Senarai Kandungan
1. Pengenalan
Teknologi Blockchain telah merevolusi sistem terdesentralisasi melalui seni bina lejar yang tidak berubah, tetapi penggunaan tenaga yang dikaitkan dengan mekanisme Proof-of-Work (PoW) tradisional semakin menjadi masalah. Operasi perlombongan mata wang kripto semasa menggunakan sumber pengkomputeran yang besar sambil menghasilkan hasil yang hanya berfungsi untuk mengesahkan blok, mewakili pembaziran kuasa pengkomputeran potensi yang ketara.
Persoalan penyelidikan asas yang ditangani dalam kertas kerja ini ialah sama ada PoW boleh digunakan semula untuk pengiraan saintifik yang bermakna sambil mengekalkan sifat keselamatan blockchain. Tidak seperti pendekatan sedia ada seperti Gridcoin dan CureCoin yang memberi ganjaran kepada sumbangan pengkomputeran luaran, penyelidikan ini mencadangkan pengintegrasian masalah saintifik secara langsung ke dalam mekanisme PoW itu sendiri.
Penggunaan Tenaga
Perlombongan Bitcoin menggunakan ~150 TWh setahun, setanding dengan negara bersaiz sederhana
Pembaziran Pengiraan
PoW tradisional menghasilkan keputusan yang selamat secara kriptografi tetapi tidak berguna dari segi saintifik
Kesan Potensi
Pengalihan kuasa perlombongan boleh menyelesaikan masalah saintifik kompleks sebagai hasil sampingan
2. Asas-Asas Proof-of-Work
2.1 Traditional PoW Mechanism
PoW rantaian blok tradisional, seperti yang dilaksanakan dalam Bitcoin, memerlukan pelombong mencari nilai nonce supaya hash kriptografi pengepala blok memenuhi kriteria kesukaran tertentu. Algoritma perlombongan boleh diwakili sebagai:
Find $nonce$ such that $SHA256(prev\_block\_hash + transaction\_hash + nonce) < target$
Di mana $target$ ialah nilai pelarasan dinamik yang mengawal kesukaran perlombongan. Proses ini memastikan keselamatan rantaian blok melalui perbelanjaan pengiraan tetapi tidak menghasilkan output saintifik yang bermakna.
2.2 Limitations of Hash-Based PoW
PoW berasaskan hash tradisional mempunyai beberapa batasan kritikal:
- Penggunaan tenaga melampau tanpa hasil produktif
- Perkakasan khusus (ASIC) mencipta tekanan pemusatan
- Ketidakupayaan untuk memanfaatkan kerja pengiraan bagi manfaat saintifik yang lebih luas
- Kebimbangan alam sekitar akibat penggunaan elektrik yang besar
3. Kerangka Bukti Kerja Saintifik
3.1 Keperluan Reka Bentuk
The proposed scientific PoW must satisfy four critical requirements derived from traditional PoW properties:
- Kesukaran Pengiraan: Masalah tersebut mesti cukup sukar untuk diselesaikan bagi mengekalkan keselamatan
- Pengesahan MudahPenyelesaian mesti boleh disahkan dengan mudah oleh peserta rangkaian
- Keupayaan IntegrasiMaklumat blok mesti dimasukkan untuk mengelakkan pengiraan awal
- Kesukaran Boleh Laras: Kerumitan masalah mesti boleh dilaras secara dinamik
3.2 Rumusan Matematik
Kajian ini mencadangkan penggantian pengiraan hash dengan masalah pengoptimuman tak linear berdimensi tinggi. Bagi Traveling Salesman Problem (TSP), fungsi objektif boleh dirumuskan sebagai:
Minimalkan $f(\pi) = \sum_{i=1}^{n-1} d_{\pi(i),\pi(i+1)} + d_{\pi(n),\pi(1)}$
Di mana $\pi$ mewakili pilihatur bandar, $d_{i,j}$ ialah jarak antara bandar $i$ dan $j$, dan $n$ ialah jumlah bilangan bandar. PoW memerlukan pencarian pilihatur yang meminimumkan jumlah jarak perjalanan di bawah ambang yang diselaraskan secara dinamik.
4. Keputusan Eksperimen
4.1 TSP Problem Setup
Simulasi melibatkan tiga pelombong yang bersaing untuk menyelesaikan contoh TSP 50-bandar. Setiap pelombong menggunakan strategi pengoptimuman yang berbeza:
- Pelombong melaksanakan algoritma genetik dengan saiz populasi yang berbeza-beza
- Ambang kesukaran diselaraskan berdasarkan penyertaan rangkaian
- Maklumat blok digabungkan sebagai kekangan dalam pengoptimuman
4.2 Mining Simulation
Keputusan eksperimen menunjukkan bahawa:
- Pelombong berjaya mencari penyelesaian TSP yang sah memenuhi kriteria PoW
- Rantaian blok mengekalkan ciri keselamatan melalui kerja pengiraan
- Penyelesaian TSP yang semakin baik muncul melalui pertandingan perlombongan
- Kualiti penyelesaian bertambah baik dari semasa ke semasa apabila pelombong menambah baik pendekatan mereka
Figure 1: TSP Solution Convergence
Simulasi menunjukkan tiga pelombong menumpu ke arah laluan TSP optimum merentasi berbilang blok. Pelombong 1 mencapai penyelesaian terbaik dengan pengurangan jumlah jarak sebanyak 23% daripada laluan rawak awal, membuktikan keberkesanan pengoptimuman kompetitif.
