Yaliyomo
1. Utangulizi
Teknolojia ya Blockchain imebadilisha mfumo wa mifumo isiyo na kituo cha udhibiti kupitia usanifu wake wa daftari lisilobadilika, lakini matumizi ya nishati yanayohusishwa na mifumo ya jadi ya Uthibitisho wa Kazi (PoW) yamekuwa tatizo inayozidi kuongezeka. Shughuli za sasa za kuchimua sarafu za kidijitali hutumia rasilimali kubwa za kikokotoo huku zikitoa matokeo ambayo husaidia tu kuthibitisha vitalu, na hii inawakilisha upotevu mkubwa wa uwezo wa kikokotoo.
Swali la msingi la utafiti linalozingatiwa kwenye karatasi hii ni kama Uthibitisho wa Kazi unaweza kubadilishwa kwa madhumuni ya kikokotoo cha kisayansi chenye maana huku ukidumia sifa za usalama za blockchain. Tofauti na mbinu zilizopo kama vile Gridcoin na CureCoin ambazo hulipa malipo kwa michango ya kikokotoo ya nje, utafiti huu unapendekeza kuunganisha matatizo ya kisayansi moja kwa moja ndani ya mfumo wa Uthibitisho wa Kazi yenyewe.
Matumizi ya Nishati
Uchimbaji wa Bitcoin hutumia takriban TWh 150 kwa mwaka, sawa na nchi za ukubwa wa kati
Upotevu wa Kikokotoo
Uthibitisho wa Kazi wa jadi hutoa matokeo salama ya kriptografia lakini yasiyo na manufaa ya kisayansi
Uwezo wa Athari
Kuelekeza upya nguvu ya kuchimua kunaweza kutatua matatizo magumu ya kisayansi kama matokeo ya ziada
2. Misingi ya Uthibitisho wa Kazi
2.1 Mfumo wa Jadi wa Uthibitisho wa Kazi
Uthibitisho wa Kazi wa jadi wa blockchain, kama ulivyotekelezwa katika Bitcoin, unahitaji wachimbaji kupata thamani ya nonce ili hashi ya kriptografia ya kichwa cha kizuizi ikidhi vigezo maalum vya ugumu. Algoriti ya kuchimua inaweza kuwakilishwa kama:
Tafuta $nonce$ ili $SHA256(prev\_block\_hash + transaction\_hash + nonce) < target$
Ambapo $target$ ni thamani inayorekebishwa inayodhibiti ugumu wa kuchimua. Mchakato huu unahakikisha usalama wa blockchain kupitia matumizi ya kikokotoo lakini hautoi matokeo mazuri ya kisayansi.
2.2 Mipaka ya Uthibitisho wa Kazi Unaotumia Hashi
Uthibitisho wa Kazi wa jadi unaotumia hashi una changamoto kadhaa muhimu:
- Matumizi makubwa ya nishati bila matokeo mazuri
- Vifaa maalum (ASIC) vinavyosababisha misukumo ya katikati
- Kutoweza kutumia kazi ya kikokotoo kwa manufaa pana ya kisayansi
- Wasiwasi kuhusu mazingira kutokana na matumizi makubwa ya umeme
3. Mfumo wa Uthibitisho wa Kazi wa Kisayansi
3.1 Mahitaji ya Ubunifu
Uthibitisho wa Kazi wa kisayansi unaopendekezwa lazima ukidhi mahitaji manne muhimu yanayotokana na sifa za Uthibitisho wa Kazi wa jadi:
- Ugumu wa Kikokotoo: Tatizo lazima liwe gumu vya kutosha kutatua ili kudumisha usalama
- Uthibitishaji Rahisi: Suluhu lazima ziwe rahisi kuthibitishwa na washiriki wa mtandao
- Uwezo wa Uunganishaji: Taarifa za kizuizi lazima ziingizwe ili kuzuia ukokotoaji kabla ya wakati
- Ugumu Unaoweza Kubadilika: Ugumu wa tatizo lazima uwe unaoweza kubadilika
3.2 Uundaji wa Kihisabati
Utafiti huu unapendekeza kubadilisha ukokotoaji wa hashi kwa matatizo ya ukamilifu yenye viwango vikubwa, visivyo na mstari. Kwa Tatizo la Msafiri Abiria (TSP), kazi lengo inaweza kuundwa kama:
Punguza $f(\pi) = \sum_{i=1}^{n-1} d_{\pi(i),\pi(i+1)} + d_{\pi(n),\pi(1)}$
Ambapo $\pi$ inawakilisha mpangilio wa miji, $d_{i,j}$ ni umbali kati ya miji $i$ na $j$, na $n$ ni jumla ya idadi ya miji. Uthibitisho wa Kazi unahitaji kupata mpangilio ambao hupunguza jumla ya umbali wa usafiri chini ya kizingiti kinachorekebishwa.
