إثبات العمل البصري (oPoW): تحول نموذجي في تعدين العملات المشفرة

جدول المحتويات

1. المقدمة والنظرة العامة

يحلل هذا الوثيقة الورقة البحثية "إثبات العمل البصري" لدوبروفسكي، بول، وبينكوفسكي. تطرح الورقة تحولاً جوهرياً في الأساس الاقتصادي والعتادي لتعدين العملات المشفرة، من الحوسبة كثيفة الاستهلاك للطاقة (المهيمن عليها نفقات التشغيل) إلى العتاد الضوئي المتخصص كثيف رأس المال (المهيمن عليه النفقات الرأسمالية). الفرضية الأساسية هي أنه بينما يجب على إثبات العمل (PoW) أن يفرض تكلفة اقتصادية قابلة للتحقق، فإن هذه التكلفة لا يجب أن تكون في الأساس الكهرباء.

2. مشكلة إثبات العمل التقليدي

نجح إثبات العمل التقليدي القائم على SHA256 (هاش كاش) في تأمين شبكات مثل البيتكوين، لكنه يواجه قيوداً حرجة عند التوسع.

2.1. استهلاك الطاقة والقابلية للتوسع

التكلفة الأساسية للتعدين هي الكهرباء. مع نمو قيمة الشبكة، يزداد استهلاك الطاقة، مما يؤدي إلى مخاوف بيئية ويخلق رابطاً مباشراً بين سعر العملة، وتكلفة الطاقة، وأمن الشبكة. يُنظر إلى توسيع نطاق البيتكوين 10-100 مرة باستخدام التكنولوجيا الحالية على أنه غير مستدام بيئياً واقتصادياً.

2.2. المركزية والمخاطر النظامية

يتجمع المعدنون في المناطق ذات أرخص الكهرباء (مثل أجزاء معينة من الصين، تاريخياً). وهذا يخلق مركزية جغرافية، مما يشكل نقاط فشل فردية، ويزيد من التعرض للتنظيم الإقليمي، ويزيد من خطر هجمات التقسيم.

3. مفهوم إثبات العمل البصري (oPoW)

إثبات العمل البصري هو خوارزمية إثبات عمل جديدة مصممة ليتم حسابها بكفاءة بواسطة عتاد ضوئي سيليكوني متخصص. فهو يحافظ على طبيعة البحث "العنيف" لهاش كاش لكنه يحسن اللغز للحساب الضوئي.

3.1. الخوارزمية الأساسية والأسس التقنية

تتضمن الخوارزمية تعديلات طفيفة على هاش كاش. فهي تتطلب العثور على رقم عشوائي $n$ بحيث يكون ناتج التجزئة $H(block\_header, n)$ أقل من هدف ديناميكي $T$. الابتكار الرئيسي هو أن دالة التجزئة أو مكوناً حاسماً من حساباتها يتم تعيينه لعملية تكون أسرع بكثير وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة على دائرة متكاملة ضوئية (PIC) مقارنة بشريحة إلكترونية قياسية مخصصة (ASIC).

3.2. العتاد: المعالجات المساعدة الضوئية السيليكونية

تستفيد الورقة من التقدم في الفوتونيات السيليكونية، حيث يُستخدم الضوء (الفوتونات) بدلاً من الإلكترونات لإجراء العمليات الحسابية على الشريحة. يتم إعادة توظيف هذه المعالجات المساعدة، التي طورت في البداية لمهام التعلم العميق منخفضة الطاقة مثل الشبكات العصبية الضوئية، لأغراض إثبات العمل البصري. تنتقل الصعوبة الاقتصادية للمعدنين من دفع فواتير الكهرباء إلى استهلاك التكلفة الرأسمالية للعتاد الضوئي المتخصص.

4. المزايا الرئيسية والفوائد المقترحة

• كفاءة الطاقة: انخفاض كبير في استهلاك الطاقة التشغيلية لكل عملية تجزئة.
• اللامركزية: يصبح التعدين ممكناً في أي مكان يتوفر فيه اتصال بالإنترنت، وليس فقط في مناطق الطاقة الرخيصة.
• مقاومة الرقابة: يقلل التوزيع الجغرافي من التعرض للهجمات على مستوى الدولة.
• استقرار معدل التجزئة: يجعل هيكل التكلفة المهيمن عليه النفقات الرأسمالية معدل التجزئة أقل حساسية للانخفاضات المفاجئة في سعر العملة مقارنة بالنماذج المهيمنة عليها نفقات التشغيل.
• التعميم: يمكن أن تخفض التكاليف المستمرة المنخفضة حواجز الدخول للمعدنين الصغار.

