إثبات العمل البصري (oPoW): تحول نموذجي في تعدين العملات المشفرة

1. المقدمة

يحلل هذا المستند ورقة البحث "إثبات العمل البصري" لدوبروفسكي، بول، وبينكوفسكي. تطرح الورقة تحولاً جوهرياً في الأساس الاقتصادي والعتادي لتعدين العملات المشفرة، من النفقات التشغيلية (OPEX) المسيطر عليها تكلفة الكهرباء إلى النفقات الرأسمالية (CAPEX) المسيطر عليها العتاد الفوتوني المتخصص.

2. مشكلة إثبات العمل التقليدي

يؤمن إثبات العمل التقليدي (PoW)، كما يجسده نظام Hashcash الخاص بالبتكوين، الشبكة من خلال فرض تكلفة اقتصادية قابلة للتحقق. ومع ذلك، فإن هذه التكلفة هي بالكامل تقريباً طاقة كهربائية.

2.1. استهلاك الطاقة والقابلية للتوسع

تحدد الورقة البحثية الاستهلاك الكهربائي الهائل لتعدين البتكوين كعنق زجاجة رئيسي يعيق توسيع نطاق الشبكة بمقدار 10-100 ضعف. وهذا يخلق مخاوف بيئية ويحد من الاعتماد.

2.2. المركزية والمخاطر النظامية

تركز التعدين في مناطق الكهرباء الرخيصة (مثل أجزاء معينة من الصين تاريخياً)، مما خلق مركزية جغرافية. وهذا يخلق نقاط فشل فردية، ويزيد من قابلية التعرض لهجمات التقسيم، ويعرض الشبكة لإجراءات تنظيمية إقليمية صارمة.

3. مفهوم إثبات العمل البصري (oPoW)

إثبات العمل البصري (oPoW) هو خوارزمية جديدة لإثبات العمل مصممة ليتم حسابها بكفاءة بواسطة المعالجات المساعدة الفوتونية السيليكونية. الابتكار الأساسي هو تغيير التكلفة الأولية من الكهرباء (النفقات التشغيلية) إلى العتاد المتخصص (النفقات الرأسمالية).

3.1. الخوارزمية الأساسية والتفاصيل التقنية

تتضمن خطة إثبات العمل البصري تعديلات طفيفة على الخوارزميات المشابهة لـ Hashcash. وهي مُحسَّنة لنموذج حسابي فوتوني، مما يجعلها أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة بشكل كبير للعتاد المتخصص مع بقائها قابلة للتحقق بواسطة وحدات المعالجة المركزية القياسية.

3.2. العتاد: المعالجات المساعدة الفوتونية السيليكونية

تستفيد الخوارزمية من تقدم عقدين في مجال الفوتونيات السيليكونية. وهي مصممة لإصدارات مبسطة من المعالجات المساعدة الفوتونية التجارية التي طُوِّرت في الأصل لمهام التعلم العميق منخفضة الطاقة. يتم تحفيز المعدِّنين لاستخدام هذا العتاد المتخصص والكفؤ.

4. المزايا والتضمينات الأمنية

• توفير الطاقة: يقلل بشكل كبير من البصمة الكربونية للتعدين.
• اللامركزية: يمكن من التعدين المربح خارج مناطق تكلفة الكهرباء المنخفضة، مما يحسن التوزيع الجغرافي ومقاومة الرقابة.
• استقرار السعر: هيكل التكلفة المسيطر عليه بالنفقات الرأسمالية يجعل معدل التجزئة للشبكة أقل حساسية للانخفاضات المفاجئة في سعر العملة، مما قد يزيد الأمان خلال فترات انخفاض السوق.
• التعميم: قد يخفض حواجز الدخول من خلال فصل الربحية عن الوصول إلى طاقة فائقة الرخص.

5. منظور المحلل: تفكيك رباعي الخطوات

الفكرة الأساسية: ورقة إثبات العمل البصري ليست مجرد كفاءة؛ إنها مناورة استراتيجية لإعادة هندسة الأسس الاقتصادية ذاتها لأمن سلسلة الكتل. يحدد المؤلفون بشكل صحيح أن أمان إثبات العمل ينبع من فرض أي تكلفة قابلة للتحقق، وليست كهربائية على وجه التحديد. فكرتهم هي أن تحويل هذه التكلفة من النفقات التشغيلية المتقلبة (الكهرباء) إلى النفقات الرأسمالية المستهلكة (العتاد) يمكن أن ينتج شبكة أكثر استقراراً ولا مركزية ومقاومة سياسياً—وهذه أطروحة تتحدى نظام تعدين الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيق (ASIC) الراسخ.

