Uthibitishaji wa Kazi Kwa Mwanga (oPoW): Mabadiliko Makubwa Katika Uchimbaji wa Fedha za Dijitali

Yaliyomo

1. Utangulizi na Muhtasari

Nakala hii inachambua karatasi ya utafiti "Optical Proof of Work" ya Dubrovsky, Ball, na Penkovsky. Karatasi hiyo inapendekeza mabadiliko ya msingi katika msingi wa kiuchumi na wa vifaa vya uchimbaji wa fedha za dijitali, kusonga kutoka kwa hesabu zenye matumizi makubwa ya nishati (yenye kudhibitiwa na OPEX) hadi vifaa maalum vya kifotoni vinavyohitaji mtaji mkubwa (yenye kudhibitiwa na CAPEX). Nadharia kuu ni kwamba ingawa Uthibitishaji wa Kazi (PoW) lazima uwe na gharama halisi inayoweza kuthibitishwa, gharama hii haihitaji kuwa ya umeme hasa.

2. Tatizo la PoW ya Jadi

PoW ya jadi yenye msingi wa SHA256 (Hashcash) imeweza kulinda mitandao kama Bitcoin lakini inakabiliwa na mipaka muhimu inapopanuka.

2.1. Matumizi ya Nishati na Uwezo wa Kupanuka

Gharama kuu ya uchimbaji ni umeme. Kadri thamani ya mtandao inavyokua, ndivyo matumizi ya nishati yanavyokua, na hii husababisha wasiwasi wa kimazingira na kuunda uhusiano wa moja kwa moja kati ya bei ya sarafu, gharama ya nishati, na usalama wa mtandao. Kuongeza ukubwa wa Bitcoin mara 10-100 kwa teknolojia ya sasa kunaonekana kuwa haiendelei kimaazingira na kiuchumi.

2.2. Kuwekwa Katikati na Hatari ya Mfumo

Wachimbaji hukusanyika katika maeneo yenye umeme wa bei nafuu zaidi (kwa mfano, sehemu fulani za Uchina, kihistoria). Hii husababisha kukusanyika kwa kijiografia, na kuleta sehemu moja za kushindwa, urahisi wa kushambuliwa na kanuni za kikanda, na kuongeza hatari ya mashambulio ya kugawanya.

3. Dhana ya Uthibitishaji wa Kazi Kwa Mwanga (oPoW)

oPoW ni algorithm mpya ya PoW iliyoundwa kuhesabiwa kwa ufanisi na vifaa maalum vya kifotoni vya silikoni. Inadumisha hali ya "utafutaji wa nguvu" ya Hashcash lakini inaboresha fumbo kwa hesabu ya kifotoni.

3.1. Msingi wa Algorithm na Kiufundi

Algorithm inahusisha marekebisho madogo sana kwa Hashcash. Inahitaji kupata nambari ya mara moja $n$ ambayo matokeo ya hash $H(kichwa\_cha\_kizuizi, n)$ ni chini ya lengo la kubadilika $T$. Uvumbuzi mkuu ni kwamba kitendakazi cha hash au sehemu muhimu ya hesabu yake inawekwa kwenye utendakazi ambao ni wa haraka zaidi na wenye ufanisi zaidi wa nishati kwenye mzunguko uliojumuishwa wa kifotoni (PIC) kuliko kwenye ASIC ya kawaida ya elektroniki.

3.2. Vifaa: Vichakataji-Visaidizi vya Kifotoni vya Silikoni

Karatasi hiyo inatumia maendeleo katika fotoni za silikoni, ambapo mwanga (fotoni) hutumiwa badala ya elektroni kutekeleza hesabu kwenye chip. Vichakataji-visaidizi hivi, vilivyotengenezwa awali kwa ajili ya kazi za kina za kujifunza zenye nishati ndogo kama mitandao ya neva ya mwanga, vinatumika tena kwa oPoW. Ugumu wa kiuchumi kwa wachimbaji hubadilika kutoka kulipa umeme hadi kusawazisha gharama ya mtaji ya vifaa maalum vya kifotoni.

Ufahamu Muhimu: Upangaji Upya wa Kiuchumi

oPoW inatenganisha gharama ya uchimbaji na bei zinazobadilika-badilika za umeme na kuifunga kwenye gharama inayopungua ya vifaa maalum, ambayo inaweza kusababisha bajeti thabiti zaidi za usalama.

4. Faida Kuu na Manufaa Yanayopendekezwa

Ufanisi wa Nishati: Kupunguzwa kwa kasi kwa matumizi ya nishati ya uendeshaji kwa kila hash.
Kutokuwepo Katikati: Uchimbaji unakuwa unawezekana popote palipo na muunganisho wa intaneti, sio tu maeneo yenye nguvu ya bei nafuu.
Kupinga Udhibiti: Kutawanyika kwa kijiografia kunapunguza urahisi wa kushambuliwa na mashambulio ya kiwango cha taifa.
Uthabiti wa Kiwango cha Hash: Muundo wa gharama unaodhibitiwa na CAPEX hufanya kiwango cha hash kisihamirishe kwa kushuka kwa ghafla kwa bei ya sarafu ikilinganishwa na miundo inayodhibitiwa na OPEX.
Demokrasia: Gharama za chini za kuendelea zinaweza kupunguza vikwazo vya kuingia kwa wachimbaji wadogo.

