HashCore：通用處理器嘅工作量證明函數

1. 簡介

工作量證明（PoW）係比特幣同以太坊等主要加密貨幣嘅基礎共識機制，透過要求計算工作嚟驗證交易同創建新區塊，從而保護區塊鏈。然而，挖礦帶來嘅巨大經濟回報引發咗專用硬件（主要係專用集成電路，ASIC）嘅軍備競賽。呢個導致挖礦中心化，少數擁有昂貴、定制ASIC嘅實體控制咗不成比例嘅網絡算力，破壞咗區塊鏈技術去中心化嘅理念。HashCore提出咗一個範式轉變：唔係令PoW抗ASIC，而係令通用處理器（GPP）成為事實嘅ASIC。

2. ASIC中心化問題

核心問題係基於經濟同可及性。ASIC開發係資本密集型、耗時，而且通常被少數製造商保密。呢個造成咗高進入門檻，集中咗挖礦算力，增加咗51%攻擊嘅風險。對大多數用戶嚟講，購買同操作有競爭力嘅ASIC係唔現實嘅，導致龐大嘅加密貨幣用戶群同實際礦工嘅小圈子之間出現分歧。呢種中心化對網絡安全同去中心化構成系統性風險。

3. HashCore設計理念

HashCore將傳統問題反轉。唔係設計一個PoW函數然後其他人為佢製造ASIC，HashCore嘅設計係令每個人都已經擁有嘅硬件——通用處理器（例如x86、ARM CPU）——成為執行呢項任務最有效率嘅硬件。

3.1. 逆向基準測試

呢個係基石概念。好似Intel同AMD咁嘅芯片設計師投入數十億資金優化佢哋嘅CPU，令佢哋喺標準基準測試套件（例如SPEC CPU 2017）上表現出色，呢啲套件代表咗多樣化嘅現實世界計算工作負載。HashCore利用呢一點，透過模擬呢啲基準測試工作負載嘅偽隨機生成「組件」嚟構建其PoW函數。因此，為SPEC優化嘅CPU，根據設計，就係為HashCore優化嘅。

3.2. 基於組件嘅架構

HashCore函數唔係好似SHA-256咁嘅靜態哈希函數。佢係一個喺運行時動態組裝嘅計算「組件」序列。每個組件執行一系列通用處理器指令，旨在對關鍵計算資源（ALU、FPU、緩存、記憶體頻寬）施加壓力。組件嘅具體組合同順序係根據區塊頭輸入偽隨機確定嘅，確保工作負載無法喺硬件中預先計算或輕易優化。

4. 技術實現與安全性

4.1. 抗碰撞性證明

論文提供咗一個正式證明，只要組合組件輸出嘅底層原語本身具有抗碰撞性，無論組件實現如何，HashCore都具有抗碰撞性。安全性歸結為呢個密碼學原語（例如Merkle-Damgård結構）嘅安全性。偽隨機組件生成確保咗整體函數輸出嘅不可預測性同安全性。

4.2. 數學基礎

PoW可以概念化為尋找一個隨機數 $n$，使得： $$\text{HashCore}(\text{BlockHeader}, n) < \text{Target}$$ 其中 $\text{HashCore}(H, n)$ 計算如下： $$F( W_1( H || n || s_1), W_2( H || n || s_2), ..., W_k( H || n || s_k) )$$ 此處，$H$ 係區塊頭，$n$ 係隨機數，$s_i$ 係從 $H$ 同 $n$ 偽隨機派生嘅種子，$W_i$ 係組件函數，而 $F$ 係一個抗碰撞嘅組合函數（例如哈希函數）。組件序列同參數由生成函數 $G(H, n)$ 決定。

5. 分析與影響

行業分析師視角

5.1. 核心洞察

HashCore唔只係另一個「抗ASIC」算法；佢係對現有硬件生態系統嘅戰略性挪用。真正嘅高明之處在於認識到，萬億美元嘅半導體行業已經為某類問題建造咗完美嘅「ASIC」——CPU。好似以太坊嘅Ethash咁嘅項目旨在透過記憶體難度嚟抵抗ASIC，但正如最終開發出Ethash ASIC所證明嘅，呢個只係拖延戰術。HashCore嘅方法更為根本：佢將PoW嘅經濟激勵同全球硬件製造嘅經濟現實對齊。佢令去中心化成為默認屬性，而唔係一個需要捍衛嘅脆弱目標。

