Uthibitishaji wa Kazi Kwa Mwanga (oPoW): Mbadala wa Nishati Ndogo kwa Hashcash katika Uchimbaji wa Fedha za Dijitali

1. Utangulizi

Mitandao ya umma ya fedha za dijitali kama Bitcoin hutegemea daftari lisilo la kati. Changamoto kuu ni kufikia makubaliano bila mamlaka kuu wakati huo huo kuzuia mashambulizi ya Sybil na matumizi mara mbili ya pesa. Suluhisho la msingi la Bitcoin lilikuwa kuunganisha Uthibitishaji wa Kazi (PoW) wa aina ya Hashcash, ambao huweka gharama halisi ya kiuchumi kwa washiriki (wachimbaji) ili kulinda mtandao na kusambaza sarafu mpya.

1.1 Uthibitishaji wa Kazi Katika Mfumo wa Mnyororo wa Vitalu (Blockchain)

Uthibitishaji wa Kazi, uliopendekezwa kwanza na Dwork na Naor (1992), unahusisha kutatua fumbo la usimbaji fiche ambalo linahitaji juhudi kubwa ya kikokotoo lakini ni rahisi sana kuthibitisha. Katika mnyororo wa vitalu (blockchain), hii "kazi" inalinda mtandao kwa kufanya iwe ghali sana kiuchumi kwa mshambuliaji kuandika upya historia ya manunuzi.

2. Tatizo la Uthibitishaji wa Kazi wa Kawaida (PoW)

Gharama kuu ya uchimbaji unaotumia Hashcash (kama SHA256 ya Bitcoin) ni umeme (Gharama ya Uendeshaji - OPEX). Hii imesababisha:

• Matatizo ya Uwezo wa Kupanuka: Matumizi makubwa ya nishati yanaweka mipaka kwa ukuaji wa mtandao.
• Wasiwasi wa Kimazingira: Uwiano mkubwa wa kaboni.
• Hatari za Kuhamia Katikati: Uchimbaji hujilimbikizia katika maeneo yenye umeme wa bei nafuu, na kujenga sehemu moja za kushindwa kijiografia na kupunguza ukinzani wa ukandamizaji.
• Usikivu wa Mienendo ya Bei: Kiwango cha hashrate kinaathiriwa sana na bei ya sarafu ya dijitali, kwani wachimbaji huzima wakati gharama za uendeshaji zinazidi malipo.

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

Waandishi wanapendekeza oPoW kama algoriti mpya ambayo hubadilisha gharama kuu ya uchimbaji kutoka umeme (OPEX) kwenda kwenye vifaa maalum (Gharama ya Mtaji - CAPEX). Uelewa wa msingi ni kwamba usalama wa PoW unategemea gharama ya kiuchumi, lakini gharama hiyo haihitaji kuwa ya nishati hasa.

3.1 Muhtasari wa Algoriti

oPoW imeundwa kama marekebisho madogo kwa miradi inayofanana na Hashcash. Inabaki na muundo wa kutafuta nambari ya mara moja (nonce) ili $ ext{H}( ext{kichwa cha kizuizi} || ext{nonce}) < ext{lengo}$, lakini inaboresha hesabu kwa mfano maalum wa vifaa: fotoniki ya silikoni. Algoriti imepangwa ili kutekeleza kazi kwa ufanisi ihitaji kichakataji- kisaidizi cha mwanga, na kufanya vifaa vya jumla (kama ASIC au GPU) visiwe na ushindani kiuchumi.

3.2 Vifaa: Vichakataji-Visaidizi vya Fotoniki vya Silikoni

Algoriti hii inatumia maendeleo katika fotoniki ya silikoni—mikunjo iliyojumuishwa ambayo hutumia fotoni (mwanga) badala ya elektroni kwa hesabu. Vichakataji-visaidizi hivi, vilivyoanzishwa hivi karibuni kwa ajili ya ujifunzaji wa kina wenye nishati ndogo, hutoa ufanisi bora wa nishati kwa shughuli maalum za aljebra ya mstari. Fumbo la usimbaji fiche la oPoW limeundwa ili kuendana kwa ufanisi na shughuli hizi za mwanga.

4. Faida na Athari Inayoweza Kutokea

• Uhifadhi wa Nishati: Inapunguza sana matumizi ya umeme katika uchimbaji.
• Uboreshaji wa Kutawaliwa na Watu Wengi: Uchimbaji hauhusiani tena na gharama ya chini sana ya umeme, na kuwezesha kuenea kijiografia na kuongezeka kwa ukinzani wa ukandamizaji.
• Uimarishaji wa Utulivu wa Mtandao: Kwa CAPEX ikitawala, kiwango cha hashrate hupunguza usikivu wake kwa mabadiliko ya bei ya sarafu kwa muda mfupi, na kusababisha bajeti thabiti zaidi ya usalama.
• Utoaji wa Sarafu Unaowajumuisha Watu Wengi: Gharama za chini za kuendelea zinaweza kupunguza vikwazo vya kuingia kwa wachimbaji wadogo.