5. Uchunguzi wa Kina wa Kiufundi

5.1. Mfano wa Kihisabati na Marekebisho ya Ugumu

Hali kuu ya uthibitishaji wa kazi bado ni $H(kichwa\_cha\_kizuizi, n) < T$. Uvumbuzi upo katika kutekeleza $H(\cdot)$ au kitendakazi ndogo $f(x)$ ndani yake kwa njia ya mwanga. Kwa mfano, ikiwa mabadiliko kama mabadiliko ya Fourier au kuzidisha matriki ni kikwazo, inaweza kutekelezwa kwa kasi ya mwanga kwenye PIC. Algorithm ya marekebisho ya ugumu ya mtandao ingefanya kazi sawa na ya Bitcoin, lakini ingelenga kiwango cha hash kinachozalishwa na mtandao wa wachimbaji wa kifotoni, na kusawazisha muda wa kuzuia.

5.2. Kielelezo na Usanidi wa Majaribio

Karatasi hiyo inarejelea kielelezo (Kielelezo 1). Maelezo ya kina yangehusisha chip ya kifotoni ya silikoni iliyoundwa na viongozaji mawimbi, virekebishaji, na vigunduzi vinavyotekeleza hatua maalum za hesabu za algorithm ya oPoW. Usanidi wa majaribio unalinganisha nishati kwa kila hash (Joules/Hash) na kiwango cha hash (Hashes/second) cha kielelezo cha oPoW dhidi ya mchimbaji wa kisasa wa ASIC wa SHA256, na kuonyesha uboreshaji wa ukubwa wa nguvu katika ufanisi wa nishati, ingawa kwa kiwango tofauti kabisa cha hash.

Maelezo ya Chati (Yanayodokezwa): Chati ya baa inayolinganisha Nishati kwa Hash (J/H) kwa mchimbaji wa kawaida wa ASIC (kwa mfano, 100 J/TH) dhidi ya kielelezo cha mchimbaji wa kifotoni wa oPoW (kwa mfano, 0.1 J/TH). Chati ya pili ya mstari inaonyesha usambazaji wa kijiografia unaotarajiwa wa nodi za uchimbaji, ukisonga kutoka kwa vilele vichache vilivyokusanyika (ya jadi) hadi usambazaji sawa zaidi, wa kimataifa (oPoW).

6. Mfano wa Mfumo wa Uchambuzi

Kesi: Kutathmini Usalama wa Mtandao Chini ya Mkazo wa Kiuchumi.

PoW ya Jadi (Kama Bitcoin): Hali: Bei ya sarafu inashuka 70%. Mapato ya uchimbaji yanashuka kwa kasi. Wachimbaji wenye gharama kubwa za umeme (OPEX) huwa hawana faida na hufunga, na kusababisha kiwango cha hash kushuka kwa kasi (~50%). Hii inapunguza usalama wa mtandao (gharama ya kushambulia) kwa uwiano, na kuunda mzunguko hatarishi.

Mfano wa oPoW: Hali: Kushuka kwa bei kwa 70% sawa. Mapato ya uchimbaji yanashuka. Hata hivyo, gharama kuu ni CAPEX ya vifaa (tayari imetumika). Gharama ya chini ya kuendelea na uchimbaji ni ndogo sana (umeme mdogo kwa kifotoni). Wachimbaji wenye busara wanaendelea kufanya kazi ili kupata tena uwekezaji wa vifaa, na kusababisha kushuka kidogo zaidi kwa kiwango cha hash (~10-20%). Usalama wa mtandao unabaki thabiti zaidi wakati wa kushuka kwa soko.

7. Matumizi ya Baadaye na Ramani ya Maendeleo

Mitandao Mpya ya Blockchain: Matumizi ya msingi ni katika muundo wa mitandao mipya ya blockchain ya Safu ya 1, yenye uendelevu wa nishati.
Mifumo Mseto ya PoW: Uwezekano wa kuunganishwa kama algorithm ya pili ya uchimbaji yenye ufanisi wa nishati, pamoja na PoW ya jadi katika minyororo iliyopo.
Mageuzi ya Vifaa: Ramani ya maendeleo inajumuisha kupunguzwa kwa ukubwa wa wachimbaji wa kifotoni, kuunganishwa na chip za jumla, na uzalishaji mkubwa ili kupunguza CAPEX.
Zaidi ya Fedha za Dijitali: Teknolojia ya msingi ya kichakataji- kisaidizi cha kifotoni inaweza kutumika kwa vitendakazi vingine vya kuchelewesha vinavyoweza kuthibitishwa (VDFs) au hesabu zinazohifadhi faragha.
Kinga Dhidi ya Udanganyifu wa Kijani: oPoW inaweza kutoa njia wazi ya kiufundi kwa mitandao yenye msingi wa PoW kukabiliana moja kwa moja na wasiwasi wa ESG (Mazingira, Kijamii, na Utawala).