4. Matokeo ya Majaribio
4.1 Usanidi wa Tatizo la Msafiri Abiria
Uigizaji ulihusisha wachimbaji watatu wanaoshindana kutatua mfano wa TSP wa miji 50. Kila mchimbaaji alitumia mikakati tofauti ya ukamilifu:
- Wachimbaji walitekeleza algoriti za maumbile zenye ukubwa tofauti wa idadi ya watu
- Kizingiti cha ugumu kilitengenezwa kulingana na ushiriki wa mtandao
- Taarifa za kizuizi ziliingizwa kama vikwazo katika ukamilifu
4.2 Uigizaji wa Uchimbaji
Matokeo ya majaribio yalionyesha kuwa:
- Wachimbaji walipata suluhu sahihi za TSP zilizokidhi vigezo vya Uthibitisho wa Kazi
- Blockchain ilidumia sifa za usalama kupitia kazi ya kikokotoa
- Suluhu bora zaidi za TSP zilitokea kupitia ushindani wa kuchimua
- Ubora wa suluhu uliboreshwa baada ya muda kadiri wachimbaji walivyoboresha mbinu zao
Kielelezo 1: Mkusanyiko wa Suluhu la TSP
Uigizaji ulionyesha wachimbaji watatu wakikaribia njia bora za TSP kwenye vitalu mbalimbali. Mchimbaaji 1 alipata suluhu bora zaidi na kupunguzwa kwa jumla ya umbali kwa asilimia 23 kutoka kwa njia za awali za nasibu, na hii inaonyesha ufanisi wa ukamilifu wa ushindani.
5. Utekelezaji wa Kiufundi
5.1 Ubunifu wa Algoriti
Algoriti ya Uthibitisho wa Kazi wa kisayansi inaunganisha taarifa maalum za kizuizi kwenye tatizo la ukamilifu. Hashi ya manunuzi na hashi ya kizuizi cha awali hutumiwa kutengeneza vikwazo vya tatizo au hali ya awali, na hii inazuia mashambulio ya ukokotoaji kabla ya wakati huku ikiihakikisha kila jaribio la Uthibitisho wa Kazi ni la kipekee kwa kizuizi cha sasa.
5.2 Mfano wa Msimbo
Ingawa karatasi hii haijumuisha utekelezaji maalum wa msimbo, mchakato wa Uthibitisho wa Kazi wa kisayansi unaweza kuwakilishwa kupitia msimbo bandia huu:
function scientific_pow(prev_block_hash, transactions, difficulty_target):
# Tengeneza tatizo la ukamilifu kutoka kwa data ya kizuizi
problem = generate_problem(prev_block_hash, transactions)
# Weka vigezo vya ugumu
threshold = calculate_threshold(difficulty_target)
# Tafuta suluhu
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):
# Uthibitishaji wa haraka wa ubora wa suluhu
problem = reconstruct_problem(block)
return evaluate(candidate_solution) < block.difficulty_threshold
6. Matumizi ya Baadaye
Mfumo wa Uthibitisho wa Kazi wa kisayansi una matumizi mapana zaidi ya ukamilifu wa TSP:
- Ugunduzi wa Dawa: Uigizaji wa kukunja protini na matatizo ya kushikamana kwa molekuli
- Uundaji wa Hali ya Hewa: Ukamilifu wa vigezo vya uigizaji changamano wa hali ya hewa
- Sayansi ya Nyenzo: Utabiri wa muundo wa fuwele na ukamilifu wa sifa za nyenzo
- Uundaji wa Kifedha: Ukamilifu wa mfuko wa uwekezaji na matatizo ya uchambuzi wa hatari
- Masomo ya Mashine: Utafutaji wa usanifu wa neva na ukamilifu wa vigezo vya juu
Mbinu hii inaweza kubadilisha blockchain kutoka mfumo unaotumia nishati nyingi kuwa kompyuta iliyosambazwa inayotatua changamoto muhimu za kisayansi.
