为什么X16R (Random) 可以抵抗ASIC

背景

加密货币使用的哈希算法的演进历史，大致是：从比特币（Bitcoin）的SHA256，到莱特币（Litecoin）的Scrypt，然后是以太坊（Ethereum）的Ethash，达世币（Dash）的X11，以及后来的X13，X15，X17。

X16R是这个演进过程中的下一代算法。

改变算法的目的是为了减小专用硬件对挖矿生态的影响。

比特币最初的设计是希望全世界各地的普通电脑进行挖矿。

随着比特币价值的增加，专为并行化处理设计的硬件开始显示出优势。

于是，挖矿进入GPU时代。

当挖矿的经济效益进一步提升后，使用可编程硬件在经济上变得可行，例如比CPU和GPU更有优势的现场可编程门阵列（FPGA）。

再下一步，便是制造专门为挖矿定制的芯片。

专用集成电路（ASIC）成为挖矿的主宰，使用其他技术的挖矿设备将变得不切合实际。

最终，随着设备的不断升级挖矿进入了更快和能效比更高的ASIC时代。

不幸的是，这种转变带来了挖矿中心化的问题。

虽然任何人都可以订购这些ASIC设备，但是地理位置上更靠近生产商的人可以享受到物流时间短的好处。电力是挖矿成本的重要部分，能够获得便宜的电力是非常重要的。

中国拥有大量ASIC矿机生产商，并且在某些省份可以获得廉价电力，这必将导致挖矿集中在这里。

对抗

减少ASIC矿机影响的一个解决方案是使用内存密集型的哈希算法。莱特币的Scrypt和ZCash使用的Equihash就是采用了这种思路。虽然有矿工使用ASIC矿机运算Scrypt，但相对于SHA256算法下ASIC对GPU的优势，这种优势并不大。目前还没有针对Equihash的ASIC矿机出现。

另一种方法是将多种哈希算法串联起来，一个哈希算法的输出将作为下一个哈希算法的输入。达世币（最早被称为DarkCoin），采用了这种思路，设计了X11算法。X11把11种哈希算法串联起来使用，来加大ASIC开发的难度。

这种方法一度阻止了ASIC的出现，但是，目前也有了多家厂商在生产X11算法的矿机。

与X11类似，一些其他币种使用了X13，X15，甚至是X17，X17串联了17种哈希算法。

固定顺序串联哈希算法的做法，依然可以设计出ASIC。串联更多的哈希算法，可以增加开发ASIC的难度。像X11一样，X13、X15、X17都是使用固定的哈希算法串联顺序，只是改变了哈希算法的数量和种类。

这类算法很可能越来越快的被突破，ASIC制造商只需要逐个实现每一种哈希算法，并根据需要组合它们。

曙光

X16R算法使用不断打乱哈希算法串联顺序的方法来解决这个问题。

X16R选用的哈希算法是X15中已经经过验证的15种，外加SHA512。但是16种哈希算法的串联顺序，是基于前一个区块的哈希值动态改变的。

这种动态改变顺序的做法，并不能使设计ASIC成为不可能。但是，这需要ASIC对额外的输入做更多适配。这些操作对CPU和GPU来说，可以轻松完成。动态改变顺序的做法也可以防止ASIC生产商通过简单的拓展X11和X15矿机的方法，生产出X16R矿机。

X16R的16种哈希算法的串联次序，由前一区块哈希值的最后8字节（十六进制表示的16位）决定。

涉及的哈希算法如下：

• 0=blake

• 1=bmw

• 2=groestl

• 3=jh

• 4=keccak

• 5=skein

• 6=luffa

• 7=cubehash

• 8=shavite

• 9=simd

• A=echo

• B=hamsi

• C=fugue

• D=shabal

• E=whirlpool

• F=sha512

例如：

前一区块的哈希值为：

0000000000000000007e8a29f052ac2870045ae3970270f97da00919b8e86287

最后8字节是：0x7da00919b8e86287

每一个十六进制位决定一种哈希算法，下一区块X16R的哈希算法排序为：

1. cubehash(7)

2. shabal(d)

3. echo(a)

4. blake(0)

5. blake(0)

6. simd(9)

7. bmw(1)

8. simd(9)

