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

1. Utangulizi

Hati hii inachambua karatasi ya utafiti "Uthibitishaji wa Kazi Kwa Mwanga" iliyotungwa na Dubrovsky, Ball, na Penkovsky. Karatasi hiyo inapendekeza mabadiliko ya msingi katika msingi wa kiuchumi na wa vifaa vya uchimbaji wa fedha za dijitali, ikihama kutoka kwa matumizi ya uendeshaji (OPEX) yanayotawaliwa na umeme hadi matumizi ya mtaji (CAPEX) yanayotawaliwa na vifaa maalum vya fotoni.

2. Tatizo la PoW ya Jadi

Uthibitishaji wa Kazi wa Jadi (PoW), kama inavyoonyeshwa na Hashcash ya Bitcoin, inalinda mtandao kwa kuweka gharama ya kiuchumi inayoweza kuthibitishwa. Hata hivyo, gharama hii karibu yote ni nishati ya umeme.

2.1. Matumizi ya Nishati & Uwezo wa Kupanuka

Karatasi hiyo inabainisha matumizi makubwa ya umeme ya uchimbaji wa Bitcoin kama kikwazo kikuu cha kuongeza uwezo wa mtandao mara 10-100. Hii inaleta wasiwasi wa kimazingira na inapunguza matumizi.

2.2. Ujumuishaji Katika Kituo Kimoja & Hatari ya Mfumo

Uchimbaji umekuwa ukijilimbikizia katika maeneo yenye umeme wa bei nafuu (k.m., sehemu fulani za China, kihistoria), na kusababisha ujumuishaji wa kijiografia. Hii inaleta sehemu moja za kushindwa, inaongeza udhaifu dhidi ya mashambulio ya kugawanya, na inaweka mtandao wazi kwa kukandamizwa kwa kiserikali kwa kanda.

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

oPoW ni algoriti mpya ya PoW iliyobuniwa ili kuhesabiwa kwa ufanisi na vichakataji-visaidizi vya fotoni vya silikoni. Uvumbuzi wa msingi ni kubadilisha gharama kuu kutoka umeme (OPEX) hadi vifaa maalum (CAPEX).

3.1. Algoriti ya Msingi & Maelezo ya Kiufundi

Mpango wa oPoW unahusisha marekebisho madogo sana kwa algoriti zinazofanana na Hashcash. Imeboreshwa kwa mfano wa hesabu ya fotoni, na kufanya iwe na ufanisi zaidi wa nishati kwa vifaa maalum hali inabaki kuwa inaweza kuthibitishwa na CPU za kawaida.

3.2. Vifaa: Vichakataji-Visaidizi vya Fotoni vya Silikoni

Algoriti hii inatumia maendeleo ya miaka ishirini katika teknolojia ya fotoni ya silikoni. Imebuniwa kwa matoleo rahisi ya vichakataji-visaidizi vya fotoni vya kibiashara yaliyotengenezwa awali kwa ajili ya kazi za kina za kujifunza zenye nishati ndogo. Wachimbaji wanahimizwa kutumia vifaa hivi maalum na vya ufanisi.

4. Faida na Athari za Usalama

• Uhifadhi wa Nishati: Inapunguza kwa kiasi kikubwa athari za mazingira za uchimbaji.
• Kutojumuishwa Katika Kituo Kimoja: Inawezesha uchimbaji wenye faida nje ya maeneo yenye gharama ndogo ya umeme, na kuboresha usambazaji wa kijiografia na upinzani wa kukandamizwa.
• Uthabiti wa Bei: Muundo wa gharama unaotawaliwa na CAPEX hufanya kiwango cha hashrate cha mtandao kuwa chini ya usikivu kwa kushuka kwa ghafla kwa bei ya sarafu, na kwa uwezekano kuongeza usalama wakati wa soko la wanyama.
• Udemokrasia: Inaweza kupunguza vikwazo vya kuingia kwa kutenganisha faida na upatikanaji wa nguvu ya bei nafuu sana.

5. Mtazamo wa Mchambuzi: Uchambuzi wa Hatua Nne

Uelewa wa Msingi: Karatasi ya oPoW sio tu kuhusu ufanisi; ni hatua ya kimkakati ya kuunda upya misingi ya kiuchumi ya usalama wa blockchain. Waandishi wanabainisha kwa usahihi kwamba usalama wa PoW unatokana na kuweka gharama yoyote inayoweza kuthibitishwa, sio hasa ya umeme. Uelewa wao ni kwamba kuhama gharama hii kutoka OPEX isiyo thabiti (umeme) hadi CAPEX inayopungua (vifaa) inaweza kutoa mtandao thabiti zaidi, usiojumuisha katika kituo kimoja, na wenye nguvu ya kisiasa—dhana inayopingana na mfumo uliokithiri wa uchimbaji wa ASIC.

