記憶體限制特性： 小工具的設計不僅壓榨 ALU，也壓榨快取和記憶體子系統，這是其他抗 ASIC 演算法（如 Ethash）使用的策略。這增加了任何潛在 ASIC 的成本和複雜性。

圖表概念： 理論上的長條圖將顯示「雜湊率 / 成本」比率，其中 GPP 上的 HashCore 比率顯著高於 GPP 上的傳統 PoW（SHA-256），並且幾乎等於理論 ASIC 上的 HashCore。

6. 分析框架與案例研究

評估 PoW 抗 ASIC 能力的框架：

工作負載可變性： 演算法是否隨時間或每次計算而變化？（HashCore：高 - 隨機小工具）。
硬體利用率： 是否利用了 GPP 的多個不同部分（ALU、FPU、快取、記憶體控制器）？（HashCore：高）。
記憶體硬度： 效能是否受限於記憶體頻寬/延遲，而非純粹的計算？（HashCore：設計目標如此）。
現有最佳化： 工作負載是否與商業上重要的基準測試相似？（HashCore：高 - SPEC CPU）。

案例研究 - 與以太坊的 Ethash 對比： Ethash 也具有抗 ASIC 能力，但使用基於記憶體硬度和 DAG 的方法。雖然有效，但其工作負載是專門為挖礦設計的。HashCore 的「逆向基準測試」是一個更直接的經濟論點：它利用了英特爾和 AMD 為最佳化 CPU 以執行通用基準測試而投入的數十億美元研發資金。為 HashCore 設計的 ASIC 實際上是在與整個半導體產業為類似問題集進行的最佳化競爭。

7. 未來應用與發展

新型加密貨幣： HashCore 是優先考慮去中心化和平等挖礦的新區塊鏈共識機制的理想候選者。
混合 PoW/PoS 系統： 可用於過渡或混合模型，例如以太坊轉向權益證明（PoS）的過程中，在完全過渡之前由 PoW 保護網路。
去中心化計算市場： 理論上，小工具執行的「有用工作」可以導向可驗證的真實世界計算（例如蛋白質摺疊、天氣模擬），邁向「有用工作量證明」。這在驗證和公平性方面面臨重大挑戰，但仍是一個長期願景。
適應其他架構： 該原理可以擴展，透過創建模仿 ARM（行動/伺服器）、RISC-V 或 GPU 計算基準測試（如用於 GPU 挖礦的 Luxor）的 HashCore 變體。

8. 核心洞察與分析師觀點

核心洞察： HashCore 不僅僅是另一種抗 ASIC 演算法；它是一種策略性的經濟駭客手法。它認識到，對於任何任務，最終的「ASIC」是市場已經投入最多資本進行最佳化的硬體。透過將 PoW 與價值數十億美元的通用 CPU 產業的效能目標對齊，它使得中心化在經濟上失去吸引力。這是一個比單純增加記憶體需求（如 Ethash 或 CryptoNight 系列所見）更深刻的洞察。

邏輯流程： 論點很優雅：1) ASIC 導致挖礦中心化。2) ASIC 效率高是因為它們針對單一任務進行了最佳化。3) CPU/GPU 製造商為了贏得市佔率，針對標準基準測試（SPEC 等）最佳化其晶片。4) 因此，設計一個模仿這些基準測試的 PoW。5) 現在，最好的「挖礦 ASIC」就是你已經擁有的 CPU，而英特爾/AMD 在不知不覺中成為了你的 ASIC 開發者。從技術最佳化到市場動態的邏輯飛躍，正是 HashCore 的亮點所在。

優勢與缺陷：
優勢： 核心經濟前提是穩固的。使用已確立的密碼學組合器（$C$）來處理小工具，為證明基礎安全性提供了一條清晰的路徑。它直接解決了中心化的根本原因——硬體存取上的經濟不對稱。
缺陷與風險： 魔鬼藏在細節中。設計出真正多樣化、不可預測且能平等壓榨所有相關 CPU 子系統的小工具，是一項巨大的工程挑戰。設計不佳的小工具集合可能存在偏見，可能被聰明的專用電路利用。此外，這種方法無法阻止大規模部署標準 CPU 農場，這仍可能導致另一種形式的中心化（雲端/資料中心挖礦）。PoW 的能源消耗批評仍未得到解決。

可操作的洞察：
1. 對於區塊鏈開發者： HashCore 為新的、公平啟動的加密貨幣提供了一個可行的藍圖。其價值在於那些社區分發和挖礦去中心化至關重要的專案中最高。
2. 對於投資者： 對任何「抗 ASIC」的聲稱保持懷疑。仔細審查其機制。HashCore 基於基準測試的原理比僅依賴記憶體大小的演算法更具持久性。尋找使用此類基於經濟學原理的 PoW 設計的專案。
3. 對於研究人員： 「逆向基準測試」概念是肥沃的土壤。能否應用它來為使用 ML 基準測試套件的行動裝置創建 PoW？能否使小工具的輸出真正有用，從而彌合與「有用工作量證明」之間的差距，如 Primecoin 或圍繞「有用工作」的研究所探索的那樣？
4. 關鍵路徑： HashCore 的成功完全取決於其小工具庫的嚴謹、開源實作和廣泛的同儕審查。沒有這些，它仍然只是一個有趣的理論。社區應敦促建立公共測試網和詳細規範，以壓力測試其主張。

總而言之，HashCore 將 PoW 去中心化問題從硬體軍備競賽重新定義為一場經濟對齊的遊戲。這是一個聰明但未經證實的策略。其最終考驗不在於學術證明，而在於它能否在現實世界的經濟誘因下，在實際環境中維持去中心化的礦工分佈。正如許多「抗 ASIC」代幣的失敗所顯示的，這才是唯一重要的基準。

9. 參考文獻

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