加密貨幣對能源的渴求是出了名的，尤其是基于工作量證明的區(qū)塊鏈（比特幣）。問題是，比特幣的價格難以覆蓋能耗成本，使挖礦集中在某些國家和地區(qū)，這將導致監(jiān)管更容易介入比特幣區(qū)塊鏈。

所以一些研究人員說，加密貨幣的“出路”在于一種更節(jié)能的計算方式。是這樣嗎？

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光子芯片（Photonic Chips）是一個被收錄于arXiv的新興技術(shù)。麻省理工學院今年曾報道這種新穎的“光子”芯片，該芯片使用光代替電，并且在此過程中消耗的功率相對較小。在處理大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時，該芯片的效率比當今的經(jīng)典計算機高出數(shù)百萬倍。

2017年底比特幣泡沫破裂時，這種加密貨幣的價格在短短幾天內(nèi)從1.7萬美元跌至不到7000美元。鋪天蓋地的新聞稱，加密貨幣繁榮突然結(jié)束。

但隨著比特幣價值的下跌，奇怪的事情發(fā)生了。比特幣挖礦速度急劇上升。原因何在？盡管比特幣的價值下降了，但它的挖礦仍然非常有利可圖。換句話說，挖礦的成本——硬件價格加上運行它的能源價格——仍然低于它所生產(chǎn)的加密貨幣的價值。

挖礦的繁榮持續(xù)了將近一年。然后在2018年11月，比特幣的價值再次大幅下跌，從大約6500美元跌至不足3500美元。

這破壞了許多礦工的工作。頃刻間，比特幣不再有足夠的價值來支付挖礦成本，許多礦場被迫關(guān)閉。在加密貨幣的歷史上，這是挖礦算力首次大幅下降，從60EH/s的哈希率降至35 EH/s。

當然，影響是顯著的。在此之前，挖礦節(jié)點分布在世界各個角落，使得單個國家或地區(qū)無法對比特幣區(qū)塊鏈施加不當影響。現(xiàn)在，只有在能源足夠便宜、能夠盈利的地方——主要是在中國西部——挖礦才有可能。而中國正在加強對加密貨幣的審查，關(guān)閉交易所，禁止各種活動。

這就對比特幣的生存構(gòu)成了威脅。從那時起，加密貨幣專家一直在努力尋求解決方案。

根本問題在于比特幣的挖礦——碰撞哈希產(chǎn)生的計算成本是昂貴的，這在區(qū)塊鏈設(shè)計之初就定下了，以確保鏈上安全。但挖礦計算是能源密集型的，隨著越來越多人加入挖礦，能量消耗隨之大幅增加。

據(jù)估計， 比特幣挖礦目前每年消耗超過75太瓦時 （頭等倉注：太瓦時即TWH，1太瓦時等于10億度電），超過奧地利本國的全部電力消耗。這是不可持續(xù)的。比特幣挖礦若要存續(xù)下去，迫切需要一種新的挖礦方式。

非營利組織PoWx的Michael Dubrovsky、紐約哥倫比亞大學的Marshall Ball，以及法國Paris Saclay大學的Bogdan Penkovsk，共同提出了一種“保護”比特幣的新方法，該方法在計算上昂貴，但能源效率更高。他們說，至關(guān)重要的是，它也與當前的加密系統(tǒng)兼容，因此在將來的比特幣迭代中應(yīng)該也能兼容。

與使用傳統(tǒng)計算機去碰撞哈希不同的是，他們提出使用光學計算機（optical computers）。他們認為，光學計算機顯著減少了對能源的依賴，從而將從根本上解決比特幣挖礦的能源瓶頸。他們是對的嗎？

比特幣區(qū)塊鏈是一個去中心化的賬本，記錄了所有與這種貨幣相關(guān)的交易。這確保了沒有單獨的實體控制貨幣。關(guān)鍵是，賬本必須是安全的，這樣每個人都可以信任它的內(nèi)容。這種安全性是通過定期加密分類賬來實現(xiàn)的，這樣就不能更改分類賬的內(nèi)容。

