Bukti Kerja Optik (oPoW): Satu Peralihan Paradigma dalam Perlombongan Kriptowang

1. Pengenalan

Kertas kerja ini memperkenalkan Bukti Kerja Optik (oPoW), satu algoritma konsensus novel yang direka untuk menangani kelemahan kritikal skalabiliti, alam sekitar, dan pemusatan yang wujud dalam sistem Bukti Kerja (PoW) intensif elektrik tradisional seperti SHA256 Bitcoin. Penulis berhujah bahawa walaupun keselamatan PoW bergantung pada pengenaan kos ekonomi yang boleh disahkan, tiada sebab asas untuk kos ini didominasi oleh kos operasi (elektrik) berbanding modal (perkakasan). oPoW memanfaatkan kemajuan dalam fotonik silikon untuk mencipta proses perlombongan di mana kos utama adalah perkakasan (CAPEX), dengan ketara mengurangkan penggunaan tenaga (OPEX).

2. Masalah dengan PoW Tradisional

Model keselamatan Bitcoin, berdasarkan Hashcash, telah terbukti kukuh tetapi mempunyai kelemahan ketara:

• Keamatan Tenaga & Kesan Alam Sekitar: Perlombongan menggunakan elektrik setanding dengan negara bersaiz sederhana, menimbulkan kebimbangan kelestarian.
• Pemusatan Geografi: Pelombong berkumpul di kawasan dengan elektrik murah (contohnya, di bahagian tertentu China, secara sejarah), mewujudkan titik kegagalan tunggal dan kerentanan terhadap tindakan pengawalseliaan atau serangan pemisahan.
• Pautan kepada Turun Naik Ekonomi: Kadar hash rangkaian sangat sensitif kepada harga Bitcoin. Penurunan harga boleh menjadikan perlombongan tidak menguntungkan, membawa kepada pengunduran pantas pelombong dan potensi penurunan keselamatan rangkaian.

3. Konsep Bukti Kerja Optik (oPoW)

oPoW mencadangkan peralihan daripada pengiraan elektronik kepada fotonik untuk perlombongan. Ia direka untuk serasi dengan protokol seperti Hashcash sedia ada tetapi dioptimumkan untuk pemproses bersama fotonik.

4. Butiran Teknikal & Asas Matematik

Walaupun kertas kerja tidak mendedahkan keseluruhan algoritma proprietari, ia menggariskan bahawa oPoW adalah berdasarkan fungsi hash terubah suai $H'(x)$ yang setara secara pengiraan dengan hash piawai (contohnya, SHA256) untuk pengesahan tetapi direka khas untuk dikira dengan paling cekap pada pemproses fotonik.

"Kerja" dalam oPoW kemungkinan melibatkan menyelesaikan masalah yang dipetakan dengan elegan kepada operasi yang dilakukan oleh rangkaian Interferometer Mach-Zehnder (MZI) pada PIC, satu seni bina biasa untuk pemproses matriks fotonik. Pengiraan boleh dirangka sebagai mencari vektor penyelesaian $\vec{s}$ supaya:

$\vec{o} = M \cdot \vec{s} + \vec{n}$

Di mana $M$ ialah matriks besar tetap yang dilaksanakan oleh litar fotonik, $\vec{s}$ ialah input (diperoleh daripada data blok dan nonce), dan $\vec{o}$ mesti memenuhi syarat sasaran (contohnya, sifar pendahulu dalam hashnya). Vektor hingar $\vec{n}$ mungkin mewakili sifat fizikal semula jadi. Carian untuk $\vec{s}$ yang betul adalah secara kekerasan, tetapi setiap penilaian adalah sangat pantas dan berkuasa rendah pada perkakasan khusus.

5. Prototaip & Keputusan Eksperimen

Kertas kerja ini membentangkan Rajah 1: Prototaip Pelombong Fotonik Silikon oPoW. Penerangan menunjukkan persediaan skala makmal yang menampilkan:

• Cip fotonik silikon dipasang pada papan pembawa.
• Input/output gentian optik untuk cahaya laser.
• Litar kawalan elektronik sokongan (FPGA/CPU) untuk mengurus cip fotonik dan berantaramuka dengan rangkaian rantaian blok.

