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

1. Utangulizi

Karatasi hii inatangaza Uthibitishaji wa Kazi Kwa Mwanga (oPoW), algorithm mpya ya makubaliano iliyoundwa kushughulikia dosari muhimu za uwezo wa kupanuka, mazingira, na mkusanyiko wa mamlaka zilizopo katika mifumo ya jadi ya Uthibitishaji wa Kazi (PoW) yenye matumizi makubwa ya umeme kama SHA256 ya Bitcoin. Waandishi wanasema kuwa ingawa usalama wa PoW unategemea kulazimisha gharama ya kiuchumi inayoweza kuthibitishwa, hakuna sababu ya msingi kwa gharama hii kuwa ya uendeshaji (umeme) badala ya mtaji (vifaa). oPoW inatumia maendeleo katika fotoniki za silikoni kuunda mchakato wa uchimbaji ambapo gharama kuu ni vifaa (CAPEX), na hivyo kupunguza sana matumizi ya nishati (OPEX).

2. Tatizo la Uthibitishaji wa Kazi wa Jadi

Muundo wa usalama wa Bitcoin, unaotokana na Hashcash, umeonyesha kuwa imara lakini una mapungufu makubwa:

• Matumizi Makubwa ya Nishati & Athari za Mazingira: Uchimbaji hutumia umeme unaolingana na nchi za ukubwa wa kati, na hivyo kuleta wasiwasi juu ya uendelevu.
• Mkusanyiko wa Kijiografia: Wachimbaji hukusanyika katika maeneo yenye umeme wa bei nafuu (k.m., sehemu fulani za Uchina, kihistoria), na hivyo kuunda sehemu moja za kushindwa na udhaifu wa kushambuliwa na sheria kali au mashambulio ya kugawanya mtandao.
• Uhusiano na Mienendo ya Bei: Kiwango cha hashrate ya mtandao kinategemea sana bei ya Bitcoin. Kupungua kwa bei kunaweza kufanya uchimbaji usiwe na faida, na kusababisha wachimbaji wakiondoka haraka na usalama wa mtandao kupungua.

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

oPoW inapendekeza mabadiliko kutoka kwa hesabu za elektroni hadi za fotoniki kwa ajili ya uchimbaji. Imebuniwa ili kuendana na itifaki za jadi zinazofanana na Hashcash lakini zimeboreshwa kwa ajili ya vichakataji-visaidizi vya fotoniki.

4. Maelezo ya Kiufundi & Msingi wa Hisabati

Ingawa karatasi haitoi algorithm kamili ya kibiashara, inaelezea kuwa oPoW inategemea kitendakazi kilichoboreshwa cha hash $H'(x)$ ambacho ni sawa kwa hesabu na hash ya kawaida (k.m., SHA256) kwa ajili ya uthibitishaji lakini kimeundwa mahsusi ili kuhesabiwa kwa ufanisi zaidi kwenye kichakataji cha fotoniki.

"Kazi" katika oPoW inahusisha kutatua tatizo linalofanana vizuri na shughuli zinazofanywa na mtandao wa Kipingamizi cha Mach-Zehnder (MZI) kwenye PIC, usanifu wa kawaida wa vichakataji vya matriki vya fotoniki. Hesabu inaweza kuwekwa kama kutafuta vekta ya suluhisho $\vec{s}$ kama ifuatavyo:

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

Ambapo $M$ ni matriki kubwa, isiyobadilika inayotekelezwa na mzunguko wa fotoniki, $\vec{s}$ ni pembejeo (inayotokana na data ya kizuizi na nonce), na $\vec{s}$ lazima ikidhi hali ya lengo (k.m., sifuri za mwanzo katika hash yake). Vekta ya kelele $\vec{n}$ inaweza kuwakilisha sifa asilia za kimwili. Utafutaji wa $\vec{s}$ sahihi ni wa nguvu, lakini kila tathmini ni ya haraka sana na yenye nguvu ndogo kwenye vifaa maalum.

5. Kielelezo cha Utangulizi & Matokeo ya Majaribio

Karatasi inawasilisha Kielelezo 1: Kielelezo cha Utangulizi cha Kichimbaji cha Fotoniki cha Silikoni cha oPoW. Maelezo yanaonyesha mpangilio wa kiwango cha maabara unaojumuisha:

• Chipi ya fotoniki ya silikoni iliyowekwa kwenye bodi ya kubeba.
• Pembejeo/matokeo ya nyuzinyuzi za mwanga kwa ajili ya mwanga wa laser.
• Mzunguko wa usaidizi wa udhibiti wa elektroni (FPGA/CPU) kwa ajili ya kusimamia chipi ya fotoniki na kuunganisha na mtandao wa blockchain.