7. Marejeo
- 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: Computational Reward System for BOINC
- CureCoin: Protein Folding Cryptocurrency
- 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. Uchambuzi Muhimu
Hoja ya Msingi
Karatasi hii inatoa suluhu yenye hekima ya dhana lakini isiyo na uzoefu wa vitendo kwa tatizo la nishati ya blockchain. Uelewa wa msingi—kubadilisha mizunguko ya kikokotoa iliyopotea kwa manufaa ya kisayansi—ni ya kuvutia kiakili, lakini changamoto za utekelezaji zimepunguzwa sana. Waandika kimsingi wanapendekeza kugeuza mfumo mzima wa uchimbaji wa sarafu za kidijitali kuwa kompyuta kubwa iliyosambazwa ya kujitolea, wakipuuza motisha za msingi za kiuchumi zinazochochea tabia ya kuchimua.
Mnyororo wa Mantiki
Maendeleo ya kimantiki yana mwendo mzuri lakini hayajakamilika: Uthibitisho wa Kazi wa jadi hupoteza nishati → Matatizo ya kisayansi yanahitaji kikokotoa → Yachaunganishe kwa manufaa ya pande zote. Hata hivyo, mnyororo huvunjika katika sehemu muhimu. Kama mbinu ya kigeuzi ya CycleGAN kwa tafsiri ya picha zisizo na jozi (Zhu et al., 2017) iliyounda fursa mpya katika utambuzi wa maono ya kompyuta, kazi hii inatambua fursa ya mageuzi lakini inakosa ustadi wa usanifu wa kuitekeleza. Kiungo kilichokosekana ni muundo imara wa kiuchumi unaolinganisha motisha za wachimbaji na maendeleo ya kisayansi, sio tu malipo ya ishara.
Vipengele Vyema na Vilivyodhoofika
Vipengele Vyema: Uundaji wa kihisabati wa kuunganisha TSP kwenye Uthibitisho wa Kazi ni mzuri na unaonyesha uvumbuzi wa kweli. Mfumo wa ugumu unaoweza kubadilika unaonyesha uelewa wa kina wa mienendo ya blockchain. Uthibitishaji wa majaribio na wachimbaji wengi hutoa ushahidi halisi wa uwezekano.
Vipengele Vilivyodhoofika: Karatasi hii inapunguza sana ugumu wa uthibitishaji. Wakati uthibitishaji wa hashi ni rahisi, kuthibitisha ubora wa suluhu la TSP ni mgumu wa kikokotoa—na hii inadhoofisha hitaji la msingi la Uthibitisho wa Kazi. Mbinu hii pia inachukulia kuwa matatizo ya kisayansi yanaweza kugawanyika kwa urahisi katika vitengo vya ukubwa wa kizuizi, na hii inapuuzia hali ya kuunganishwa kwa matatizo mengi muhimu ya utafiti. Tofauti na miradi imara ya kikokotoa iliyosambazwa kama Folding@home ambayo inabuni kwa uangalifu vitengo vya kazi, mfumo huu hauto njia yoyote ya mgawanyiko wa tatizo.
Msukumo wa Hatua
Kwa watafiti: Kulenga kuendeleza mbinu nyepesi za uthibitishaji kwa matatizo ya ukamilifu—labda kupitia ukaguzi wa uwezekano au uthibitisho wa kutokuwa na ujuzi. Kwa watengenezaji: Jenga mifumo mseto inayounganisha Uthibitisho wa Kazi wa jadi kwa usalama na kikokotoa cha kisayansi kwa malipo ya ziada. Kwa wawekezaji: Fuatilia miradi inayofanikiwa kuunganisha pengo la motisha kati ya uchimbaji wa sarafu za kidijitali na uundaji wa thamani ya kisayansi. Mafanikio makubwa hayatakuja kutokana na uwezekano wa kiufundi pekee, bali kutoka kwa miundo ya kiuchumi inayofanya uchimbaji wa kisayansi kuwa na faida zaidi kuliko mbinu za jadi.
Mwelekeo huu wa utafiti una uwezo mkubwa—fikiria kama hata asilimia 10 tu ya uwezo wa kikokotoa wa Bitcoin ungeelekezwa upya kwa kukunja protini au uundaji wa hali ya hewa. Lakini kufikia hili kunahitaji kutatua tatizo la usawa wa motisha kwanza. Mfumo wa kiufundi uliowasilishwa hapa ni hatua ya kwanza yenye ahadi, lakini kazi ngumu zaidi ya kubuni kiuchumi na utawaji bado ipo.