5. Pelaksanaan Teknikal
5.1 Reka Bentuk Algoritma
Algoritma saintifik PoW mengintegrasikan maklumat khusus blok ke dalam masalah pengoptimuman. Hash transaksi dan hash blok sebelumnya digunakan untuk menjana kekangan masalah atau keadaan awal, menghalang serangan pra-pengiraan sambil memastikan setiap percubaan PoW adalah unik kepada blok semasa.
5.2 Contoh Kod
Walaupun kertas kerja tidak termasuk pelaksanaan kod khusus, proses saintifik PoW boleh diwakili melalui kod pseudo ini:
function scientific_pow(prev_block_hash, transactions, difficulty_target):
# Generate optimization problem from block data
problem = generate_problem(prev_block_hash, transactions)
# Set difficulty parameters
threshold = calculate_threshold(difficulty_target)
# Search for solution
while not solution_found:
candidate_solution = optimization_step(problem)
solution_quality = evaluate(candidate_solution)
if solution_quality < threshold:
return candidate_solution
return None
function validate_pow(block, candidate_solution):
# Quick verification of solution quality
problem = reconstruct_problem(block)
return evaluate(candidate_solution) < block.difficulty_threshold
6. Aplikasi Masa Depan
Rangka kerja saintifik PoW mempunyai aplikasi luas melangkaui pengoptimuman TSP:
- Penemuan Ubat: Simulasi pelipatan protein dan masalah pendokan molekul
- Pemodelan Iklim: Pengoptimuman parameter simulasi iklim kompleks
- Sains BahanRamalan Struktur Kristal dan Pengoptimuman Sifat Bahan
- Pemodelan KewanganPengoptimuman Portfolio dan Masalah Analisis Risiko
- Pembelajaran Mesin: Neural architecture search and hyperparameter optimization
The approach could transform blockchain from an energy-intensive system into a distributed supercomputer solving meaningful scientific challenges.
7. Rujukan
- Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System
- Buterin, V. (2014). Ethereum: A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform
- Gridcoin: Sistem Ganjaran Pengiraan untuk BOINC
- CureCoin: Mata Wang Kripto Pelipatan Protein
- Miller, A. et al. (2017). Nonoutsourceable Scratch-Off Puzzles to Discourage Bitcoin Mining Coalitions
- Ball, M. et al. (2017). Proofs of Useful Work
- Zhu et al. (2017). Unsupervised Representation Learning with Deep Convolutional Generative Adversarial Networks
8. Critical Analysis
Tepat pada sasarannya
This paper delivers a conceptually brilliant but practically naive solution to blockchain's energy problem. The core insight—repurposing wasted computational cycles for scientific benefit—is intellectually compelling, but the implementation challenges are severely underestimated. The authors essentially propose turning the entire cryptocurrency mining ecosystem into a voluntary distributed supercomputer, ignoring the fundamental economic incentives that drive mining behavior.
Rantaian logik
Perkembangan logik adalah kukuh tetapi tidak lengkap: PoW tradisional membazirkan tenaga → Masalah saintifik memerlukan pengiraan → Gabungkan kedua-duanya untuk manfaat bersama. Walau bagaimanapun, rantaian ini putus pada persimpangan kritikal. Seperti pendekatan revolusioner CycleGAN dalam terjemahan imej tidak berpasangan (Zhu et al., 2017) yang mencipta kemungkinan baharu dalam penglihatan komputer, kajian ini mengenal pasti peluang transformatif tetapi kekurangan kecanggihan seni bina untuk melaksanakannya. Pautan yang hilang ialah model ekonomi yang kukuh yang menyelaraskan insentif pelombong dengan kemajuan saintifik, bukan hanya ganjaran token.
Sorotan dan Kelemahan
Sorotan: The mathematical formulation for integrating TSP into PoW is elegant and demonstrates genuine innovation. The adjustable difficulty mechanism shows sophisticated understanding of blockchain dynamics. The experimental validation with multiple miners provides concrete evidence of feasibility.
Kelemahan: The paper severely underestimates verification complexity. While hash verification is trivial, validating TSP solution optimality is computationally intensive—undermining a core PoW requirement. The approach also assumes scientific problems can be neatly partitioned into block-sized chunks, which ignores the interconnected nature of most meaningful research problems. Unlike established distributed computing projects like Folding@home that carefully design work units, this framework offers no methodology for problem decomposition.
Implikasi Tindakan
Untuk penyelidik: Tumpukan pada teknik pengesahan ringan untuk masalah pengoptimuman—mungkin melalui pemeriksaan kebarangkalian atau bukti tanpa pengetahuan. Untuk pemaju: Bina sistem hibrid yang menggabungkan PoW tradisional untuk keselamatan dengan pengiraan saintifik untuk ganjaran tambahan. Untuk pelabur: Pantau projek yang berjaya merapatkan jurang insentif antara perlombongan kriptowang dan penciptaan nilai saintifik. Kejayaan sebenar bukan hanya datang dari kebolehlaksanaan teknikal, tetapi dari model ekonomi yang menjadikan perlombongan saintifik lebih menguntungkan daripada pendekatan tradisional.
Arah penyelidikan ini mempunyai potensi monumental—bayangkan jika 10% daripada kuasa pengiraan Bitcoin dialihkan kepada pelipatan protein atau pemodelan iklim. Tetapi mencapainya memerlukan penyelesaian masalah penjajaran insentif terlebih dahulu. Kerangka teknikal yang dibentangkan di sini merupakan langkah pertama yang menjanjikan, tetapi kerja lebih sukar dalam reka bentuk ekonomi dan tadbir urus masih tinggal.