但是，加密過程必須具有特殊的屬性。賬本的加密過程必須很復雜，但一旦加密，又必須易于檢查。事實證明，有一組被稱為 單項陷門函數(shù)（trapdoor functions） 的數(shù)學對象恰好具有這個屬性。事實上，它們已經(jīng)被廣泛用于加密從個人信息到信用卡交易的所有事情。

頭等倉小科普：單向陷門函數(shù)包含兩個明顯特征：一是單向性，二是存在陷門。所謂單向性，也稱不可逆性，即對于一個函數(shù)y=f(x)，若已知x要計算出y很容易，但是已知y要計算出x=f ^(-1) (y)則很困難。單向函數(shù)的命名就是源于其只有一個方向能夠計算。所謂陷門，也被稱為后門。對于單向函數(shù)，若存在一個z使得知道z則可以很容易地計算出x=f ^(-1) (y)，而不知道z則無法計算出x=f ^(-1) (y)，則稱函數(shù)y=f(x)為單向陷門函數(shù)，而z稱為陷門。

這種形式的加密在計算上是昂貴的——它需要運行成本高昂的計算力強大的計算機。因此，比特幣還有一個成功的關(guān)鍵特征。任何執(zhí)行加密過程的人（即參與工作量證明PoW挖礦的礦工）都會得到新的比特幣作為獎勵。

這就是為什么該過程稱為“挖礦”的原因。隨著比特幣價值的增加，挖礦的受歡迎程度也增加了。但計算是高能耗的。因此， 礦工們一直在尋找各種降低成本的方法：一種發(fā)展是引入了專用集成電路-ASIC芯片-專門針對比特幣挖礦的目的進行了優(yōu)化。 另一個是尋找廉價的能源。

上文Dubrovksy和他的同事提到的光學計算某種程度上將打破僵局。該靈感來自于近年來光子芯片的飛速發(fā)展，這些光子芯片的計算效率遠高于硅芯片。他們表示：“這項技術(shù)承諾，與電子處理器相比，能提供2-3個數(shù)量級的能源效率優(yōu)化。”

為此， 該團隊提出了一種改進的加密協(xié)議，稱為HeavyHash，該協(xié)議針對光子芯片進行了優(yōu)化。 這意味著只有采用光子處理器進行數(shù)字運算才能獲得最佳結(jié)果，從而挖礦過程變成了“光學工作量證明”。

這種“光學工作量證明”（optical proof of work）鼓勵采用光子芯片，大大減少比特幣原本的能耗成本。研究人員說：“光學工作量證明的實施將有助于加快節(jié)能型光子協(xié)處理器（co-processors）的開發(fā)。”

當能源成本不再是主要考慮因素時，硬件成本將主導計算。這將確保礦工可以在全球各地而不是僅在能源便宜的地區(qū)盈利。

至少，理論上可行。 問題在于光子芯片的功率效率尚未明確。 例如，光開關(guān)通過改變折射率來工作，目前這是通過小型加熱器來完成的。硅光子電路的變化也很小，必須用微型加熱器進行補償。

但這些加熱器以難以預料的方式大大增加了芯片的功率預算。實際上，Dubrovksy和他的同事們并沒有明確測算出隨著比特幣規(guī)模的增長可能（或不可能）實現(xiàn)的節(jié)能效果，所以目前還很難評估他們所說的“光學工作量證明”的效力。

研究人員也沒有顯示出“光學工作量證明”將如何解決與電力成本區(qū)域差異相關(guān)的問題。將來，所有礦工的硬件成本將與現(xiàn)在相同。 因此，從長遠來看，最大化利潤的最佳方法仍然是尋找廉價的能源。

這與比特幣當前面臨的問題沒有什么不同。這就是為什么我們很難不得出這樣的結(jié)論:這種形式的節(jié)能計算只是推遲了不可避免的結(jié)果。

本文來源MIT Technology Review，由頭等倉(First.VIP)_Maggie提供編譯，轉(zhuǎn)載請保留文末信息，感謝閱讀。