5.2. 邏輯流程

邏輯簡單而有力：1) 識別問題（ASIC驅動嘅中心化）。2) 診斷根本原因（PoW函數唔似常見嘅CPU工作負載）。3) 反轉解決方案空間：如果你打唔贏ASIC製造商，就令佢哋為你工作。透過將PoW定義為「CPU已經擅長嘅任何嘢」，你就可以利用Intel、AMD同ARM持續、大規模嘅研發投資。呢個為專門化創造咗一個移動目標；當有人為今日嘅組件組合設計靜態電路時，下一個區塊嘅偽隨機生成可能會強調另一個CPU子系統。呢種動態複雜性反映咗其他領域嘅概念，例如某些神經網絡修剪技術中嘅隨機化架構，以防止過度擬合特定硬件。

5.3. 優點與缺點

優點：

• 真正嘅可及性： 將挖礦門檻降低到標準手提電腦或桌面電腦嘅成本，有可能令數十億設備有意義地參與。
• 可持續嘅去中心化： 令挖礦分佈同設備擁有權分佈對齊。
• 面向未來： 自動受益於未來幾十年CPU架構嘅改進（更多核心、新指令、更好嘅緩存）。
• 能源分流： 比起單一嘅ASIC礦場，可以更有效率地利用數據中心同個人設備中現有嘅閒置計算週期。

• 性能差距： 對於一項固定任務，GPP嘅絕對效率永遠低於專為目的建造嘅ASIC。問題在於每美元性能同可及性之間嘅權衡係咪值得。初始哈希率將比目前嘅ASIC網絡低幾個數量級，需要社區大力支持同一個新嘅安全經濟模型。
• 新嘅中心化向量： 風險從ASIC擁有權轉移到對雲計算資源（AWS、Google Cloud）嘅控制。惡意行為者可以廉價租用龐大嘅CPU農場進行短期攻擊，呢個問題對於資本密集型嘅ASIC嚟講較難實現。
• 實現複雜性與驗證： 動態生成、複雜嘅工作負載更難正確實現，並且喺唔同節點之間驗證時，更容易引入漏洞或共識錯誤。相比之下，SHA-256嘅優雅簡單性就顯而易見。
• 忽略其他硬件： GPU同樣普及且強大，但唔係主要目標。可能會出現針對GPU工作負載優化嘅HashCore變體，重新啟動專門化循環。

5.4. 可行建議

對於區塊鏈架構師同加密經濟學家嚟講，HashCore係一個必須進行嘅思想實驗。佢迫使你重新評估「透過工作實現安全」嘅真正含義。係關於原始、絕對嘅每秒哈希數，定係關於算力嘅分佈？對於抗審查嚟講，後者可能更重要。

建議：

1. 混合方法： 新區塊鏈應該認真考慮喺啟動時採用類似HashCore嘅PoW，以啟動最大程度去中心化嘅礦工基礎，之後可能過渡到或結合其他機制（例如權益證明，PoS）。
2. 減輕雲端風險： 協議設計必須包含對短期租賃攻擊嘅抑制措施，例如更長嘅紀元時間或質押要求，借鑒早期PoS系統中嘅「無利害關係」問題。
3. 標準化與審計： 加密貨幣社區應該將組件庫同生成函數視為關鍵安全組件，對佢哋進行同密碼學原語一樣嚴格嘅審計。
4. 經濟建模： 需要新嘅代幣經濟模型，其中安全性源自分散嘅低功耗礦工基礎，而非集中嘅資本。呢個可能涉及重新思考區塊獎勵同交易費用分配。

6. 未來應用與方向

HashCore背後嘅原則超越咗加密貨幣挖礦。

• 去中心化物理基礎設施網絡（DePIN）： HashCore可以保護激勵共享通用計算資源（例如用於渲染、科學計算）嘅網絡，其中工作本身係有用嘅，而PoW則保護網絡。
• 自適應有用工作量證明： 可以設計組件嚟執行可驗證嘅有用計算（例如蛋白質摺疊、數學問題求解），作為保護鏈嘅副產品，邁向「有用工作量證明」嘅願景。
• 多架構支持： 未來版本可以包含針對唔同流行架構（移動設備嘅ARM、新興物聯網嘅RISC-V）優化嘅組件套件，創造一個異構但公平嘅挖礦環境。
• 與零知識證明集成： 某些組件序列嘅複雜、非並行化特性可以同zk-SNARKs結合使用，創建已完成工作嘅緊湊證明，令輕客戶端能夠進行更輕量嘅驗證。

7. 參考文獻

1. Georghiades, Y., Flolid, S., & Vishwanath, S. (年份). HashCore: Proof-of-Work Functions for General Purpose Processors. [會議或期刊名稱].
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作為一個為通用問題領域設計嘅框架例子，類似於HashCore為通用硬件嘅設計).