HashCore：一种面向通用处理器的抗ASIC工作量证明函数

1. 引言

工作量证明（PoW）是比特币和以太坊等主流加密货币的基础共识机制，通过要求计算工作来验证交易和创建新区块，从而保障区块链安全。然而，挖矿带来的巨大经济回报引发了专用硬件（主要是专用集成电路，ASIC）的军备竞赛。这导致了挖矿中心化，少数能够获得昂贵定制ASIC的实体控制了网络算力的不成比例份额，从而损害了区块链技术的去中心化理念。HashCore提出了一种范式转变：它并非致力于让PoW算法抵抗ASIC，而是将通用处理器（GPP）本身变成事实上的“ASIC”。

2. ASIC中心化问题

核心问题在于经济和可及性。ASIC开发资本密集、耗时长久，且通常被少数制造商保密。这造成了极高的准入门槛，导致算力集中，并增加了51%攻击的风险。对于大多数用户而言，购买和运行有竞争力的ASIC是不切实际的，这导致了庞大的加密货币用户群与极小的实际矿工群体之间的割裂。这种中心化对网络安全和去中心化构成了系统性风险。

3. HashCore设计理念

HashCore颠倒了传统问题。它不是先设计一个PoW函数，然后由他人为其构建ASIC，而是被设计成：每个人已经拥有的硬件——通用处理器（例如x86、ARM CPU）——本身就是执行该任务最高效的硬件。

3.1. 逆向基准测试

这是核心理念。像英特尔和AMD这样的芯片设计商投入数十亿美元优化其CPU，使其在标准基准测试套件（例如SPEC CPU 2017）上表现优异，这些套件代表了多样化的真实世界计算负载。HashCore利用这一点，通过模拟这些基准测试负载的伪随机生成的“微件”来构建其PoW函数。因此，为SPEC优化的CPU，在设计上也就为HashCore优化了。

3.2. 基于微件的架构

HashCore函数并非像SHA-256那样的静态哈希函数。它是在运行时动态组装的计算“微件”序列。每个微件执行一系列通用处理器指令，旨在对关键计算资源（ALU、FPU、缓存、内存带宽）施加压力。微件的具体组合和顺序由区块头输入伪随机确定，确保工作负载无法被预计算或在硬件上进行简单优化。

4. 技术实现与安全性

4.1. 抗碰撞性证明

论文提供了形式化证明，表明无论微件如何实现，只要组合微件输出的底层原语本身是抗碰撞的，HashCore就具有抗碰撞性。其安全性可归结为该密码学原语（例如Merkle-Damgård结构）的安全性。伪随机的微件生成确保了整体函数输出的不可预测性和安全性。

4.2. 数学基础

PoW可以概念化为寻找一个随机数 $n$，使得： $$\text{HashCore}(\text{BlockHeader}, n) < \text{Target}$$ 其中 $\text{HashCore}(H, n)$ 的计算方式为： $$F( W_1( H || n || s_1), W_2( H || n || s_2), ..., W_k( H || n || s_k) )$$ 这里，$H$ 是区块头，$n$ 是随机数，$s_i$ 是从 $H$ 和 $n$ 伪随机派生的种子，$W_i$ 是微件函数，$F$ 是一个抗碰撞的组合函数（如哈希函数）。微件序列和参数由生成函数 $G(H, n)$ 决定。

5. 分析与启示

行业分析师视角

5.1. 核心洞察

HashCore不仅仅是另一种“抗ASIC”算法；它是对现有硬件生态系统的战略性“收编”。其真正高明之处在于认识到，万亿美元的半导体行业已经为某一类问题构建了完美的“ASIC”——即CPU。像以太坊的Ethash这样的项目旨在通过内存硬性来抵抗ASIC，但正如最终Ethash ASIC的出现所证明的那样，这只是一种拖延策略。HashCore的方法更为根本：它将PoW的经济激励与全球硬件制造的经济现实对齐。它使去中心化成为一种默认属性，而非一个需要捍卫的脆弱目标。

