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ASIC终结者:X16R算法的异军突起

小饱1
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算法发展史
. p' v- @5 f7 h共识算法可能是区块链挖矿行业最为重要的核心,其中又以PoW为主。Proof of Work简称为PoW(工作量证明),用于证明你在某时间内完成的工作量。
: |( ]5 s, r9 }6 |& ~这一概念最早被Cynthia Dwork和Moni Naor于1992年写在如何处理打击垃圾邮件的论文上。
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2008年之后,Peer-to-Peer技术、PoW和加密算法被应用于Bitcoin。
  w3 a2 g% f3 t% ~. g8 bBitcoin采用的SHA-256算法属于SHA-2(Secure Hash Algorithm 2,安全散列算法2),由美国国家安全局研发。
+ A1 z) l/ {$ X* USHA-2安全吗?就目前来看是安全的,并且短期内哈希计算速度没有发生大幅度提升的趋势。
9 K- D1 u' o. t8 l/ vSHA-2的前身是SHA-1,目前想要破解一次SHA-1的成本大约在70万美元(可能更低)。破解需要进行的计算总量约为900万兆(9,223,372,036,854,775,808),5Ghz的CPU每秒计算速度约为20亿次。相当于使用CPU得花费150年才能破解SHA-1,足以说明破解难度之高。
4 A  W: d0 Z' U8 x9 Z/ \SHA-2虽难以破解,但是其本身计算方式单一,只要加快哈希值计算便可以提高BTC开采的速度。ASIC矿机就是为了高效计算哈希值而生。
) H% Q- g4 W4 u" T+ CASIC矿机的出现使社区产生了分歧,分歧点在于是否符合PoW这一理念以及对于每一个用户是否平等。
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% j9 i# \* L* h目前多个主流加密数字货币分别采用不同的算法或者共识去反抗ASIC矿机的出现。主要分为两种方式,一是共识机制的改革,二是通过更改算法规则。
; i. W/ c7 c: b2 e" i  a现行的共识机制下,公链上主要以PoW和PoS(Proof-of-Stake,股权证明)两种存在。
5 K& ^, s; x7 l二者皆有利弊,使用PoW便意味着消耗大量的能源去进行计算,并且理论上存在着算力攻击的风险,相对来说安全性较高;PoS缺少工作过程证明,也存在利益分配和贿选问题。而Ethereum试图采用PoW+PoS混合制的形式,就是为了改善现有共识来抵御ASIC的影响。其目前的状况是使用PoW共识,试图转至PoS,但没有推出一个完美的过渡机制(依旧使用PoW)。* G' e$ D( y0 S( v( H0 k
Ethereum使用了Ethash算法,前身为Dagger算法(Vitailk发明),其目的是为了抵制ASIC矿机。如何抵制ASIC矿机呢?通过将挖矿和内存带宽相捆绑,即降低其他硬件的运算优势,从而达到挖矿设备平等这一理念。2 ?6 U0 o7 N9 b6 E# m

! i9 n1 ?" k' f$ o  X$ TEthereum算力变化图. ~2 l! o6 J/ m" w+ g# f
Ethash算法没有阻挡ASIC矿机的出现,只是拖延了出现的时间。' z2 G2 }: ~4 J
绑定内存带宽意味着可以通过提高内存带宽速度来提高算力,或者在相同内存带宽速度下降低功耗,只不过目前内存带宽价格过高以及ETH价格过低,从成本上考虑,ASIC矿机相较GPU来得不够划算。
5 k  v4 W( y+ c8 L( C& M9 TLitecoin使用的是密码学家兼程序员Colin Percival于2009年发表的论文Stronger Key Derivation via Sequential Memory-hard Functions上所发明的scrypt算法。原理和Ethash较为相似,都是提高挖矿时内存的使用成本,延缓ASIC矿机的出现。1 z3 R6 c4 j" S0 P3 `! b  }+ y& i
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2014年,Zeusminer研发出了专门针对scrypt算法的ASIC矿机。这也说明通过绑定某一硬件(如内存)从而抬高挖取的使用成本是没有办法完全杜绝ASIC矿机。
' D2 x, O% V" a除了以上的算法外,还有Dash使用的X11算法,Zcash使用的Equihash算法,Bytecoin使用的CryptoNote算法等等。& G! m! R/ e2 s, O1 L( A
算法的进化和变革的一个主要原因是抵制ASIC矿机的出现。
" ]# D. p9 P1 }3 h) O' g+ ?ASIC矿机对整个生态存在的缺点如下:
1 i: `. t6 {  K( G: T# z/ `1、容易变成寡头之间的算力游戏,有发生算力攻击的风险。
% F& V7 ~$ ]8 N2、挖矿设备不平等,算力过于集中。(也有观点认为设备不平等是客观存在的,ASIC矿机的研发和使用都投入了人力物力,不应该过分抵制。)$ t9 d6 H# U" B: f8 k
3、消耗大量的资源,用途较为单一。
% i  u. B' C5 `; \# \  w如果以Bitcoin为例,ASIC矿机并非全是缺点,反而支撑起了BTC的价格。
+ w4 `& p, Q) G5 d! \0 @中本聪曾在回复用户的邮件中写道,“it would be left more and more to specialists with server farms of specialized hardware”。如ASIC一类的专门用于挖矿的硬件(specialized hardware)会在未来出现早已被中本聪考虑到了。
$ F% [( A9 w$ v! e& H% x那么,那些为了抵制ASIC矿机的而设计发明出来的算法存在的意义呢?给予普通用户将过剩资源利用起来的入场券。- H6 t" T$ y  ^" t2 p
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7 u6 s" L9 E* @' d; w6 t目前为止, 适合个人参与挖掘的算法# X3 y" I$ Q3 V# @$ b" a( i: l/ F- Y