التسلسل المنطقي: الحجة مقنعة: 1) إثبات العمل الحالي غير مستدام ومركزي. 2) متطلب الأمان هو التكلفة الاقتصادية، وليس الطاقة بحد ذاتها. 3) الفوتونيات السيليكونية تقدم مساراً مثبتاً وتجارياً للحساب فائق الكفاءة. 4) لذلك، يمكن لتصميم خوارزمية إثبات العمل المُحسَّنة للفوتونيات أن تحل المشكلات الأساسية. المنطق سليم، لكن القفزة الحرجة هي في الخطوة 3—افتراض أن الخوارزمية يمكن أن تكون مُحسَّنة للفوتونيات وأن تبقى مقاومة للدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيق على المدى الطويل، وهو تحدٍ سلط عليه الضوء تطور تعدين البتكوين نفسه.

نقاط القوة والضعف: تكمن القوة في تركيزها التطلعي على العتاد ومعالجتها للمخاطر السياسية الحقيقية (المركزية الجغرافية). عيب الورقة، المشترك في العديد من المقترحات القائمة على العتاد، هو التقليل من شراسة دورة التحسين. تماماً كما شهد البتكوين تحولاً من وحدات المعالجة المركزية إلى وحدات معالجة الرسومات إلى الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيق، فإن نجاح إثبات العمل البصري سيطلق سباق تسلح في تصميم الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيق الفوتونية، مما قد يعيد تركيز السيطرة بين عدد قليل من مصممي الرقائق الفوتونية بدون مصانع (مثل Luminous Computing أو Lightmatter). وبالتالي فإن ادعاء "التعميم" هش. علاوة على ذلك، فإن الفائدة البيئية، رغم كونها حقيقية، تنقل ببساطة البصمة الكربونية من موقع المعدِّن إلى مصنع تصنيع أشباه الموصلات.

رؤى قابلة للتنفيذ: بالنسبة للمستثمرين والمطورين، يشير هذا إلى اتجاه حاسم: الجبهة التالية لتوسيع نطاق سلسلة الكتل تقع عند تقاطع التشفير والفيزياء الحديثة. راقب الشركات التي تجعل مسرعات الذكاء الاصطناعي الفوتونية تجارية—فهي المصانع المحتملة لقوة التعدين في المستقبل. بالنسبة لسلاسل إثبات العمل الحالية، فإن الورقة هي دعوة للاستيقاظ لنمذجة المخاطر النظامية الناشئة عن جيوبوليتيك الطاقة. قد لا يكون التطبيق الأكثر فورية هو استبدال البتكوين، بل إطلاق سلاسل جديدة مصممة لغرض محدد حيث يكون التعدين منخفض الطاقة ولا مركزي منذ اليوم الأول ميزة أساسية، على غرار كيفية اعتماد العملات التي تركز على الخصوصية لخوارزميات مختلفة.

6. الغوص التقني العميق والإطار الرياضي

تعدل خوارزمية إثبات العمل البصري تحدي Hashcash القياسي. بينما يتم تفصيل المواصفات الكاملة في الورقة، فإن الفكرة الأساسية تتضمن إنشاء مشكلة حسابية حيث "العمل" هو بحث في فضاء محدد بأنماط تداخل الضوء أو تأخيرات المسار البصري، والتي هي طبيعية للدوائر الفوتونية.

قد لا يزال التمثيل المبسط لخطوة التحقق، المتوافق مع الأنظمة التقليدية، يستخدم دالة تجزئة تشفيرية. يحل النظام الفوتوني للمعدِّن مشكلة بالشكل: ابحث عن x بحيث يؤدي f_optical(x, challenge) إلى نمط أو قيمة محددة، حيث f_optical هي دالة تُحوَّل بكفاءة إلى عمليات عتاد فوتوني. ثم يتم تجزئة الحل x: $H(x || \text{challenge}) < \text{target}$.

النقطة الأساسية هي أن حساب f_optical(x, challenge) أسرع/أرخص بشكل أسي على معالج فوتوني مقارنة بجهاز كمبيوتر إلكتروني رقمي، مما يجعل النفقات الرأسمالية للعتاد الفوتوني هي التكلفة الأساسية.

7. النتائج التجريبية وتحليل النموذج الأولي

تشير الورقة إلى نموذج أولي لمعدِّن فوتوني سيليكوني باستخدام إثبات العمل البصري (الشكل 1 في ملف PDF). بينما لم يتم الكشف بالكامل عن معايير الأداء التفصيلية في المقتطف المقدم، فإن وجود نموذج أولي هو ادعاء كبير. ويشير إلى أن الانتقال من النظرية إلى العتاد العملي جارٍ.