Matokeo Makuu Yanayodaiwa:

• Ufanisi wa Nishati: Kichakataji cha fotoniki kinapata uboreshaji wa kinadharia wa nishati-kwa-hash ya mara 10-100 ikilinganishwa na ASICs bora za elektroni, kwani vipengele vya fotoniki hutoa joto kidogo na uenezi wa mwanga kwa asili ni wa nguvu ndogo.
• Kasi: Hesabu ya fotoniki hufanya kazi kwa kasi ya mwanga ndani ya chipi, na hutoa faida ya ucheleweshaji kwa kila mzunguko wa hesabu.
• Usawa wa Uthibitishaji: CPU ya kawaida inaweza kuthibitisha suluhisho la oPoW kwa haraka kama suluhisho la kawaida la Hashcash, na hivyo kudumisha utawanyiko wa mtandao.

Kumbuka: Karatasi hii ni ya kabla ya kuchapishwa (arXiv:1911.05193v2) na data maalum, iliyokaguliwa na wataalamu, ya kulinganisha na ASICs za kibiashara haijatolewa.

6. Mtazamo wa Mchambuzi: Uelewa wa Msingi & Ukosoaji

Uelewa wa Msingi: Dubrovsky na wenzake hawabadilishi Bitcoin tu; wanajaribu kubadilisha injini yake ya kiuchumi kwa makini. Ubunifu halisi sio fotoniki—ni upangaji upya wa makusudi wa msingi wa gharama za uchimbaji kutoka kwa bidhaa inayotumiwa (nishati) hadi mali ya mtaji (vifaa). Hii inabadilisha kimsingi usalama na nadharia ya mchezo ya PoW, na inaweza kuifanya iwe imara zaidi kijiografia na isiwe na sumu kwa mazingira. Hii ni majibu ya moja kwa moja kwa hesabu ya ESG (Mazingira, Kijamii, na Utawala) inayokabili fedha za dijitali.

Mtiririko wa Mantiki: Hoja hii ni ya kulazimisha: 1) Usalama wa PoW unahitaji gharama, 2) Gharama ya sasa ni nishati, na husababisha matatizo X, Y, Z, 3) Je, tunaweza kufanya gharama iwe vifaa badala yake? 4) Ndio, kwa kutumia fotoniki. 5) Hii inatatua X, Y, Z. Mantiki ni safi, lakini jengo lote linategemea dhana mbili: kwamba vifaa vya fotoniki vinaweza kutengenezwa kuwa bora zaidi kwa kazi hii na kuwa sugu kwa ubadilishaji tena wa thamani kupitia elektroni za hali ya juu zaidi (kama ASICs zilivyofanya kwa GPUs), na kwamba gharama ya mtaji yenyewe ni ya "kupoteza" ya kutosha kuzuia watendaji wabaya—dhana inayopingwa na hitilafu ya gharama zisizorekebishika na uwezekano wa soko la kuuza tena vifaa.

Nguvu & Dosari:

• Nguvu: Inashughulikia tatizo la #1 la Uhusiano wa Umma kwa Bitcoin (nishati). Inakuza utawanyiko. Inatumia mwelekeo halisi, unaoendelea wa vifaa (fotoniki za silikoni kwa AI). Muundo unaotawaliwa na CAPEX unaweza kweli kudumisha bajeti za usalama.
• Dosari Muhimu: Karatasi haina maelezo ya kina ya usimbuaji ya umma, yanayoweza kukaguliwa, na hivyo kuwa na harufu ya "usalama kupitia utata." Ina hatari ya kuunda mkusanyiko mpya, tofauti—karibu na upatikanaji wa viwanda vya hali ya juu vya utengenezaji wa vifaa vya fotoniki (k.m., Intel, GlobalFoundries). Tatizo la mpito ni kubwa: kuwashawishi mfumo uliopo wa Bitcoin, wenye uwekezaji wa mabilioni katika ASICs, kupitisha oPoW ni jinamizi la kisiasa na kiuchumi kama mgawanyiko mgumu ulioimarishwa. Kama ilivyobainishwa na watafiti kama Biryukov na Khovratovich, usawa wowote kati ya ufanisi wa uchimbaji na uthibitishaji ni udhaifu unaowezekana.

