ASIC终结者: X16R算法的异军突起

洪福川 2018-10-26 19:38

在加密数字货币挖矿行业中,ASIC矿机占据着最主要的角色。每一个通证的设计者都必须考虑一个问题,防不防ASIC矿机,如何去防。通证和ASIC矿机也未必就是敌人,只要设计得足够合理,循序渐进的发展,适当的时候有ASIC矿机介入也未必是一件坏事。


作者 | 洪福川

编辑 | 孟江东

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算法发展史

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。

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。

2008年之后,Peer-to-Peer技术、PoW和加密算法被应用于Bitcoin。

Bitcoin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。

SHA-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。

SHA-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。

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。

ASIC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。

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。

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。

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)。

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。

Ethereum算力变化图

Ethash算法没有阻挡ASIC矿机的出现,只是拖延了出现的时间。

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。

Litecoin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。

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。

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。

算法的进化和变革的一个主要原因是抵制ASIC矿机的出现。

ASIC矿机对整个生态存在的缺点如下:

1、容易变成寡头之间的算力游戏,有发生算力攻击的风险。

2、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。)

3、消耗大量的资源,用途较为单一。

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。

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。

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。

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目前为止, 适合个人参与挖掘的算法


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。

X16R算法是继X11、X13、X15、X17之后的一种变形算法。

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。

X16R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。

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。

改变顺序和固定顺序之间的区别有多大?

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%。

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。

X16R增加了两个不确定性:

1、算法顺序的不确定性。

2、算法出现频率的不确定性。

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。

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-19

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

......

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-6

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。

X16R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。

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。

什么情况下会产生专门针对X16R的ASIC矿机?

1、通证的价格足够高,有足够的利润吸引厂商去进行研发。

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。

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。

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。

X16R绝对不会是最后一个阻挡ASIC矿机的算法。