5. Maelezo ya Kiufundi na Msingi wa Hisabati

Karatasi inapendekeza kwamba oPoW inategemea matatizo ya hesabu ambayo kwa asili yanafanya kazi haraka kwenye vifaa vya mwanga. Mteule unaowezekana unahusisha shughuli za kurudia za matriki au mabadiliko ya mwanga ambayo ni ngumu kuiga kwa ufanisi kwenye vifaa vya elektroniki. Uthibitishaji unabaki kuwa rahisi, kama kukagua hash ya kawaida: $ ext{Thibitisha}( ext{suluhisho}) = ext{kweli}$ ikiwa $ ext{H}_{ ext{oPoW}}( ext{changamoto}, ext{suluhisho})$ inakidhi vigezo vya lengo. Kazi $ ext{H}_{ ext{oPoW}}$ imeundwa ili kuhesabiwa kwa ufanisi zaidi kwenye safu ya mfumo wa damu ya mwanga au mtandao wa kuingiliwa kwa mwanga.

6. Kielelezo cha Awali na Matokeo ya Majaribio

Karatasi inarejelea kielelezo cha awali (Kielelezo 1). Ingawa vipimo maalum vya utendaji havijaelezwa kwa kina katika dondoo lililotolewa, maana ni kwamba chipi ya mwanga ya silikoni inaweza kuhesabu kazi ya oPoW. Madai muhimu ya majaribio ni uthibitisho wa usahihi wa kazi na faida kubwa ya utendaji-kwa-wati ikilinganishwa na ASIC za elektroniki kwa hesabu iliyoboreshwa. Matokeo yangekusudia kuonyesha kwamba nishati kwa kila hash imepungua sana, na kuthibitisha nadharia kuu ya kubadilisha gharama kutoka OPEX kwenda CAPEX.

Maelezo ya Chati (Yaliyodokezwa): Chati ya mipango inayolinganisha Nishati kwa kila Hash (Joules) kwa ASIC za SHA256 dhidi ya Kichakataji cha Mwanga cha oPoW. Mstari wa oPoW ungekuwa mfupi kwa kiwango kikubwa, na kuonyesha wazi faida ya ufanisi wa nishati.

7. Mfumo wa Uchambuzi: Mfano wa Kesi Bila Msimbo

Kesi: Kutathmini Pendekezo la Kugawanyika kwenda kwenye oPoW. Mchambuzi anayetathmini sarafu ya dijitali inayozingatia kugawanyika kwa oPoW angechunguza:

1. Mabadiliko ya Kiuchumi: Kuiga uchumi mpya wa wachimbaji. Je, CAPEX ya kichimbaji cha mwanga ni nini? Je, maisha yake na thamani iliyobaki ni nini? Je, faida inalinganishaje na uchimbaji wa kawaida katika mizunguko ya bei ya sarafu?
2. Mpito wa Usalama: Chambua kipindi cha mpito wa kiwango cha hashrate. Je, mtandao ungekuwa katika hatari wakati wa kubadilisha kutoka kwa wachimbaji wa elektroniki kwenda kwa wale wa mwanga? Je, algoriti ya ugumu imebadilishwaje?
3. Mnyororo wa Usambazaji na Uzalishaji: Tathmini hatari ya kuhamia katikati katika utengenezaji wa chipi za mwanga (kwa mfano, kutegemea viwanda vichache vya semiconductor). Je, vifaa vinaweza kuuzwa kwa urahisi vya kutosha?
4. Ugumu wa Algoriti: Tathmini ikiwa algoriti ya oPoW imepewa umakini mkubwa sana hivi kwamba haiwezi kubadilishwa kwa urahisi ikiwa udhaifu utapatikana, tofauti na kazi za usimbaji fiche za hash ambazo zimechunguzwa sana.

8. Matumizi ya Baadaye na Ramani ya Maendeleo

• Sarafu Mpya za Dijitali: Matumizi ya msingi ni katika muundo wa mnyororo mpya wa vitalu wenye nishati endelevu.
• Kugawanyika kwa Mnyororo Ulioanzishwa: Uwezekano wa sarafu zilizokua (kwa mfano, kugawanyika kwa Bitcoin) kukubali oPoW ili kukabiliana na ukosoaji wa kimazingira.
• Mipango ya Uthibitishaji wa Kazi ya Mchanganyiko: Kuchanganya oPoW na njia zingine (kwa mfano, vipengele vya Uthibitishaji wa Hisa) kwa usalama wa tabaka.
• Mageuzi ya Vifaa: Inachochea Utafiti na Uendelezaji katika majukwaa ya kawaida ya vichakataji-visaidizi vya mwanga yanayopatikana, sawa na mageuzi ya GPU na ASIC katika uchimbaji wa kawaida.
• Kinga dhidi ya Udanganyifu wa Kijani: Inaweza kuwa teknolojia muhimu kwa sarafu za dijitali kufuata au kuzuia kanuni zinazolenga nishati.