Uelewa Unaoweza Kutekelezwa:

• Kwa Wawekezaji: Fuata kampuni zinazounganisha fotoniki na kompyuta (k.m., Ayar Labs, Lightmatter). oPoW inaweza isiweze kumtoa Bitcoin madarakani, lakini inaweza kuwa kiini cha kuanzia kwa blockchain mpya, "kijani kibichi" inayovutia mtaji wa taasisi wenye mamlaka ya ESG.
• Kwa Watengenezaji: Chukua hii kama mwongozo wa muundo wa makubaliano ya kizazi kijacho. Wazo la msingi—kubuni PoW kwa ajili ya mfano maalum, wenye faida wa vifaa—ni lenye nguvu. Chunguza miundo mseto au utumiaji wake katika mitandao midogo, yenye lengo maalum kwanza.
• Kwa Sekta: Hii ni hatua ya kuthibitisha. Jamii ya Bitcoin haiwezi tena kukataa wasiwasi wa nishati kama FUD. Hata kama oPoW itashindwa, inawalazimisha watengenezaji wa ASICs kuboresha ufanisi kwa kiasi kikubwa na kusukumia miradi mingine (kama Ethereum ilivyofanya na Uthibitishaji wa Hisa) kutafuta mbadala. Mazungumzo yamebadilika kabisa.

7. Mfumo wa Uchambuzi: Kesi ya Utafiti Usio na Msimbo

Kesi: Kutathmini Algorithm Mpya ya PoW kwa Blockchain Inayolenga Uendelevu.

Utumiaji wa Mfumo:

1. Ufafanuzi wa Tatizo: Blockchain yetu lazima iwe na gharama ya kimwili kwa usalama lakini inahitaji kupunguza zaidi ya 70% ya matumizi ya nishati ikilinganishwa na SHA256 ili kukidhi ahadi za uendelevu.
2. Uchambuzi wa Suluhisho (Tathmini ya oPoW):
   • Usalama: Je, inalazimisha gharama inayoweza kuthibitishwa, isiyo na usawa? Ndio (vifaa maalum).
   • Ufanisi: Je, inakidhi lengo la kupunguza nishati? Inadaiwa ndio, inahitaji ukaguzi wa kujitegemea.
   • Utawanyiko: Je, vifaa vinawezekana kupatikana kwa upana? Hatari: Gharama ya awali kubwa na utengenezaji maalum unaweza kupunguza upatikanaji wa mapema.
   • Njia ya Kupitishwa: Je, tunaweza kuanzisha nayo? Inawezekana kama mnyororo mpya, haiwezekani kwa uhamisho wa Bitcoin.
3. Uamuzi: oPoW ni mgombea mwenye uwezo mkubwa, wenye hatari kubwa. Endelea na ushirikiano wa utafiti uliofadhiliwa ili kujenga kielelezo cha utangulizi cha programu huria na kuchapisha viwango vikali vya kulinganisha na ASICs. Wakati huo huo, tengeneza muundo wa tokenomics unaowahimiza utengenezaji wa vifaa vilivyotawanyika.

8. Matumizi ya Baadaye & Ramani ya Maendeleo

Muda mfupi (miaka 1-3):

• Maendeleo ya vipimo kamili vya algorithm ya oPoW huria na miundo ya kumbukumbu ya chipi za fotoniki.
• Uzinduzi wa mtandao wa majaribio wa kiwango kidogo (sawa na siku za mwanzo za Bitcoin) ili kuthibitisha dhana za usalama na utawanyiko kwa vitendo.
• Matumizi ya lengo katika blockchain za kibinafsi/ushirikiano kwa ajili ya kuripoti ESG au fedha za kijani kibichi, ambapo ufanisi wa nishati ni faida ya moja kwa moja ya udhibiti au uuzaji.

Muda wa kati (miaka 3-7):

• Ikiwa mitandao ya majaribio itafanikiwa, uzinduzi wa fedha mpya kuu ya dijitali yenye oPoW kama msingi wake, ikielekezwa kama "Bitcoin ya kijani kibichi."
• Uwezekano wa kuunganishwa kama safu ya pili, ya kuokoa nishati kwa blockchain zilizopo (k.m., mnyororo wa upande unaochimbwa pamoja).
• Maendeleo katika utengenezaji wa chipi za fotoniki yanayopunguza gharama, na kuboresha upatikanaji.

Muda mrefu & Uunganisho:

• Vifaa vya oPoW vinaweza kutumika kwa madhumuni mawili kama vihimizaji vya makisio ya AI, na hivyo kuunda muundo mseto wa kiuchumi kwa wachimbaji.
• Kanuni hizi zinaweza kusisimua "Uthibitishaji wa Kazi Yenye Manufaa" ambapo hesabu ya fotoniki pia inatatua matatizo ya kisayansi yanayoweza kuthibitishwa, ya ulimwengu halisi (k.m., uigaji wa kunyoosha protini).
• Uwezekano wa kuanzishwa kwa kiwango cha vitendakazi vya hash vya fotoniki na mashirika kama NIST, sawa na viwango vya usimbuaji vya baada ya quantum.

9. Marejeo

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. (Chanzo cha nje kuhusu vichakataji vya AI vya fotoniki)
6. Buterin, V. (2022). Merge Complete. Ethereum Foundation Blog. (Chanzo cha nje kuhusu uwezekano wa mabadiliko makubwa ya makubaliano)