Keputusan Utama yang Didakwa:

• Kecekapan Tenaga: Pemproses fotonik mencapai peningkatan tenaga-per-hash teori sebanyak 10-100x berbanding ASIC elektronik terkini, kerana komponen fotonik menjana haba minima dan perambatan cahaya secara semula jadi berkuasa rendah.
• Kelajuan: Pengiraan fotonik beroperasi pada kelajuan cahaya dalam cip, menawarkan kelebihan kependaman untuk setiap kitaran pengiraan.
• Kesaksamaan Pengesahan: CPU piawai boleh mengesahkan penyelesaian oPoW secepat penyelesaian Hashcash piawai, mengekalkan penyahpusatan rangkaian.

Nota: Kertas kerja ini adalah pra-cetak (arXiv:1911.05193v2) dan data penanda aras khusus, disemak rakan sebaya terhadap ASIC komersial tidak disediakan.

6. Perspektif Penganalisis: Inti Pati & Kritikan

Inti Pati: Dubrovsky et al. bukan sekadar menyesuaikan Bitcoin; mereka cuba menggantikan enjin ekonominya secara pembedahan. Inovasi sebenar bukan fotonik—ia adalah penyusunan semula sengaja asas kos perlombongan daripada barangan boleh habis (tenaga) kepada aset modal (perkakasan). Ini secara asasnya mengubah keselamatan dan teori permainan PoW, berpotensi menjadikannya lebih tahan geografi dan kurang toksik kepada alam sekitar. Ia adalah tindak balas langsung kepada perhitungan ESG (Alam Sekitar, Sosial, dan Tadbir Urus) yang dihadapi kripto.

Aliran Logik: Hujahnya menarik: 1) Keselamatan PoW memerlukan kos, 2) Kos semasa adalah tenaga, menyebabkan masalah X, Y, Z, 3) Bolehkah kita menjadikan kos itu perkakasan? 4) Ya, dengan fotonik. 5) Ini menyelesaikan X, Y, Z. Logiknya bersih, tetapi seluruh bangunan ini terletak pada dua andaian: bahawa perkakasan fotonik boleh dibuat lebih unggul untuk tugas ini dan tahan terhadap remonetisasi melalui elektronik yang lebih maju (seperti yang dilakukan ASIC kepada GPU), dan bahawa kos modal itu sendiri cukup "membazir" untuk menghalang pelaku jahat—premis yang dicabar oleh kesilapan kos tenggelam dan potensi pasaran jual semula perkakasan.

Kekuatan & Kelemahan:

• Kekuatan: Menangani masalah PR #1 untuk Bitcoin (tenaga). Menggalakkan penyahpusatan. Memanfaatkan trend perkakasan sebenar yang berkembang (fotonik silikon untuk AI). Model dominan CAPEX sememangnya boleh menstabilkan belanjawan keselamatan.
• Kelemahan Kritikal: Kertas kerja ini kurang dalam butiran kriptografi awam yang boleh diaudit, berbau "keselamatan melalui kekaburan." Ia berisiko mencipta pemusatan baru yang berbeza—sekitar akses kepada kilang fabrikasi fotonik canggih (contohnya, Intel, GlobalFoundries). Masalah peralihan adalah monumental: meyakinkan ekosistem Bitcoin sedia ada, dengan pelaburan ASIC berbilion-bilion, untuk menerima pakai oPoW adalah mimpi ngeri politik dan ekonomi seperti hard fork yang diperkuat. Seperti yang diperhatikan oleh penyelidik seperti Biryukov dan Khovratovich, sebarang asimetri antara kecekapan perlombongan dan pengesahan adalah kerentanan berpotensi.

Wawasan Boleh Tindak:

• Untuk Pelabur: Perhatikan syarikat yang menjembatani fotonik dan pengkomputeran (contohnya, Ayar Labs, Lightmatter). oPoW mungkin tidak menggulingkan Bitcoin, tetapi ia boleh menjadi kernel genesis untuk rantaian blok "hijau" baharu yang menarik minat modal institusi dengan mandat ESG.
• Untuk Pembangun: Anggap ini sebagai cetak biru untuk reka bentuk konsensus generasi seterusnya. Idea teras—mereka bentuk PoW untuk paradigma perkakasan khusus yang menguntungkan—adalah berkuasa. Terokai model hibrid atau aplikasinya dalam rangkaian kecil berorientasikan tujuan dahulu.
• Untuk Industri: Ini adalah tembakan kredibel merentasi busur. Komuniti Bitcoin tidak boleh lagi menolak kebimbangan tenaga sebagai FUD. Walaupun oPoW gagal, ia memberi tekanan kepada pengeluar ASIC untuk meningkatkan kecekapan secara radikal dan mendorong projek lain (seperti yang dilakukan Ethereum dengan Bukti Kepentingan) untuk mencari alternatif. Perbualan telah beralih secara kekal.