5. الغوص التقني العميق

5.1. النموذج الرياضي وضبط الصعوبة

بقيت حالة إثبات العمل الأساسية $H(block\_header, n) < T$. يكمن الابتكار في تنفيذ $H(\cdot)$ أو دالة فرعية $f(x)$ داخلها بصرياً. على سبيل المثال، إذا كان تحويل مثل تحويل فورييه أو ضرب المصفوفات يمثل عنق زجاجة، فيمكن تنفيذه بسرعة الضوء على دائرة متكاملة ضوئية. ستؤدي خوارزمية ضبط صعوبة الشبكة وظيفتها بشكل مشابه لبيتكوين، لكنها ستستهدف معدل تجزئة تنتجه شبكة من المعدنين الضوئيين، لتحقيق توازن زمن الكتلة.

5.2. النموذج الأولي والإعداد التجريبي

تشير الورقة إلى نموذج أولي (الشكل 1). سيتضمن وصف مفصل شريحة ضوئية سيليكونية مصممة بموجهات موجية وموائمات وكواشف تؤدي الخطوات الحسابية المحددة لخوارزمية إثبات العمل البصري. ستقارن التجربة الطاقة لكل تجزئة (جول/تجزئة) ومعدل التجزئة (تجزئة/ثانية) للنموذج الأولي لإثبات العمل البصري مقابل أحدث جهاز تعدين ASIC لـ SHA256، مما يظهر تحسناً بمقدار أضعاف في كفاءة الطاقة، وإن كان ذلك ربما بمعدل تجزئة مطلق مختلف.

6. إطار التحليل ودراسة الحالة

الحالة: تقييم أمن الشبكة تحت الضغط الاقتصادي.

إثبات العمل التقليدي (شبيه بالبيتكوين): السيناريو: ينخفض سعر العملة 70%. يهبط دخل التعدين بشدة. يصبح المعدنون ذوو تكاليف الكهرباء المرتفعة (نفقات التشغيل) غير مربحين ويتوقفون عن العمل، مما يتسبب في انخفاض حاد في معدل التجزئة (~50%). وهذا يقلل من أمن الشبكة (تكلفة الهجوم) بشكل متناسب، مما يخلق حلقة مفرغة محتملة.

نموذج إثبات العمل البصري: السيناريو: نفس انخفاض السعر بنسبة 70%. ينخفض دخل التعدين. ومع ذلك، فإن التكلفة الأساسية هي النفقات الرأسمالية للعتاد (التي تم إنفاقها بالفعل). التكلفة الحدية لمواصلة التعدين منخفضة جداً (كهرباء بسيطة للفوتونيات). يواصل المعدنون العقلانيون العمل لاسترداد استثمار العتاد، مما يؤدي إلى انخفاض أصغر بكثير في معدل التجزئة (~10-20%). يظل أمن الشبكة أكثر متانة أثناء فترات انخفاض السوق.

7. التطبيقات المستقبلية وخارطة الطريق التطويرية

• شبكات سلسلة الكتل الجديدة: التطبيق الأساسي هو تصميم شبكات سلسلة الكتل من الطبقة الأولى الجديدة والمستدامة طاقوياً.
• أنظمة إثبات العمل الهجينة: إمكانية الدمج كخوارزمية تعدين ثانوية موفرة للطاقة إلى جانب إثبات العمل التقليدي في السلاسل الحالية.
• تطور العتاد: تتضمن خارطة الطريق تصغير أحجام أجهزة التعدين الضوئية، ودمجها مع الشرائح ذات الأغراض العامة، والإنتاج الضخم لخفض النفقات الرأسمالية.
• ما بعد العملة المشفرة: يمكن استخدام تكنولوجيا المعالج المساعد الضوئي الأساسية لوظائف التأخير القابلة للتحقق الأخرى (VDFs) أو الحسابات الحافظة للخصوصية.
• درع ضد "الغسل الأخضر" التنظيمي: يمكن أن يوفر إثبات العمل البصري مساراً تقنياً واضحاً للشبكات القائمة على إثبات العمل لمعالجة مخاوف ESG (البيئية والاجتماعية والحوكمة) بشكل مباشر.

8. المراجع

1. Dubrovsky, M., Ball, M., & Penkovsky, B. (2020). Optical Proof of Work. arXiv preprint arXiv:1911.05193v2.
2. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
3. Dwork, C., & Naor, M. (1992). Pricing via Processing or Combatting Junk Mail. Advances in Cryptology — CRYPTO’ 92.
4. Back, A. (2002). Hashcash - A Denial of Service Counter-Measure.
5. Shen, Y., et al. (2017). Deep learning with coherent nanophotonic circuits. Nature Photonics, 11(7), 441–446. (مثال على أبحاث الحوسبة الضوئية)
6. Cambridge Centre for Alternative Finance. (2023). Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index (CBECI). [مصدر خارجي لبيانات الطاقة].

9. تعليق محلل خبير