1. 서론

작업 증명(Proof-of-Work, PoW)은 비트코인과 이더리움과 같은 주요 암호화폐의 기초적인 합의 메커니즘으로, 거래를 검증하고 새로운 블록을 생성하기 위해 계산 노력을 요구함으로써 블록체인을 보호합니다. 그러나 채굴로 인한 막대한 경제적 보상은 주로 주문형 반도체(ASIC)를 중심으로 한 특수 하드웨어 경쟁을 초래했습니다. 이는 채굴의 중앙화를 야기하여, 값비싼 맞춤형 ASIC에 접근할 수 있는 소수 집단이 네트워크 해시 파워의 불균형적인 지분을 통제하게 되었고, 이는 블록체인 기술의 탈중앙화 정신을 훼손하고 있습니다. HashCore는 패러다임 전환을 제안합니다: PoW를 ASIC에 저항하도록 만드는 대신, 범용 프로세서(GPP)를 사실상의 ASIC으로 만드는 것입니다.

2. ASIC 중앙화 문제

핵심 문제는 경제적이며 접근성에 기반합니다. ASIC 개발은 자본 집약적이고 시간이 많이 소요되며, 종종 소수의 제조업체에 의해 비밀로 유지됩니다. 이는 높은 진입 장벽을 만들어 채굴 권력을 집중시키고 51% 공격의 위험을 증가시킵니다. 대부분의 사용자에게 경쟁력 있는 ASIC을 구매하고 운영하는 것은 비현실적이어서, 방대한 암호화폐 사용자 기반과 실제 채굴자들의 작은 풀 사이에 괴리가 발생합니다. 이러한 중앙화는 네트워크 보안과 탈중앙화에 대한 체계적 위험을 초래합니다.

핵심 문제 지표

진입 장벽: 경쟁력 있는 ASIC의 높은 자본 비용.

채굴자 대 사용자 비율: 불균형적으로 적은 수의 채굴자.

보안 위험: 조정된 공격에 대한 취약성 증가.

3. HashCore 설계 철학

HashCore는 전통적인 문제를 역전시킵니다. PoW 함수를 설계한 후 다른 사람들이 이를 위한 ASIC을 만드는 대신, HashCore는 이미 모두가 소유하고 있는 하드웨어—범용 프로세서(예: x86, ARM CPU)—가 해당 작업에 대해 최적으로 효율적인 하드웨어가 되도록 설계되었습니다.

3.1. 역 벤치마킹

이것이 핵심 개념입니다. 인텔과 AMD와 같은 칩 설계자들은 표준 벤치마크 스위트(예: SPEC CPU 2017)에서 잘 수행되도록 CPU를 최적화하기 위해 수십억 달러를 투자하는데, 이는 다양한 실제 계산 작업 부하를 대표합니다. HashCore는 이러한 벤치마크 작업 부하를 모방하는 의사 난수로 생성된 "위젯"으로부터 PoW 함수를 구성함으로써 이를 활용합니다. 따라서 SPEC에 최적화된 CPU는 설계상 HashCore에 최적화된 것입니다.

3.2. 위젯 기반 아키텍처

HashCore 함수는 SHA-256과 같은 정적 해시가 아닙니다. 이는 런타임에 동적으로 조립되는 계산 "위젯"들의 시퀀스입니다. 각 위젯은 주요 계산 자원(ALU, FPU, 캐시, 메모리 대역폭)에 부하를 주도록 설계된 범용 프로세서 명령어들의 시퀀스를 실행합니다. 위젯들의 특정 조합과 순서는 블록 헤더 입력을 기반으로 의사 난수적으로 결정되어, 작업 부하가 하드웨어에서 사전 계산되거나 쉽게 최적화될 수 없도록 합니다.

핵심 통찰

  • 민주화: 기존 소비자 하드웨어를 경쟁력 있는 채굴 장비로 전환.
  • 활용된 최적화: 수십억 달러 규모의 CPU 연구 개발을 활용.
  • 동적 방어: 런타임 위젯 생성은 정적 하드웨어 최적화를 방해.

4. 기술 구현 및 보안

4.1. 충돌 저항성 증명

이 논문은 위젯 출력을 결합하는 기본 암호화 원시 함수 자체가 충돌 저항성을 가진다면, 위젯 구현과 관계없이 HashCore가 충돌 저항성을 가짐을 공식적으로 증명합니다. 보안은 이 암호화 원시 함수(예: Merkle-Damgård 구조)의 보안으로 귀결됩니다. 의사 난수 위젯 생성은 전체 함수의 출력이 예측 불가능하고 안전하도록 보장합니다.