2 \2 g, }- [3 ]2 u最近,Binance上一个新上的通证引起了大家的注意,尤其是采用的X16R算法。
: k  R. V+ b5 a  zX16R算法是继X11、X13、X15、X17之后的一种变形算法。+ e7 k. a0 r- A. M- W
X11算法指的是将11种固定的哈希算法串联使用,从而增大ASIC矿机的研发成本。X13算法则是将13种固定的哈希算法串联。然而单纯增加算法的数量和种类也只是延长ASIC矿机出现的速度。
4 f( P) W0 L4 s$ @* z/ u: pX16R算法则是不断打乱哈希算法的串联顺序,使得计算难度得到几何级的提升。" ?4 G2 r! R$ ~) Q. S
X16R算法选择了X15算法中经过验证的15种,外加SHA-512算法(属于SHA-2,和SHA-256结构相同)。但是16种算法不是采用固定排列,而是基于前一个区块的哈希值进行动态变化。! t! m) ^- }3 ]5 _1 B
改变顺序和固定顺序之间的区别有多大?) l7 z2 _; Q- p4 u4 @
使用ASIC矿机进行固定顺序的哈希算法可以使芯片利用率达到100%。ASIC矿机在乱序的哈希算法上,平均芯片利用率只有64.38%。
# P0 k1 N% `! ~- ^4 U% G6 h" S如X11算法,矿机研发企业只需要将11种哈希算法逐一研发对应的ASIC矿机,并进行固定顺序组合。如同车间一般,每一种哈希算法都由相应的ASIC矿机进行计算,往复循环。每个芯片都不会闲置,利用率可以达到满负荷。9 T+ m: w% r: f% X
X16R增加了两个不确定性:5 B  a& m1 m' J4 K
1、算法顺序的不确定性。
4 X9 @  J; {3 R9 m8 W. `/ T; y8 P2、算法出现频率的不确定性。. x+ ]- R& g# Z8 P. g/ D
每个区块会进行16次运算,这16次运算会出现什么哈希算法是无法确定。( `# p, _* l( Q( H
假设16次运算都是同一种算法,那么这样的概率是16/(16的16次方)=8.673617379884e-194 v  A! N* r7 V, |5 C1 p
假设16次运算出现了两种不同的算法,那么这样的概率为[16*15/2(从16种算法选两种)*2的16次方]/(16的16次方)=4.2632564145606e-13+ W) B# o! }) }+ \5 Q2 \0 D

6 B# d) w4 B0 }( ~3 n9 J假设16次运算出现了16种算法,那么出现这种情况的概率为16!/(16的16次方)=1.1342267125514e-68 G8 Q! Y1 s& D/ Y
通过加权平均计算,每个区块会涉及到10.3种函数。假设实现每种哈希计算的芯片面积相同,那么芯片利用率为10.3/16=64.38%。这也意味着即使使用ASIC矿机进行X16R计算将会造成至少35.62%的芯片浪费。: O8 W  `) T5 J, h

4 [8 `8 q1 a. zX16R还有一特点,由于每种哈希计算所需要的时间是不相同会导致出块时间不相同。在长时间上来看,出块时间会由于各个哈希函数的搭配而被平均。- c0 u' d5 L2 o# J& _! T" u
X16R具有如此多之前所不具备的特征,那么到底能不能防止ASIC矿机的产生呢?就现在来说,可以。( \: @3 v8 `9 ~, g! ?# h0 a8 X- Y" @
什么情况下会产生专门针对X16R的ASIC矿机?
! m) P3 @! _- N1、通证的价格足够高,有足够的利润吸引厂商去进行研发。5 k$ ]! g/ ~) c" G7 u
2、新技术的产生,算力功耗比得到大幅度的提升,拉开和GPU的算力优势。0 {) Q8 M+ Y/ t* T
不过,X16R目前能防止ASIC矿机却防不了FPGA矿机。当一个区块产生时,其哈希值的最后8个字节就确定了下一个区块所使用的哈希函数算法。FPGA矿机可以快速重新编程,为每一个哈希算法排好顺序,充分利用芯片资源,从而进行运算,但是其算力较为低下,和GPU相比优势不明显。( p6 @4 F7 X3 `3 E* x) Z
只要还有利可图、有人在乎设备平等,算法和ASIC矿机之间的较量就还会持续下去。
8 }) T% z. z# U  l4 q6 \7 S6 N& m, iX16R绝对不会是最后一个阻挡ASIC矿机的算法。
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