HashCore : Une Fonction de Preuve de Travail pour Processeurs à Usage Général

1. Introduction

La Preuve de Travail (Proof-of-Work, PoW) est le mécanisme de consensus fondamental pour les principales cryptomonnaies comme le Bitcoin et l'Ethereum, sécurisant la blockchain en exigeant un effort de calcul pour valider les transactions et créer de nouveaux blocs. Cependant, les récompenses financières considérables du minage ont déclenché une course à l'armement en matériel spécialisé, principalement des Circuits Intégrés à Application Spécifique (ASIC). Cela a conduit à une centralisation du minage, où quelques entités ayant accès à des ASIC personnalisés et coûteux contrôlent une part disproportionnée de la puissance de hachage du réseau, sapant l'éthique décentralisée de la technologie blockchain. HashCore propose un changement de paradigme : au lieu de rendre la PoW résistante aux ASIC, il fait du processeur à usage général (GPP) l'ASIC de facto.

2. Le Problème de Centralisation par ASIC

Le problème central est économique et lié à l'accessibilité. Le développement d'ASIC est capitalistique, long et souvent entouré de secret par quelques fabricants. Cela crée des barrières à l'entrée élevées, concentrant la puissance de minage et augmentant le risque d'attaques à 51 %. Pour la plupart des utilisateurs, l'achat et l'exploitation d'ASIC compétitifs sont irréalistes, conduisant à un écart entre la large base d'utilisateurs de cryptomonnaies et le petit nombre de mineurs actifs. Cette centralisation représente un risque systémique pour la sécurité et la décentralisation du réseau.

3. Philosophie de Conception de HashCore

HashCore inverse le problème traditionnel. Plutôt que de concevoir une fonction PoW pour que d'autres construisent ensuite des ASIC, HashCore est conçu de telle sorte que le matériel que tout le monde possède déjà — le processeur à usage général (par exemple, les CPU x86, ARM) — soit le matériel optimalement efficace pour la tâche.

3.1. Évaluation Comparative Inversée

C'est le concept fondateur. Les concepteurs de puces comme Intel et AMD dépensent des milliards pour optimiser leurs CPU afin qu'ils performent bien sur des suites de tests standard (par exemple, SPEC CPU 2017), qui représentent un ensemble diversifié de charges de travail informatiques réelles. HashCore exploite cela en construisant sa fonction PoW à partir de "widgets" générés de manière pseudo-aléatoire qui imitent précisément ces charges de travail de référence. Par conséquent, un CPU optimisé pour SPEC est, par conception, optimisé pour HashCore.

3.2. Architecture Basée sur des Widgets

La fonction HashCore n'est pas un hachage statique comme SHA-256. Il s'agit d'une séquence de "widgets" de calcul assemblés dynamiquement à l'exécution. Chaque widget exécute une séquence d'instructions de processeur à usage général conçue pour solliciter les ressources de calcul clés (ALU, FPU, cache, bande passante mémoire). La combinaison et l'ordre spécifiques des widgets sont déterminés de manière pseudo-aléatoire en fonction de l'entrée de l'en-tête de bloc, garantissant que la charge de travail ne peut pas être pré-calculée ou trivialement optimisée en matériel.

4. Implémentation Technique et Sécurité

4.1. Preuve de Résistance aux Collisions

L'article fournit une preuve formelle que HashCore est résistant aux collisions, quelle que soit l'implémentation des widgets, à condition que la primitive sous-jacente combinant les sorties des widgets soit elle-même résistante aux collisions. La sécurité se réduit à la sécurité de cette primitive cryptographique (par exemple, une construction de Merkle-Damgård). La génération pseudo-aléatoire des widgets garantit que la sortie de la fonction globale est imprévisible et sécurisée.