Mtiririko wa Mantiki: Hoja hiyo inavutia: 1) PoW ya sasa haiendelei na imejumuishwa katika kituo kimoja. 2) Hitaji la usalama ni gharama ya kiuchumi, sio nishati yenyewe. 3) Teknolojia ya fotoni ya silikoni inatoa njia thabiti, ya kibiashara ya hesabu yenye ufanisi mkubwa. 4) Kwa hivyo, kubuni algoriti ya PoW iliyoboreshwa kwa fotoni inaweza kutatua matatizo ya msingi. Mantiki ni sahihi, lakini hatua muhimu ni katika hatua ya 3—kudhani kwamba algoriti inaweza kuwa imeboreshwa kwa fotoni na kubaki isiyopingana na ASIC kwa muda mrefu, changamoto iliyobainishwa na mabadiliko ya uchimbaji wa Bitcoin yenyewe.

Nguvu na Kasoro: Nguvu iko katika mwelekeo wake wa kuelekea vifaa na kushughulikia hatari halisi za kisiasa (ujumuishaji wa kijiografia). Kasoro ya karatasi hiyo, kama ilivyo kwa mapendekezo mengi yanayotegemea vifaa, ni kupunguza ukali wa mzunguko wa ubora. Kama ilivyokuwa kwa Bitcoin iliyoona mabadiliko kutoka CPU hadi GPU hadi ASIC, oPoW yenye mafanikio ingesababisha mashindano ya silaha katika ubunifu wa ASIC ya fotoni, na kwa uwezekano kujumuishwa tena katika kituo kimoja miongoni mwa wabunifu wachache wa chip za fotoni wasio na kiwanda (kama Luminous Computing au Lightmatter). Madai ya "udemokrasia" kwa hivyo ni dhaifu. Zaidi ya hayo, faida ya kimazingira, ingawa ni ya kweli, hubadilisha tu athari za mazingira kutoka eneo la mchimbaji hadi kiwanda cha utengenezaji wa semiconductor.

Uelewa Unaoweza Kutekelezwa: Kwa wawekezaji na watengenezaji, hii inaonyesha mwelekeo muhimu: mpaka unaofuata wa kuongeza uwezo wa blockchain uko katika makutano ya usimbu fiche na fizikia mpya. Angalia kampuni zinazofanya biashara ya vichakataji vya kasi vya AI vya fotoni—ndizo kiwanda cha baadaye cha nguvu ya uchimbaji. Kwa minyororo iliyopo ya PoW, karatasi hii ni wito wa kuamka kwa kuiga hatari za mfumo kutoka kwa siasa za nishati. Matumizi ya haraka zaidi yanaweza kuwa sio katika kuchukua nafasi ya Bitcoin, bali katika kuzindua minyororo mipya, iliyojengwa kwa madhumuni ambapo uchimbaji wa nishati ndogo, usiojumuisha katika kituo kimoja tangu mwanzo ni kipengele cha msingi, sawa na jinsi sarafu zilizolenga faragha zilipitisha algoriti tofauti.

6. Uchunguzi wa Kina wa Kiufundi na Mfumo wa Hisabati

Algoriti ya oPoW inarekebisha changamoto ya kawaida ya Hashcash. Ingawa maelezo kamili yamebainishwa kwenye karatasi, wazo la msingi linahusisha kuunda tatizo la hesabu ambapo "kazi" ni utafutaji kupitia nafasi iliyofafanuliwa na muundo wa kuingiliwa kwa mwanga au ucheleweshaji wa njia ya mwanga, ambayo ni ya asili kwa saketi za fotoni.

Uwakilishi rahisi wa hatua ya uthibitishaji, unaolingana na mifumo ya jadi, bado unaweza kutumia hash ya usimbu fiche. Mfumo wa fotoni wa mchimbaji unatatua tatizo la fomu: Tafuta x ili f_optical(x, changamoto) itoe muundo maalum au thamani, ambapo f_optical ni utendakazi unaolingana kwa ufanisi na shughuli za vifaa vya fotoni. Suluhisho x kisha hutengenezwa hash: $H(x || \text{changamoto}) < \text{lengo}$.

Ufunguo ni kwamba kuhesabu f_optical(x, changamoto) kwa kasi/bei nafuu zaidi kwenye kichakataji cha fotoni kuliko kwenye kompyuta ya kidijitali ya elektroniki, na kufanya CAPEX ya vifaa vya fotoni kuwa gharama kuu.

7. Matokeo ya Majaribio & Uchambuzi wa Kielelezo

Karatasi hiyo inarejelea kielelezo cha mchimbaji wa oPoW wa fotoni ya silikoni (Kielelezo 1 kwenye PDF). Ingawa viashiria vya utendaji vya kina havijafichuliwa kikamilifu katika sehemu iliyotolewa, uwepo wa kielelezo ni madai muhimu. Inaonyesha mpito kutoka nadharia hadi vifaa vitumikayo unaendelea.