7. Kerangka Analisis: Kajian Kes Bukan Kod

Kes: Menilai Algoritma PoW Baharu untuk Rantaian Blok Berfokus Kelestarian.

Aplikasi Kerangka:

1. Definisi Masalah: Rantaian blok kami mesti mempunyai kos fizikal untuk keselamatan tetapi memerlukan pengurangan >70% dalam penggunaan tenaga berbanding SHA256 untuk memenuhi janji kelestarian.
2. Penyaringan Penyelesaian (Penilaian oPoW):
   • Keselamatan: Adakah ia mengenakan kos asimetri yang boleh disahkan? Ya (perkakasan khusus).
   • Kecekapan: Adakah ia memenuhi sasaran pengurangan tenaga? Mendakwa ya, memerlukan audit bebas.
   • Penyahpusatan: Adakah perkakasan berkemungkinan boleh diakses secara meluas? Risiko: Kos awal tinggi dan fabrikasi khusus boleh menghadkan akses awal.
   • Laluan Penerimaan: Bolehkah kami melancarkannya? Mungkin sebagai rantaian baharu, mustahil untuk migrasi Bitcoin.
3. Keputusan: oPoW adalah calon berpotensi tinggi, berisiko tinggi. Teruskan dengan konsortium penyelidikan dibiayai untuk membina prototaip sumber terbuka dan menerbitkan penanda aras ketat terhadap ASIC. Secara selari, reka model tokenomik yang memberi insentif kepada pembuatan perkakasan teragih.

8. Aplikasi Masa Depan & Peta Jalan Pembangunan

Jangka Pendek (1-3 tahun):

• Pembangunan spesifikasi algoritma oPoW sumber terbuka sepenuhnya dan reka bentuk cip fotonik rujukan.
• Pelancaran testnet berskala kecil (serupa dengan hari-hari awal Bitcoin) untuk mengesahkan andaian keselamatan dan penyahpusatan dalam praktik.
• Penggunaan sasaran dalam rantaian blok swasta/konsortium untuk pelaporan ESG atau kewangan hijau, di mana kecekapan tenaga adalah kelebihan pengawalseliaan atau pemasaran langsung.

Jangka Sederhana (3-7 tahun):

• Jika testnet berjaya, pelancaran kriptowang awam utama baharu dengan oPoW sebagai teras, diposisikan sebagai "Bitcoin hijau."
• Potensi integrasi sebagai lapisan sekunder penjimatan tenaga untuk rantaian blok sedia ada (contohnya, rantaian sisi yang dilombong bergabung).
• Kemajuan dalam pembuatan cip fotonik mengurangkan kos, meningkatkan kebolehaksesan.

Jangka Panjang & Konvergensi:

• Perkakasan oPoW boleh berfungsi dwi-tujuan sebagai pemecut untuk inferens AI, mencipta model ekonomi hibrid untuk pelombong.
• Prinsip ini boleh memberi inspirasi kepada "Bukti Kerja Berguna" di mana pengiraan fotonik juga menyelesaikan masalah saintifik dunia sebenar yang boleh disahkan (contohnya, simulasi lipatan protein).
• Potensi pemiawaian fungsi hashing fotonik oleh badan seperti NIST, serupa dengan piawaian kriptografi pasca-kuantum.

9. Rujukan

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
2. Back, A. (2002). Hashcash - A Denial of Service Counter-Measure.
3. Dwork, C., & Naor, M. (1992). Pricing via Processing or Combatting Junk Mail. CRYPTO '92.
4. Biryukov, A., & Khovratovich, D. (2014). Equihash: Asymmetric Proof-of-Work Based on the Generalized Birthday Problem. IACR Cryptology ePrint Archive.
5. Shen, Y., et al. (2017). Deep learning with coherent nanophotonic circuits. Nature Photonics. (Sumber luaran mengenai pemproses AI fotonik)
6. Buterin, V. (2022). Merge Complete. Ethereum Foundation Blog. (Sumber luaran mengenai kebolehlaksanaan perubahan konsensus utama)