9. hamsi(b)

10. shavite(8)

11. whirlpool(e)

12. shavite(8)

13. luffa(6)

14. groestl(2)

15. shavite(8)

16. cubehash(7)

一些哈希算法比其他哈希算法需要更长的计算时间，如上表所示。

计算时间上的差异，将在挖掘区块时，通过算法的随机搭配而被平均。

启示

X16R算法的测试平台是渡鸦币（Ravencoin），渡鸦币在比特币发布九周年纪念日，即2018年1月3日启动。渡鸦币是X16R的参考实现，定义了哈希算法的数量、种类、顺序、以及前一区块中，用于决定哈希算法顺序所使用的字节。

在比特币的基础上，渡鸦币修改了发行规则、区块时间和PoW算法。

X16R的思路可以拓展到包括Scrypt、Equihash和其他ASIC抵抗算法，以确保允许任何人使用现成的空闲计算机挖矿。对每种加密货币来说，哈希算法的顺序、种类、数量都可以非常容易的改变，以阻止ASIC厂商像X11算法一样，设计出可以挖掘一类加密货币的矿机。

思考

为什么X16R这种动态改变哈希算法顺序的做法可以抵抗ASIC呢？

我们前面提到，X11这种靠堆算法数量的做法最终被ASIC攻克，因为只要币价足够高，厂商就会投入人力物力去把11种哈希算法逐个用ASIC实现，最后再组合起来。

运行过程中，每个哈希算法模块，可以流水线运行。每个时刻，都可以做到100%的芯片利用率，就像下面这样。

对11种哈希算法的X11来说，ASIC可以提供11种哈希函数的电路，每时每刻，这11个哈希函数的电路都在工作，同时处理11个任务的不同部分。

而X16R在每一个区块进行PoW计算时，增加了很多挑战：

• 每种哈希算法被调用的次数不确定

• 哈希函数的排序不确定

对于预先设计好的ASIC矿机来说，一旦芯片流片，包含了多少种哈希函数，每种哈希函数有多少计算资源就是确定的。

对X16R来说，由于前一区块Hash值的后8字节，可以认为是完全随机的，我们可以计算出对每个区块，涉及哈希函数种类数和概率如下：

涉及哈希函数种类 概率
1 8.673617379884035e-19
2 4.263126310299903e-13
3 1.3008292880367645e-09
4 4.0680219586149147e-07
5 3.114800294252984e-05
6 0.0008548354163772504
7 0.010257933523243057
8 0.060249156768226245
9 0.1847133772998888
10 0.30522511853905976
11 0.273508450268678
12 0.13029987021900835
13 0.03130843802212624
14 0.0034140224047796153
15 0.00013610720550616406
16 1.1342267125513672e-06

加权平均下，每个区块运算时，平均涉及10.3种哈希函数，假设每种哈希函数的硬件实现需要的芯片面积相同，则芯片利用率约为64.4%，这是平均利用率的上限，也就是说，无论何时，芯片上都会有36%左右的电路是被浪费掉的。

同时，由于每种哈希函数在运算中被使用的次数不确定，顺序也不确定，想设计出高效的流水线就更加困难。

如果想更好的增加流水线的并行度，就要有更多冗余的运算单元，芯片利用率更低。

如果想提高芯片利用率，势必就会加剧资源争用，降低并行度，影响性能。

这一切只是增加了难度，当币价足够高时，ASIC还是可以获得一定的优势。

然而，只要相对于GPU，这种优势不是十分巨大，对减轻算力中心化的趋势，还是有帮助的。

集成电路其实是由晶体管构成若干门电路，门电路通过组合实现各种功能。

有没有人想到，如果有一种器件，可以根据需要，动态的组合这些门电路，来实现各种功能，不就可以每时每刻都充分利用整个芯片了吗？

FPGA就属于这种器件。

X16R虽然可以抵抗ASIC，但是对FPGA几乎无能为力。每当上一个区块产生，下一个区块使用的哈希函数种类，每种哈希函数调用的次数，哈希函数调用的次序也就确定了。

FPGA可以快速重新编程，为每种哈希函数分配好使用的门数量，便可以充分利用芯片资源，进行运算。

参考资料：

X16R ASIC Resistant by Designravencoin.org

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