Maelezo ya Chati na Mchoro: Kielelezo 1 kwa uwezekano kinaonyesha mpangilio wa maabara unaochipu cha fotoni ya silikoni kilichowekwa kwenye bodi ya kubeba, iliyounganishwa na elektroniki za kudhibiti (kwa uwezekano FPGA au microcontroller). Chipu ya fotoni ingekuwa na viongozi wa mawimbi, virekebishaji, na vigunduzi vilivyosanidiwa kutekeleza hesabu maalum zinazohitajika na algoriti ya oPoW. Kipimo muhimu cha kutathmini kingekuwa Joules kwa Hash (au kitengo kama hicho) ikilinganishwa na ASIC za kisasa za Bitcoin (k.m., Antminer S19 XP inafanya kazi takriban 22 J/TH). Kielelezo cha oPoW chenye mafanikio kingehitaji kuonyesha uboreshaji wa mpangilio wa ukubwa katika ufanisi wa nishati kwa hesabu halisi ya PoW ili kuhalalisha mabadiliko ya mfano.

8. Mfumo wa Uchambuzi: Mfano wa Kesi Bila Msimbo

Mfano wa Kesi: Kutathmini Sarafu Mpya ya oPoW

1. Uchambuzi wa Hali ya Vifaa:

• Ujumuishaji wa Wasambazaji: Ni kampuni ngapi zinaweza kutengeneza chipu za fotoni zinazohitajika? (k.m., GlobalFoundries, TSMC, Tower Semiconductor zilizo na uwezo wa fotoni). Ujumuishaji mkubwa = hatari ya mnyororo wa usambazaji.
• Upatikanaji wa Ubunifu: Je, miundo ya chipu ni wazi (kama ASIC za Bitcoin hazikuwa awali) au ni mali binafsi? Hii inaathiri moja kwa moja kutojumuishwa katika kituo kimoja.

2. Mfumo wa Usalama wa Kiuchumi:

• Mkunjo wa Kupungua kwa CAPEX: Elezea kupungua kwa miaka 3-5 ya mchimbaji wa fotoni. Mkunjo ulio laini zaidi kuliko elektroniki unaweza kusababisha hashrate thabiti zaidi.
• Uigaji wa Gharama ya Kushambulia: Hesabu gharama ya kupata 51% ya hashrate ya fotoni ya mtandao. Linganisha mienendo ya gharama (inayoendeshwa na muda wa utengenezaji wa vifaa) na ile ya Bitcoin (inayoendeshwa na bei ya papo hapo ya umeme).

3. Vipimo vya Kutojumuishwa Katika Kituo Kimoja:

• Fuatilia usambazaji wa kijiografia wa nodi za uchimbaji kwa muda. Mafanikio yangeonyesha mtawanyiko wa kasi zaidi kuliko uchimbaji wa mapema wa Bitcoin.
• Fuata mgawo wa Gini wa usambazaji wa hashrate miongoni mwa vikundi vya uchimbaji.

9. Matumizi ya Baadaye & Ramani ya Maendeleo

Muda mfupi (miaka 1-2): Uboreshaji zaidi wa algoriti ya oPoW na uchapishaji wa uthibitisho madhubuti wa usalama. Uundaji wa mtandao wa majaribio unaofanya kazi kikamilifu, ulio na viashiria, ukitumia vifaa vya kielelezo. Kulenga miradi ya sarafu za dijitali yenye ufahamu wa mazingira kwa ajili ya utekelezaji wa awali.

Muda wa kati (miaka 3-5): Ikiwa mtandao wa majaribio utathibitika kuwa salama na wenye ufanisi, tazamia uzinduzi wa blockchain mpya kubwa ya Tabaka la 1 ikitumia oPoW kama utaratibu wake wa makubaliano. Ujumuishaji unaowezekana kama tabaka la pili la makubaliano au mnyororo wa upande kwa blockchain kubwa zilizopo (k.m., mnyororo wa upande wa oPoW kwa Ethereum baada ya kuunganishwa). Kuzuka kwa huduma maalum za kiwanda cha fotoni kwa wachimbaji.

Muda mrefu (miaka 5+): Athari kubwa zaidi inaweza kuwa katika kuwezesha matumizi ya blockchain yanayochukuliwa kuwa na matumizi makubwa ya nishati, kama vile:

• Miamala ya Mara Kwa Mara Kwenye Mnyororo: Makubaliano ya gharama ndogo sana yanaweza kufanya miamala midogo iwezekanavyo.
• IoT & Mitandao ya Vigunduzi: Vifaa vilivyo na betri ndogo vinaweza kushiriki katika makubaliano.
• Matumizi ya Anga na Ya Mbali: Uchimbaji katika mazingira ambapo nishati ni haba lakini vifaa vinaweza kusafirishwa.

Muunganiko wa hesabu ya fotoni kwa AI na blockchain unaweza kuunda majukwaa ya vifaa yanayoweza kushirikiana yanayoweza kufanya uingizwaji wa kujifunza kwa mashine na ushiriki wa makubaliano.

10. Marejeo

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. Imepatikana kutoka 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). Chuo Kikuu cha Cambridge.