5.2. 逻辑脉络

其逻辑极具说服力且简单：1) 识别问题（ASIC驱动的中心化）。2) 诊断根本原因（PoW函数与常见的CPU工作负载不同）。3) 反转解决方案空间：如果无法击败ASIC制造商，就让他们为你工作。通过将PoW定义为“CPU本来就擅长的事情”，你可以利用英特尔、AMD和ARM持续、大规模的研发投入。这为专业化创造了一个移动目标；当有人为今天的微件组合设计出静态电路时，下一个区块的伪随机生成可能会强调不同的CPU子系统。这种动态复杂性类似于其他领域的概念，例如某些神经网络剪枝技术中的随机化架构，以防止对特定硬件的过拟合。

5.3. 优势与缺陷

优势：

• 真正的可及性： 将挖矿门槛降低到标准笔记本电脑或台式机的成本，可能使数十亿设备能够有意义地参与。
• 可持续的去中心化： 使挖矿分布与设备所有权分布保持一致。
• 面向未来： 自动受益于未来数十年CPU架构的改进（更多核心、新指令集、更好的缓存）。
• 能源分流： 相比单一的ASIC矿场，可以更有效地利用数据中心和个人设备中现有的闲置计算周期。

• 性能差距： 对于一项固定任务，通用处理器在绝对效率上永远比不上专门构建的ASIC。问题在于每美元性能和可及性之间的权衡是否值得。初始算力将比当前的ASIC网络低几个数量级，这需要社区的大力支持以及新的安全经济模型。
• 新的中心化风险： 风险从ASIC所有权转移到对云计算资源（AWS、Google Cloud）的控制。恶意行为者可以廉价租用庞大的CPU集群进行短期攻击，这对于资本密集型的ASIC来说可行性较低。
• 实现复杂性与验证： 动态生成的复杂工作负载更难以正确实现，并且在不同节点间验证时，更容易引入漏洞或共识错误。这与SHA-256的优雅简洁形成鲜明对比。
• 忽略其他硬件： GPU同样普及且强大，但并非主要目标。可能会出现针对GPU工作负载优化的HashCore变体，从而重启专业化周期。

5.4. 可行建议

对于区块链架构师和加密经济学家而言，HashCore是一个必须进行的思维实验。它迫使人们重新评估“通过工作保障安全”的真正含义。安全是关乎每秒的原始、绝对哈希值，还是关乎算力的分布？对于抗审查而言，后者可以说更为重要。

建议：

1. 混合方法： 新区块链在启动时应认真考虑采用类似HashCore的PoW，以引导一个最大程度去中心化的矿工基础，后期可能过渡到或结合其他机制（例如权益证明，PoS）。
2. 缓解云风险： 协议设计必须纳入对短期租赁攻击的抑制措施，例如更长的周期时间或保证金要求，借鉴早期PoS系统中的“无利害关系”问题。
3. 标准化与审计： 加密社区应将微件库和生成函数视为关键安全组件，对其进行与密码学原语同样严格的审计。
4. 经济建模： 需要新的代币经济模型，其中安全性来源于分散的低功耗矿工基础，而非集中的资本。这可能涉及重新思考区块奖励和交易费分配。

6. 未来应用与方向

HashCore背后的原理超越了加密货币挖矿。

• 去中心化物理基础设施网络（DePIN）： HashCore可以用于保障激励共享通用计算资源（例如用于渲染、科学计算）的网络，其中工作本身是有用的，而PoW则保障网络安全。
• 自适应有用工作量证明： 微件可以被设计为执行可验证的有用计算（例如蛋白质折叠、数学问题求解），作为保障链安全的副产品，朝着“有用工作量证明”的愿景迈进。
• 多架构支持： 未来版本可以包含针对不同主流架构优化的微件套件（针对移动设备的ARM，针对新兴物联网的RISC-V），创造一个异构但公平的挖矿格局。
• 与零知识证明集成： 某些微件序列复杂、不可并行化的特性可以与zk-SNARKs结合使用，创建已完成工作的紧凑证明，从而为轻客户端实现更轻量级的验证。

7. 参考文献

1. Georghiades, Y., Flolid, S., & Vishwanath, S. (年份). HashCore: Proof-of-Work Functions for General Purpose Processors. [会议或期刊名称].
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作为为通用问题域设计的框架示例，类似于HashCore为通用硬件设计).