4.2. Fondements Mathématiques

La PoW peut être conceptualisée comme la recherche d'un nonce $n$ tel que : $$\text{HashCore}(\text{En-têteBloc}, n) < \text{Cible}$$ Où $\text{HashCore}(H, n)$ est calculé comme : $$F( W_1( H || n || s_1), W_2( H || n || s_2), ..., W_k( H || n || s_k) )$$ Ici, $H$ est l'en-tête de bloc, $n$ est le nonce, $s_i$ sont des graines dérivées pseudo-aléatoirement de $H$ et $n$, $W_i$ sont les fonctions widget, et $F$ est une fonction de combinaison résistante aux collisions (comme un hachage). La séquence et les paramètres des widgets sont déterminés par une fonction génératrice $G(H, n)$.

5. Analyse et Implications

Perspective d'un Analyste du Secteur

5.1. Idée Fondamentale

HashCore n'est pas simplement un autre algorithme "résistant aux ASIC" ; c'est une récupération stratégique de l'écosystème matériel existant. La véritable brillance réside dans la reconnaissance que l'industrie des semi-conducteurs, qui pèse des milliers de milliards de dollars, a déjà construit l'"ASIC" parfait pour une certaine classe de problèmes — le CPU. Des projets comme Ethash d'Ethereum visaient la dureté mémoire pour résister aux ASIC, mais comme le montre le développement ultérieur d'ASIC pour Ethash, ce n'est qu'une tactique de retardement. L'approche de HashCore est plus fondamentale : elle aligne les incitations économiques de la PoW avec les réalités économiques de la fabrication mondiale de matériel. Elle fait de la décentralisation une propriété par défaut, et non un objectif fragile à défendre.

5.2. Enchaînement Logique

La logique est d'une simplicité convaincante : 1) Identifier le problème (centralisation par ASIC). 2) Diagnostiquer la cause racine (les fonctions PoW sont différentes des charges de travail CPU courantes). 3) Inverser l'espace de solution : si vous ne pouvez pas battre les fabricants d'ASIC, faites-les travailler pour vous. En définissant la PoW comme "ce à quoi les CPU sont déjà bons", vous tirez parti des investissements massifs et continus en R&D d'Intel, AMD et ARM. Cela crée une cible mouvante pour la spécialisation ; au moment où quelqu'un conçoit un circuit statique pour le mélange de widgets actuel, la génération pseudo-aléatoire du bloc suivant pourrait mettre l'accent sur un sous-système CPU différent. Cette complexité dynamique reflète des concepts d'autres domaines, comme les architectures randomisées dans certaines techniques d'élagage de réseaux neuronaux pour éviter le surajustement à un matériel spécifique.

5.3. Forces et Faiblesses

Forces :

• Accessibilité Réelle : Abaisse la barrière du minage au coût d'un ordinateur portable ou de bureau standard, permettant potentiellement à des milliards d'appareils de participer de manière significative.
• Décentralisation Durable : Aligne la distribution du minage avec la distribution de la possession d'appareils.
• Pérennité : Bénéficie automatiquement des décennies d'améliorations futures de l'architecture des CPU (plus de cœurs, nouvelles instructions, meilleurs caches).
• Diversification Énergétique : Pourrait utiliser les cycles de calcul inactifs existants dans les centres de données et les appareils personnels plus efficacement que les fermes d'ASIC monolithiques.

• Écart de Performance : Un GPP sera toujours absolument moins efficace qu'un ASIC conçu sur mesure pour une tâche fixe. La question est de savoir si le compromis performance/prix et accessibilité en vaut la peine. Les taux de hachage initiaux seraient de plusieurs ordres de grandeur inférieurs à ceux des réseaux ASIC actuels, nécessitant une forte adhésion de la communauté et un nouveau modèle économique pour la sécurité.
• Nouveaux Vecteurs de Centralisation : Le risque passe de la possession d'ASIC au contrôle des ressources de cloud computing (AWS, Google Cloud). Un acteur malveillant pourrait louer à moindre coût de vastes fermes de CPU pour une attaque à court terme, un problème moins réalisable avec des ASIC capitalistiques.
• Complexité d'Implémentation et Vérification : Une charge de travail complexe générée dynamiquement est plus difficile à implémenter correctement et à vérifier sur différents nœuds sans introduire de vulnérabilités ou de bugs de consensus. Comparez cela avec l'élégante simplicité de SHA-256.
• Néglige d'Autres Matériels : Les GPU, également répandus et puissants, ne sont pas la cible principale. Une variante de HashCore optimisée pour les charges de travail GPU pourrait émerger, relançant le cycle de spécialisation.