8. Marejeo

Dubrovsky, M., Ball, M., & Penkovsky, B. (2020). Optical Proof of Work. arXiv preprint arXiv:1911.05193v2.
Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
Dwork, C., & Naor, M. (1992). Pricing via Processing or Combatting Junk Mail. Advances in Cryptology — CRYPTO’ 92.
Back, A. (2002). Hashcash - A Denial of Service Counter-Measure.
Shen, Y., et al. (2017). Deep learning with coherent nanophotonic circuits. Nature Photonics, 11(7), 441–446. (Mfano wa utafiti wa hesabu za kifotoni)
Cambridge Centre for Alternative Finance. (2023). Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index (CBECI). [Chanzo cha nje cha data ya nishati].

9. Uchambuzi wa Mtaalamu

Ufahamu Mkuu: Karatasi ya oPoW sio tu marekebisho ya vifaa; ni jaribio la kimkakati la kuunda upya motisha za msingi za kiuchumi za Uthibitishaji wa Kazi. Waandishi wanatambua kwa usahihi kwamba mgogoro wa kuwepo kwa PoW sio "kazi" yenyewe, bali ni aina ya gharama inayotoa nje. Kwa kuhama mzigo kutoka kwa OPEX inayobadilika-badilika, nyeti kwa siasa za kimataifa (umeme) hadi CAPEX inayopungua, inayouzwa kimataifa (vifaa), wanalenga kuunda msingi thabiti zaidi na uliosambazwa kijiografia wa usalama. Hii ni majibu ya moja kwa moja kwa ukosoaji mkali kutoka kwa taasisi kama Cambridge Centre for Alternative Finance, ambazo zinaangazia matumizi makubwa ya nishati ya Bitcoin.

Mtiririko wa Mantiki na Ulinganisho: Mantiki yake ni ya kuvutia lakini inakabiliwa na mwamba mkubwa wa kupitishwa. Inafanana na mageuzi kutoka CPU hadi GPU hadi ASIC katika historia ya Bitcoin—juhudi isiyoacha ya ufanisi ambayo hatimaye hukusanyika karibu na vifaa bora zaidi. oPoW ina hatari ya kurudia hii tena: wazalishaji wa mapema wa ASIC za kifotoni wanaweza kuwa nguvu mpya ya kukusanyika. Linganisha hii na mfano wa Ethereum baada ya kuunganishwa, ambao uliacha gharama ya kimwili kabisa kwa ajili ya hisa ya kriptografia. Ingawa Uthibitishaji wa Hisa (PoS) una ukosoaji wake wa kukusanyika kwa mtaji, inawakilisha tawi tofauti la kifalsafa. oPoW kwa hakika ni mageuzi mazuri zaidi ya makubaliano ya asili ya Nakamoto, ikihifadhi kiunga chake cha kimwili huku ikijaribu kupunguza madhara yake makubwa.

Nguvu na Kasoro: Nguvu yake kubwa ni kukabiliana na ukosoaji wa ESG bila kutumia mabadiliko kamili ya mfano. Uwezekano wa kiwango thabiti cha hash ni faida kubwa, isiyojadiliwa sana, kwa upangaji wa usalama wa muda mrefu. Hata hivyo, kasoro ni kubwa. Kwanza, ni "kamari ya teknolojia"—fotoni za silikoni kwa hesabu zinazoweza kutegemewa kwa soko kubwa bado ziko mwanzo ikilinganishwa na CMOS ya dijiti iliyokomaa. Pili, inaunda aina mpya ya hatari ya kukusanyika karibu na mnyororo wa usambazaji wa vifaa vya kifotoni, ambao unaweza kuwa umekusanyika kama tasnia ya semiconductor ya leo. Tatu, hoja ya usalama inategemea gharama ya mtaji ya vifaa kuwa kizuizi cha kutosha. Ikiwa chip za kifotoni zitakuwa rahisi kutengenezwa (kama GPU zilivyokuwa zamani), mfano wa usalama unaweza dhoofika.

Ufahamu Unaotekelezeka: Kwa wawekezaji na waundaji, fuata nafasi hii kwa karibu lakini kwa mashaka. Blockchain ya kwanza yenye msingi wa oPoW itakayopata umaarufu itakuwa uthibitishaji mkubwa wa dhana. Hadi wakati huo, itumie kama njia ya utafiti na maendeleo yenye uwezo mkubwa na hatari kubwa. Kwa minyororo iliyopo ya PoW, utafiti huo hutoa mfano wa "hard fork" inayowezekana hadi mfumo mseto au wa mwanga kamili ikiwa shinikizo la udhibiti litakuwa la kuwepo. Kipimo muhimu cha kufuatilia sio tu J/Hash, bali muda wa kusawazisha gharama ya vifaa vya kifotoni na usambazaji wa utengenezaji wake. Mafanikio ya oPoW yanategemea muundo wa vifaa ulio wazi, wenye ushindani kama vile inavyotegemea ubunifu wa algorithm yake.