密克罗尼西亚的雅普岛以其名为Rai的石币而闻名。当地人在附近的岛屿上雕刻了直径达4米(13英尺)的石灰石圆盘，然后摇摇欲坠地将它们运回家。石头太重了，无法反复移动，一旦到达家乡岛，雅皮斯人就设计了一本口头账簿，在金钱易手以换取商品和服务时，记录所有权。这些石头没有任何用处，但它们是几百年来作为硬通货使用和服务的资源的微不足道的可核实证据。
在现代，加密工作证明(POW)成为被称为比特币的全球分散货币的基石。将工作证明与RAI等耗费资源的物理体现区分开来的根本创新是，一旦生产出密码硬币，验证就可以通过计算完成，允许以无限副本的电子方式传播证明，任何人都可以进行验证和数字存储。我们承认，在这种情况下，用硬币来类比是相当遥远的。
比特币的架构是第一个成功地让分布式计算机网络就交易历史账簿达成一致的体系结构，而不需要中央机构/服务器充当银行。比特币矿工编辑交易历史，并生成工作证明，以对有效版本进行投票。为了鼓励人们投入计算资源和电力来生成这些证明，比特币被铸造出来，并支付给诚实的大多数选民。事实证明，经济和博弈论的激励是如此强劲，以至于比特币从来没有不诚实的多数。
随着比特币在过去10年里获得效用和价值，该网络激励了数十亿美元的采矿设备和电力支出。随着生态系统的发展，在国内采矿变得无利可图。即使是最昂贵、最尖端、最特殊用途的采矿芯片也无法支付其能源成本，除非你能直接获得非常便宜的电力。
就在我们写这篇文章的时候，比特币网络每秒计算大约1020SHA256哈希，这是比特币工作证明中的大部分计算。每10分钟，比特币网络计算的哈希数就和宇宙中的星星一样多！据估计，这每年的耗电量超过75太瓦时，超过奥地利的用电量(相比之下，全球数据中心的用电量为273太瓦时)。随着比特币储存更多价值，进而要求更高的安全性，比特币的消费在设计上不断增长。由于矿工会根据他们提供的证据获得比特币奖励，因此奖励的美元价值会随着比特币的市值而波动。随着比特币网络的美元价值在过去10年里增长了大约5个数量级，采矿活动也是如此。这种飙升的能源使用不仅是一个环境问题，而且还可能危及比特币的稳定性，因为采矿已经集中在少数海量数据中心。
要再次下放比特币开采的权力，并消除其巨大的电力消耗，显然需要证明工作与能源密集型计算脱钩。我们着手设计一种可以通过光子计算设备解决的方案，目前正作为超高效深度学习加速器进行商业化。转向这种硬件模式将改变采矿的成本结构。目前，比特币工作的证据基本上是电力消耗的证据，因为比特币开采专用硬件的成本与其一生的电力消耗成本相比很小。
在工作证明托管光子加速器的情况下，主要成本将是购买硬件的资本费用，使其成为硬件操作的证明。由于电力成本降低，这甚至可能使城市地区的家庭采矿成为可能。我们还预计，由于热流降低，无风扇光学挖掘硬件将成为可能。
Lighous、Lighteigence、LightMatter和其他公司正在商业化的光子AI加速器承诺将矩阵乘法的能耗(以每次相乘和累加(MAC)运算的焦耳数衡量)减少几个数量级。天真地说，设计与这种光子加速器兼容的工作证明的方法是构建一个基于MAC的新散列，并在工作证明密码构造中使用它来代替SHA256。事实上，R.Pappu&39；Pappu&39；麻省理工学院的论文“物理单向函数”是使用光学代替数字处理器来证明工作的最初灵感。但是，我们选择了一条不同的路线来避免设计新散列的风险和复杂性。通常，新的哈希与增加的加密安全风险相关，因此不会部署在任务关键型系统中。
新型光学打样(OPoW)是基于一种称为重散列(Heavy Hash)的混合密码结构。Heavy Hash使用经过验证的数字哈希(SHA256)将大量MAC计算打包到工作证明谜题中。重哈希可以在任何标准的数字硬件上计算，但只有当一个小的数字处理器与一个低功耗的光子协处理器相结合时，它才会变得超级高效。有关更深入的解释，请参阅这篇CES会议论文或查看YouTube上的随附演讲。
您可能会问：如果数字散列仍然是重散列的一部分，如果数字组件仍然需要冷却，因此没有提供效率收益，oPoW将如何降低散列率？举个例子，一块符合行业标准的全数字比特币挖掘专用硬件芯片，塞满了以散热极限所允许的最大时钟速率运行的SHA内核。另一方面，oPoW挖掘机会将一个小的数字核心倒装到一个大的、低功率的光子芯片上，并受到数模和模数转换器时钟速率的瓶颈。成本相当的oPoW挖掘器将具有低得多的标称哈希率(哈希数/秒)，但每个哈希值将按比例对应更多的计算-因此得名Heavy Hash。
光子加速器是通过使用标准光刻工艺在硅中制造波导来制造的。硅对红外光是透明的，可以充当微小的片上光纤电缆。硅光子学在本世纪头十年首次用于通过光纤发送和接收光信号的收发器，并在过去十年中取得了巨大的进步。硅电子学和硅光子学之间的一个重要区别是，由于与电子相比，光子的德布罗意波长较大，因此使用可用于现代晶体管制造的小特征尺寸(5 Nm)是没有好处的。这意味着将尖端光电子产品商业化的成本要低一个数量级，因为它可以使用较不精确的设备来完成。这一点很重要，因为先进的晶体管制造是非常集中的(世界上很少有铸造厂)。
通过将矢量编码成通过一系列并行波导的光强度，在可调谐干涉仪的网格中干涉这些信号(充当矩阵系数)，然后使用片上锗光电探测器检测输出，实现了矩阵-矢量相乘。使用光子学/干涉的矩阵乘法设置的一般性讨论可以在Reck等人中找到。和Russell等人。Pai等人详细讨论了几种用于矩阵相乘的集成光子体系结构和相应的调谐算法。
为了进行实际演示，我们设计并制造了一个光子挖掘器原型(图2)。我们在Raspberry PI板上运行了针对光学验证工作进行调整的比特币源代码的分支，该板将矩阵-向量乘法外包给光子协处理器(图3)。
我们计划将代码库以及我们的SIPH芯片设计开源。我们还起草了一份比特币改进提案。工作的光学证明有可能最终被比特币网络采用。此外，我们还在继续优化光子处理器。
这篇报道是科学X对话的一部分，研究人员可以在那里报告他们发表的研究文章的发现。有关Science X对话框及其参与方式的信息，请访问此页面。更多信息：Michael Dubrovsky等人，“走向光学工作证明”，CryptoEconSys学报(2020)。assets.pubpub.org/xi9h9rps/01581688887859.pdf。
简介：Michael是PoWx和SiPhox的联合创始人，PoWx是一家致力于开发oPoW的非营利性组织，SiPhox是一家隐形硅光电子初创公司，正在商业化一种下一代硅光电子制造方法。他之前是Simply Grid的联合创始人，后来被收购。他目前是麻省理工学院高级研究项目的研究员，负责微纳米系统材料组的研究，之前是理工学院材料系的客座研究员，并拥有ESF/Syracuse大学的化学学士学位。
引用：用硅光子学给比特币断电：研究人员开发低功耗比特币算法和硬件(2020年5月4日)从https://sciencex.com/news/2020-05-powering-bitcoin-silicon-photonics-power.html检索到。
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