4.2. 수학적 기초

PoW는 다음과 같은 논스 $n$을 찾는 것으로 개념화할 수 있습니다: $$\text{HashCore}(\text{BlockHeader}, n) < \text{Target}$$ 여기서 $\text{HashCore}(H, n)$은 다음과 같이 계산됩니다: $$F( W_1( H || n || s_1), W_2( H || n || s_2), ..., W_k( H || n || s_k) )$$ 여기서 $H$는 블록 헤더, $n$은 논스, $s_i$는 $H$와 $n$에서 의사 난수적으로 파생된 시드, $W_i$는 위젯 함수, $F$는 충돌 저항성 결합 함수(해시와 같은)입니다. 위젯 시퀀스와 매개변수는 생성기 함수 $G(H, n)$에 의해 결정됩니다.

5. 분석 및 함의

산업 분석가 관점

5.1. 핵심 통찰

HashCore는 단순히 또 다른 "ASIC 저항성" 알고리즘이 아닙니다; 이는 기존 하드웨어 생태계에 대한 전략적 공동 선택입니다. 진정한 탁월함은 수조 달러 규모의 반도체 산업이 이미 특정 문제 클래스에 대한 완벽한 "ASIC"—CPU—를 구축했다는 점을 인식하는 데 있습니다. 이더리움의 Ethash와 같은 프로젝트는 ASIC에 저항하기 위해 메모리 경도를 목표로 했지만, 결국 Ethash ASIC이 개발된 것에서 알 수 있듯이 이는 지연 전술에 불과합니다. HashCore의 접근 방식은 더 근본적입니다: PoW의 경제적 인센티브를 글로벌 하드웨어 제조의 경제적 현실과 일치시킵니다. 이는 탈중앙화를 방어해야 할 취약한 목표가 아닌 기본 속성으로 만듭니다.

5.2. 논리적 흐름

논리는 강력하게 단순합니다: 1) 문제 식별(ASIC 주도 중앙화). 2) 근본 원인 진단(PoW 함수가 일반적인 CPU 작업 부하와 다름). 3) 해결책 공간 역전: ASIC 제조업체를 이길 수 없다면 그들이 당신을 위해 일하게 만드세요. PoW를 "CPU가 이미 잘하는 것"으로 정의함으로써, 인텔, AMD, ARM의 지속적이고 대규모인 연구 개발 투자를 활용합니다. 이는 전문화에 대한 이동 목표를 생성합니다; 누군가가 오늘날의 위젯 조합을 위한 정적 회로를 설계할 때쯤이면, 다음 블록의 의사 난수 생성은 다른 CPU 하위 시스템을 강조할 수 있습니다. 이러한 동적 복잡성은 특정 하드웨어에 대한 과적합을 방지하기 위한 일부 신경망 가지치기 기술의 무작위 아키텍처와 같은 다른 분야의 개념을 반영합니다.

5.3. 강점과 결함

강점:

  • 진정한 접근성: 채굴 장벽을 표준 노트북이나 데스크톱의 비용 수준으로 낮춰, 잠재적으로 수십억 대의 장치가 의미 있게 참여할 수 있도록 합니다.
  • 지속 가능한 탈중앙화: 채굴 분포를 장치 소유 분포와 일치시킵니다.
  • 미래 대비: 향후 수십 년간의 CPU 아키텍처 개선(더 많은 코어, 새로운 명령어, 더 나은 캐시)으로부터 자동으로 혜택을 받습니다.
  • 에너지 전환: 단일화된 ASIC 팜보다 데이터 센터와 개인 장치의 기존 유휴 컴퓨팅 사이클을 더 효율적으로 활용할 수 있습니다.
중요한 결함:
  • 성능 격차: 고정된 작업에 대해 범용 프로세서는 목적에 맞게 구축된 ASIC보다 항상 절대적으로 효율성이 낮습니다. 핵심은 달러당 성능과 접근성의 균형이 그만한 가치가 있는지 여부입니다. 초기 해시 속도는 현재의 ASIC 네트워크보다 수준급으로 낮을 것이며, 상당한 커뮤니티의 참여와 새로운 보안 경제 모델이 필요합니다.
  • 새로운 중앙화 경로: 위험은 ASIC 소유에서 클라우드 컴퓨팅 자원(AWS, Google Cloud)에 대한 통제로 이동합니다. 악의적인 행위자는 단기 공격을 위해 저렴하게 방대한 CPU 팜을 임대할 수 있으며, 이는 자본 집약적인 ASIC에서는 실현 가능성이 낮은 문제입니다.
  • 구현 복잡성 및 검증: 동적으로 생성된 복잡한 작업 부하는 취약점이나 합의 버그를 도입하지 않고 다른 노드에서 올바르게 구현하고 검증하기가 더 어렵습니다. 이를 SHA-256의 우아한 단순성과 대비해 보세요.
  • 다른 하드웨어 간과: 널리 보급되고 강력한 GPU는 주요 대상이 아닙니다. GPU 작업 부하에 최적화된 HashCore 변종이 등장하여 전문화 주기를 다시 시작할 수 있습니다.