وصف الرسم البياني والمخطط: من المرجح أن يصور الشكل 1 إعداداً معملياً يحتوي على رقاقة فوتونية سيليكونية مثبتة على لوحة ناقلة، متصلة بإلكترونيات تحكم (على الأرجح مصفوفة بوابة قابلة للبرمجة أو متحكم دقيق). ستحتوي الرقاقة الفوتونية على موجِّهات موجية وموِّلات وكواشف مُهيَّأة لأداء الحسابات المحددة التي تتطلبها خوارزمية إثبات العمل البصري. المقياس الحاسم للتقييم سيكون الجول لكل تجزئة (أو وحدة مماثلة) مقارنة بأحدث الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيق للبتكوين (على سبيل المثال، يعمل Antminer S19 XP بحوالي 22 جول/تيرا هاش). ستحتاج النماذج الأولية الناجحة لإثبات العمل البصري إلى إظهار تحسن كبير في كفاءة الطاقة للحساب الفعلي لإثبات العمل لتبرير التحول النموذجي.

8. إطار التحليل: دراسة حالة غير برمجية

دراسة حالة: تقييم عملة مشفرة جديدة تستخدم إثبات العمل البصري

1. تحليل مشهد العتاد:

• تركيز الموردين: كم عدد الشركات التي يمكنها تصنيع الرقائق الفوتونية المطلوبة؟ (مثل GlobalFoundries، TSMC، Tower Semiconductor ذات القدرات الفوتونية). التركيز العالي = مخاطر سلسلة التوريد.
• إمكانية الوصول للتصميم: هل تصاميم الرقائق مفتوحة المصدر (كما لم تكن دوائر البتكوين المتكاملة الخاصة بالتطبيق في البداية) أم احتكارية؟ هذا يؤثر مباشرة على اللامركزية.

2. نموذج الأمان الاقتصادي:

• منحنى استهلاك النفقات الرأسمالية: انمذج استهلاك معدِّن الفوتونيات على مدى 3-5 سنوات. قد يؤدي منحنى أكثر استواءً من الإلكترونيات إلى معدل تجزئة أكثر استقراراً.
• محاكاة تكلفة الهجوم: احسب تكلفة الحصول على 51% من معدل التجزئة الفوتوني للشبكة. قارن ديناميكيات التكلفة (المدفوعة بأوقات إنتاج العتاد) بتلك الخاصة بالبتكوين (المدفوعة بأسعار الكهرباء الفورية).

3. مقاييس اللامركزية:

• تتبع التوزيع الجغرافي لعقد التعدين مع مرور الوقت. النجاح سيظهر تشتتاً أسرع من تعدين البتكوين المبكر.
• راقب معامل جيني لتوزيع معدل التجزئة بين مجموعات التعدين.

9. التطبيقات المستقبلية وخارطة طريق التطوير

قصير المدى (1-2 سنة): مزيد من تحسين خوارزمية إثبات العمل البصري ونشر براهين أمنية صارمة. تطوير شبكة اختبار كاملة الوظيفة ومعيارية باستخدام العتاد النموذجي الأولي. استهداف مشاريع عملات مشفرة متخصصة واعية بيئياً للنشر الأولي.

متوسط المدى (3-5 سنوات): إذا أثبتت شبكة الاختبار أمانها وكفاءتها، فتوقع إطلاق سلسلة كتل رئيسية جديدة من الطبقة الأولى تستخدم إثبات العمل البصري كآلية إجماع لها. تكامل محتمل كطبقة إجماع ثانوية أو سلسلة جانبية لسلاسل الكتل الرئيسية الحالية (مثل سلسلة جانبية باستخدام إثبات العمل البصري للإيثيريوم بعد الدمج). ظهور خدمات تصنيع فوتونية مخصصة للمعدِّنين.

طويل المدى (5+ سنوات): قد يكون التأثير الأكثر أهمية في تمكين تطبيقات سلسلة الكتل التي تعتبر حالياً كثيفة الاستهلاك للطاقة بشكل كبير، مثل:

• المعاملات عالية التردد على السلسلة: يمكن للإجماع منخفض التكلفة للغاية أن يجعل المعاملات متناهية الصغر مجدية.
• إنترنت الأشياء وشبكات المستشعرات: يمكن للأجهزة ذات البطاريات الصغيرة المشاركة في الإجماع.
• التطبيقات الفضائية والنائية: التعدين في بيئات حيث الطاقة شحيحة ولكن يمكن شحن العتاد.

قد يؤدي تقارب الحوسبة الفوتونية للذكاء الاصطناعي وسلسلة الكتل إلى إنشاء منصات عتاد تآزرية قادرة على كل من الاستدلال بالتعلم الآلي والمشاركة في الإجماع.

10. المراجع

1. Dubrovsky, M., Ball, M., & Penkovsky, B. (2020). Optical Proof of Work. arXiv preprint arXiv:1911.05193v2.
2. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
3. Dwork, C., & Naor, M. (1992). Pricing via Processing or Combatting Junk Mail. Advances in Cryptology — CRYPTO’ 92.
4. Back, A. (2002). Hashcash - A Denial of Service Counter-Measure.
5. Lightmatter. (2023). Photonic Computing for AI. Retrieved from https://lightmatter.co
6. Zhao, Y., et al. (2022). Silicon Photonics for High-Performance Computing: A Review. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics.
7. Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index (CBECI). (2023). University of Cambridge.