5.4. Perspectives Actionnables

Pour les architectes blockchain et les crypto-économistes, HashCore est une expérience de pensée obligatoire. Il force une réévaluation de ce que signifie réellement "la sécurité par le travail". S'agit-il de hashes bruts et absolus par seconde, ou de la distribution de cette puissance de hachage ? Cette dernière est sans doute plus importante pour la résistance à la censure.

Recommandations :

1. Approche Hybride : Les nouvelles blockchains devraient sérieusement envisager une PoW de type HashCore au lancement pour amorcer une base de mineurs maximale décentralisée, avec une transition potentielle vers ou une combinaison avec d'autres mécanismes (par exemple, la Preuve d'Enjeu, PoS) par la suite.
2. Atténuer le Risque Cloud : Les conceptions de protocole doivent intégrer des désincitations pour les attaques par location à court terme, comme des temps d'époque plus longs ou des exigences de caution, en s'inspirant du problème du "rien en jeu" (nothing-at-stake) des premiers systèmes PoS.
3. Standardiser et Auditer : La communauté crypto devrait traiter la bibliothèque de widgets et la fonction de génération comme des composants de sécurité critiques, les soumettant au même audit rigoureux que les primitives cryptographiques.
4. Modélisation Économique : De nouveaux modèles tokenomiques sont nécessaires, où la sécurité est dérivée d'une base diffuse de mineurs à faible puissance plutôt que de capitaux concentrés. Cela peut impliquer de repenser les récompenses de bloc et la distribution des frais de transaction.

6. Applications Futures et Orientations

Les principes derrière HashCore s'étendent au-delà du minage de cryptomonnaies.

• Réseaux d'Infrastructure Physique Décentralisés (DePIN) : HashCore pourrait sécuriser des réseaux qui incitent au partage de ressources de calcul à usage général (par exemple, pour le rendu, le calcul scientifique), où le travail lui-même est utile et la PoW sécurise le réseau.
• Preuve de Travail Utile Adaptative : Les widgets pourraient être conçus pour effectuer des calculs utiles vérifiables (par exemple, repliement de protéines, résolution de problèmes mathématiques) comme sous-produit de la sécurisation de la chaîne, se rapprochant de la vision de la "Preuve de Travail Utile".
• Support Multi-Architecture : Les versions futures pourraient inclure des suites de widgets optimisées pour différentes architectures prévalentes (ARM pour le mobile, RISC-V pour l'IoT émergent), créant un paysage de minage hétérogène mais équitable.
• Intégration avec les Preuves à Divulgation Nulle de Connaissance : La nature complexe et non parallélisable de certaines séquences de widgets pourrait être exploitée conjointement avec des zk-SNARKs pour créer des preuves compactes du travail effectué, permettant une vérification plus légère pour les clients légers.

7. Références

1. Georghiades, Y., Flolid, S., & Vishwanath, S. (Année). HashCore : Proof-of-Work Functions for General Purpose Processors. [Nom de la Conférence ou du Journal].
2. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
3. Back, A. (2002). Hashcash - A Denial of Service Counter-Measure.
4. SPEC CPU 2017. Standard Performance Evaluation Corporation. https://www.spec.org/cpu2017/
5. Buterin, V. (2013). Ethereum White Paper: A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform.
6. Dwork, C., & Naor, M. (1992). Pricing via Processing or Combatting Junk Mail. CRYPTO '92.
7. Zhu, J., et al. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. ICCV 2017. (CycleGAN comme exemple d'un framework conçu pour un domaine de problème général, similaire à la conception de HashCore pour un matériel général).