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. Miller, D. A. B. (2017). Attojoule Optoelectronics for Low-Energy Information Processing and Communications. Journal of Lightwave Technology.
5. Zhu, X., et al. (2022). Photonic Matrix Processing for Machine Learning. Nature Photonics.

10. Mtazamo wa Mchambuzi

Uelewa wa Msingi: oPoW sio marekebisho ya ufanisi tu; ni upangaji upya wa msingi wa usalama wa kiuchumi-kriptografia. Waandishi wametambua kwa usahihi kwamba usalama wa PoW unatokana na gharama ya kiuchumi, sio gharama ya nishati. Jaribio lao la kutenganisha hizo mbili kwa kuzingatia gharama katika CAPEX maalum ya mwanga ni mwelekeo wa ujasiri na unaohitajika kwa uendelevu wa mnyororo wa vitalu usio na ruhusa. Inashambulia moja kwa moja ndoto mbaya zaidi za uhusiano wa umma na uwezo wa kupanuka wa sarafu za dijitali kama Bitcoin.

Mtiririko wa Mantiki: Hoja inavutia: 1) Kutegemea nishati kwa PoW wa kawaida ni dosari mbaya kwa kupitishwa kwa wingi. 2) Kipengele cha msingi cha usalama ni gharama ya kiuchumi, sio joules. 3) Fotoniki ya silikoni inatoa njia ya kupata faida kubwa za ufanisi kwa hesabu maalum. 4) Kwa hivyo, unda algoriti ya PoW ambayo ni bora kwa fotoniki. Mantiki ni sahihi, lakini ugumu uko katika maelezo ya kiufundi na kiuchumi ya utekelezaji ambayo hayajaelezwa kikamilifu katika muhtasari.

Nguvu na Udhaifu: Nguvu yake ni njia yake ya kuona mbali kuhusu tatizo muhimu, ikitiliwa mkazo na mwelekeo halisi wa vifaa (fotoniki ya silikoni kwa AI). Ina uwezo wa kubadilisha ramani ya kisiasa ya uchimbaji. Udhaifu ni mkubwa: Kwanza, ina hatari ya kuchukua nafasi ya kuhamia katikati kwa nishati na kuhamia katikati kwa utengenezaji wa vifaa. Kutengeneza IC za hali ya juu za mwanga kunaweza kusemwa kuwa kimehamia katikati zaidi kuliko kupata umeme wa bei nafuu. Nani anadhibiti kiwanda? Pili, inajenga urahisi wa algoriti. SHA256 imejaribiwa katika vita. Algoriti mpya, iliyoboreshwa kwa vifaa, ni eneo dogo la shambulio ambalo linaweza kuwa na udhaifu usiotarajiwa, hofu inayorudiwa katika jamii pana ya usalama wakati wa kutathmini vipengele vipya vya usimbaji fiche. Tatu, mfano wa kiuchumi haujajaribiwa. Je, uchimbaji wenye CAPEX nzima utakuwa wa kutawaliwa na watu wengi na thabiti zaidi, au utapendelea tu aina tofauti ya taasisi yenye mtaji mwingi?

Uelewa Unaoweza Kutekelezwa: Kwa wawekezaji na wasanidi programu, hii ni njia ya utafiti yenye hatari kubwa na malipo makubwa. Fuata kwa karibu tasnia ya fotoniki—kampuni kama Lightmatter, Luminous, au Idara ya Fotoniki ya Silikoni ya Intel. Maendeleo yao katika kufanya hesabu za mwanga kuwa rahisi kuuzwa ni kiashiria cha kuongoza kwa uwezekano wa oPoW. Chunguza maelezo ya kwanza kamili ya kiufundi ya algoriti ya oPoW kwa usahihi wake wa usimbaji fiche na ukinzani wake dhidi ya uigaji kwenye vifaa vya elektroniki. Kwa miradi iliyopo, zingatia mfano wa mchanganyiko kama hatua ya mpito. Mwishowe, utafiti huu unapaswa kuchochea uvumbuzi sawa: ikiwa lengo ni usalama unaotegemea CAPEX, ni mifano gani mingine ya vifaa (kwa mfano, hesabu za analog, safu za memristor) inaweza kutumika? Uwanja lazima uchunguze njia nyingi zaidi zaidi ya fotoniki ili kuepuka kubadilisha utegemezi mmoja na mwingine.