5.4. 실행 가능한 통찰

블록체인 설계자와 암호경제학자에게 HashCore는 필수적인 사고 실험입니다. 이는 "작업을 통한 보안"이 진정으로 무엇을 의미하는지 재평가하도록 강요합니다. 초당 원시적이고 절대적인 해시 속도에 관한 것인가, 아니면 그 해시 파워의 분포에 관한 것인가? 후자가 검열 저항성에 있어서 더 중요할 수 있습니다.

권장사항:

  1. 하이브리드 접근법: 새로운 블록체인은 출시 시 최대한 탈중앙화된 채굴자 기반을 구축하기 위해 HashCore와 유사한 PoW를 진지하게 고려해야 하며, 이후 다른 메커니즘(예: 지분 증명, PoS)으로 전환하거나 결합할 수 있습니다.
  2. 클라우드 위험 완화: 프로토콜 설계는 초기 PoS 시스템의 "위험 없는 문제"에서 배운 것처럼, 더 긴 에포크 시간이나 담보 요구사항과 같은 단기 임대 공격에 대한 억제책을 포함해야 합니다.
  3. 표준화 및 감사: 암호화폐 커뮤니티는 위젯 라이브러리와 생성 함수를 암호화 원시 함수와 동일한 엄격한 감사를 받는 중요한 보안 구성 요소로 취급해야 합니다.
  4. 경제 모델링: 보안이 집중된 자본이 아닌 저전력 채굴자들의 분산된 기반에서 파생되는 새로운 토크노믹스 모델이 필요합니다. 이는 블록 보상과 거래 수수료 분배를 재고하는 것을 포함할 수 있습니다.
본질적으로 HashCore는 SHA-256의 즉시 대체재라기보다는 차세대 무허가적이고 진정으로 탈중앙화된 네트워크를 위한 기초 철학에 가깝습니다. 그 성공은 기술적 우아함뿐만 아니라 더 회복력 있고 공정한 채굴 생태계를 조성하는 능력에 달려 있습니다.

6. 미래 응용 및 방향

HashCore의 원리는 암호화폐 채굴을 넘어 확장됩니다.

  • 탈중앙화 물리적 인프라 네트워크(DePIN): HashCore는 범용 컴퓨팅 자원(예: 렌더링, 과학적 계산) 공유를 장려하는 네트워크를 보호할 수 있으며, 여기서 작업 자체가 유용하고 PoW가 네트워크를 보호합니다.
  • 적응형 유용 작업 증명: 위젯은 체인을 보호하는 부산물로서 검증 가능한 유용한 계산(예: 단백질 접힘, 수학적 문제 해결)을 수행하도록 설계될 수 있어, "유용 작업 증명"의 비전을 향해 나아갈 수 있습니다.
  • 다중 아키텍처 지원: 향후 버전은 다양한 보급형 아키텍처(모바일용 ARM, 신흥 IoT용 RISC-V)에 최적화된 위젯 스위트를 포함하여 이질적이지만 공정한 채굴 환경을 만들 수 있습니다.
  • 영지식 증명과의 통합: 일부 위젯 시퀀스의 복잡하고 병렬화할 수 없는 특성을 zk-SNARK와 결합하여 수행된 작업의 간결한 증명을 생성하고, 경량 클라이언트를 위한 더 가벼운 검증을 가능하게 할 수 있습니다.
주요 과제는 복잡성, 보안 및 검증 가능성 사이의 균형을 맞추는 것입니다. 미래는 새로운 블록체인 프로젝트에서 안전하게 채택할 수 있는 "벤치마크에서 영감을 받은" 위젯들의 표준화되고 잘 감사된 라이브러리를 만드는 데 있습니다.

7. 참고문헌

  1. Georghiades, Y., Flolid, S., & Vishwanath, S. (연도). HashCore: 범용 프로세서용 작업 증명 함수. [학회 또는 저널명].
  2. Nakamoto, S. (2008). 비트코인: P2P 전자 화폐 시스템.
  3. Back, A. (2002). Hashcash - 서비스 거부 공격 대응책.
  4. SPEC CPU 2017. Standard Performance Evaluation Corporation. https://www.spec.org/cpu2017/
  5. Buterin, V. (2013). 이더리움 백서: 차세대 스마트 계약 및 탈중앙화 애플리케이션 플랫폼.
  6. Dwork, C., & Naor, M. (1992). 처리 비용 책정 또는 스팸 메일 퇴치. CRYPTO '92.
  7. Zhu, J., et al. (2017). Cycle-Consistent Adversarial Networks를 사용한 비대응 이미지 간 변환. ICCV 2017. (HashCore의 일반 하드웨어 설계와 유사하게 일반 문제 영역을 위해 설계된 프레임워크의 예로서 CycleGAN).