MIT技术评论：光子芯片能“拯救”比特币吗？

加密货币对能源的渴求是出了名的，尤其是基于工作量证明的区块链(比特币)。问题是，比特币的价格难以覆盖能耗成本，使挖矿集中在某些国家和地区，这将导致监管更容易介入比特币区块链。

所以一些研究人员说，加密货币的“出路”在于一种更节能的计算方式。是这样吗?

光子芯片(Photonic Chips)是一个被收录于arXiv的新兴技术。麻省理工学院今年曾报道这种新颖的“光子”芯片，该芯片使用光代替电，并且在此过程中消耗的功率相对较小。在处理大规模神经网络时，该芯片的效率比当今的经典计算机高出数百万倍。

2017年底比特币泡沫破裂时，这种加密货币的价格在短短几天内从1.7万美元跌至不到7000美元。铺天盖地的新闻称，加密货币繁荣突然结束。

但随着比特币价值的下跌，奇怪的事情发生了。比特币挖矿速度急剧上升。原因何在?尽管比特币的价值下降了，但它的挖矿仍然非常有利可图。换句话说，挖矿的成本——硬件价格加上运行它的能源价格——仍然低于它所生产的加密货币的价值。

挖矿的繁荣持续了将近一年。然后在2018年11月，比特币的价值再次大幅下跌，从大约6500美元跌至不足3500美元。

这破坏了许多矿工的工作。顷刻间，比特币不再有足够的价值来支付挖矿成本，许多矿场被迫关闭。在加密货币的历史上，这是挖矿算力首次大幅下降，从60EH/s的哈希率降至35 EH/s。

当然，影响是显著的。在此之前，挖矿节点分布在世界各个角落，使得单个国家或地区无法对比特币区块链施加不当影响。现在，只有在能源足够便宜、能够盈利的地方——主要是在中国西部——挖矿才有可能。而中国正在加强对加密货币的审查，关闭交易所，禁止各种活动。

这就对比特币的生存构成了威胁。从那时起，加密货币专家一直在努力寻求解决方案。

根本问题在于比特币的挖矿——碰撞哈希产生的计算成本是昂贵的，这在区块链设计之初就定下了，以确保链上安全。但挖矿计算是能源密集型的，随着越来越多人加入挖矿，能量消耗随之大幅增加。

据估计，比特币挖矿目前每年消耗超过75太瓦时(头等仓注：太瓦时即TWH，1太瓦时等于10亿度电)，超过奥地利本国的全部电力消耗。这是不可持续的。比特币挖矿若要存续下去，迫切需要一种新的挖矿方式。

非营利组织PoWx的Michael Dubrovsky、纽约哥伦比亚大学的Marshall Ball，以及法国Paris Saclay大学的Bogdan Penkovsk，共同提出了一种“保护”比特币的新方法，该方法在计算上昂贵，但能源效率更高。他们说，至关重要的是，它也与当前的加密系统兼容，因此在将来的比特币迭代中应该也能兼容。

与使用传统计算机去碰撞哈希不同的是，他们提出使用光学计算机(optical computers)。他们认为，光学计算机显著减少了对能源的依赖，从而将从根本上解决比特币挖矿的能源瓶颈。他们是对的吗?

比特币区块链是一个去中心化的账本，记录了所有与这种货币相关的交易。这确保了没有单独的实体控制货币。关键是，账本必须是安全的，这样每个人都可以信任它的内容。这种安全性是通过定期加密分类账来实现的，这样就不能更改分类账的内容。

但是，加密过程必须具有特殊的属性。账本的加密过程必须很复杂，但一旦加密，又必须易于检查。事实证明，有一组被称为单项陷门函数(trapdoor functions)的数学对象恰好具有这个属性。事实上，它们已经被广泛用于加密从个人信息到信用卡交易的所有事情。

小科普：单向陷门函数包含两个明显特征：一是单向性，二是存在陷门。所谓单向性，也称不可逆性，即对于一个函数y=f(x)，若已知x要计算出y很容易，但是已知y要计算出x=f ^(-1) (y)则很困难。单向函数的命名就是源于其只有一个方向能够计算。所谓陷门，也被称为后门。对于单向函数，若存在一个z使得知道z则可以很容易地计算出x=f ^(-1) (y)，而不知道z则无法计算出x=f ^(-1) (y)，则称函数y=f(x)为单向陷门函数，而z称为陷门。(百度百科)

这种形式的加密在计算上是昂贵的——它需要运行成本高昂的计算力强大的计算机。因此，比特币还有一个成功的关键特征。任何执行加密过程的人(即参与工作量证明PoW挖矿的矿工)都会得到新的比特币作为奖励。

这就是为什么该过程称为“挖矿”的原因。随着比特币价值的增加，挖矿的受欢迎程度也增加了。但计算是高能耗的。因此，矿工们一直在寻找各种降低成本的方法：一种发展是引入了专用集成电路-ASIC芯片-专门针对比特币挖矿的目的进行了优化。另一个是寻找廉价的能源。

上文Dubrovksy和他的同事提到的光学计算某种程度上将打破僵局。该灵感来自于近年来光子芯片的飞速发展，这些光子芯片的计算效率远高于硅芯片。他们表示：

“这项技术承诺，与电子处理器相比，能提供2-3个数量级的能源效率优化。”

为此，该团队提出了一种改进的加密协议，称为HeavyHash，该协议针对光子芯片进行了优化。这意味着只有采用光子处理器进行数字运算才能获得最佳结果，从而挖矿过程变成了“光学工作量证明”。

这种“光学工作量证明”(optical proof of work)鼓励采用光子芯片，大大减少比特币原本的能耗成本。研究人员说：

“光学工作量证明的实施将有助于加快节能型光子协处理器(co-processors)的开发。”

当能源成本不再是主要考虑因素时，硬件成本将主导计算。这将确保矿工可以在全球各地而不是仅在能源便宜的地区盈利。

至少，理论上可行。问题在于光子芯片的功率效率尚未明确。例如，光开关通过改变折射率来工作，目前这是通过小型加热器来完成的。硅光子电路的变化也很小，必须用微型加热器进行补偿。

但这些加热器以难以预料的方式大大增加了芯片的功率预算。实际上，Dubrovksy和他的同事们并没有明确测算出随着比特币规模的增长可能(或不可能)实现的节能效果，所以目前还很难评估他们所说的“光学工作量证明”的效力。

研究人员也没有显示出“光学工作量证明”将如何解决与电力成本区域差异相关的问题。将来，所有矿工的硬件成本将与现在相同。因此，从长远来看，最大化利润的最佳方法仍然是寻找廉价的能源。

这与比特币当前面临的问题没有什么不同。这就是为什么我们很难不得出这样的结论：这种形式的节能计算只是推迟了不可避免的结果。