ASIC終結者: X16R演算法的異軍突起
在加密數字貨幣挖礦行業中，ASIC礦機佔據著最主要的角色。每一個通證的設計者都必須考慮一個問題，防不防ASIC礦機，如何去防。通證和ASIC礦機也未必就是敵人，只要設計得足夠合理，循序漸進的發展，適當的時候有ASIC礦機介入也未必是一件壞事。
作者 | 洪福川
編輯 | 孟江東
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演算法發展史
共識演算法可能是區塊鏈挖礦行業最為重要的核心，其中又以PoW為主。Proof of Work簡稱為PoW（工作量證明），用於證明你在某時間內完成的工作量。
這一概念最早被Cynthia Dwork和Moni Naor於1992年寫在如何處理打擊垃圾郵件的論文上。
2008年之後，Peer-to-Peer技術、PoW和加密演算法被應用於Bitcoin。
Bitcoin採用的SHA-256演算法屬於SHA-2（Secure Hash Algorithm 2，安全雜湊演算法2），由美國國家安全域性研發。
SHA-2安全嗎？就目前來看是安全的，並且短期內雜湊計算速度沒有發生大幅度提升的趨勢。
SHA-2的前身是SHA-1，目前想要破解一次SHA-1的成本大約在70萬美元（可能更低）。破解需要進行的計算總量約為900萬兆（9,223,372,036,854,775,808），5Ghz的CPU每秒計算速度約為20億次。相當於使用CPU得花費150年才能破解SHA-1，足以說明破解難度之高。
SHA-2雖難以破解，但是其本身計算方式單一，只要加快雜湊值計算便可以提高BTC開採的速度。ASIC礦機就是為了高效計算雜湊值而生。
ASIC礦機的出現使社群產生了分歧，分歧點在於是否符合PoW這一理念以及對於每一個使用者是否平等。
目前多個主流加密數字貨幣分別採用不同的演算法或者共識去反抗ASIC礦機的出現。主要分為兩種方式，一是共識機制的改革，二是通過更改演算法規則。
現行的共識機制下，公鏈上主要以PoW和PoS（Proof-of-Stake，股權證明）兩種存在。
二者皆有利弊，使用PoW便意味著消耗大量的能源去進行計算，並且理論上存在著算力攻擊的風險，相對來說安全性較高；PoS缺少工作過程證明，也存在利益分配和賄選問題。而Ethereum試圖採用PoW+PoS混合制的形式，就是為了改善現有共識來抵禦ASIC的影響。其目前的狀況是使用PoW共識，試圖轉至PoS，但沒有推出一個完美的過渡機制（依舊使用PoW）。
Ethereum使用了Ethash演算法，前身為Dagger演算法（Vitailk發明），其目的是為了抵制ASIC礦機。如何抵制ASIC礦機呢？通過將挖礦和記憶體頻寬相捆綁，即降低其他硬體的運算優勢，從而達到挖礦裝置平等這一理念。
Ethereum算力變化圖
Ethash演算法沒有阻擋ASIC礦機的出現，只是拖延了出現的時間。
繫結記憶體頻寬意味著可以通過提高記憶體頻寬速度來提高算力，或者在相同記憶體頻寬速度下降低功耗，只不過目前記憶體頻寬價格過高以及ETH價格過低，從成本上考慮，ASIC礦機相較GPU來得不夠划算。
Litecoin使用的是密碼學家兼程式員Colin Percival於2009年發表的論文Stronger Key Derivation via Sequential Memory-hard Functions上所發明的scrypt演算法。原理和Ethash較為相似，都是提高挖礦時記憶體的使用成本，延緩ASIC礦機的出現。
2014年，Zeusminer研發出了專門針對scrypt演算法的ASIC礦機。 這也說明通過繫結某一硬體（如記憶體）從而抬高挖取的使用成本是沒有辦法完全杜絕ASIC礦機。
除了以上的演算法外，還有Dash使用的X11演算法，Zcash使用的Equihash演算法，Bytecoin使用的CryptoNote演算法等等。
演算法的進化和變革的一個主要原因是抵制ASIC礦機的出現。
ASIC礦機對整個生態存在的缺點如下：
1、容易變成寡頭之間的算力遊戲，有發生算力攻擊的風險。
2、挖礦裝置不平等，算力過於集中。（也有觀點認為裝置不平等是客觀存在的，ASIC礦機的研發和使用都投入了人力物力，不應該過分抵制。）
3、消耗大量的資源，用途較為單一。
如果以Bitcoin為例，ASIC礦機並非全是缺點，反而支撐起了BTC的價格。
中本聰曾在回覆使用者的郵件中寫道，“it would be left more and more to specialists with server farms of specialized hardware ”。如ASIC一類的專門用於挖礦的硬體（specialized hardware）會在未來出現早已被中本聰考慮到了。
那麼，那些為了抵制ASIC礦機的而設計發明出來的演算法存在的意義呢？ 給予普通使用者將過剩資源利用起來的入場券。
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目前為止， 適合個人參與挖掘的演算法
最近，Binance上一個新上的通證引起了大家的注意，尤其是採用的X16R演算法。
X16R演算法是繼X11、X13、X15、X17之後的一種變形演算法。
X11演算法指的是將11種固定的雜湊演算法串聯使用，從而增大ASIC礦機的研發成本。X13演算法則是將13種固定的雜湊演算法串聯。然而單純增加演算法的數量和種類也只是延長ASIC礦機出現的速度。
X16R演算法則是不斷打亂雜湊演算法的串聯順序，使得計算難度得到幾何級的提升。
X16R演算法選擇了X15演算法中經過驗證的15種，外加SHA-512演算法（屬於SHA-2，和SHA-256結構相同）。但是16種演算法不是採用固定排列，而是基於前一個區塊的雜湊值進行動態變化。
改變順序和固定順序之間的區別有多大？
使用ASIC礦機進行固定順序的雜湊演算法可以使晶片利用率達到100%。ASIC礦機在亂序的雜湊演算法上，平均晶片利用率只有64.38%。
如X11演算法，礦機研發企業只需要將11種雜湊演算法逐一研發對應的ASIC礦機，並進行固定順序組合。如同車間一般，每一種雜湊演算法都由相應的ASIC礦機進行計算，往復迴圈。每個晶片都不會閒置，利用率可以達到滿負荷。
X16R增加了兩個不確定性：
1、演算法順序的不確定性。
2、演算法出現頻率的不確定性。
每個區塊會進行16次運算，這16次運算會出現什麼雜湊演算法是無法確定。
假設16次運算都是同一種演算法，那麼這樣的概率是16/（16的16次方）=8.673617379884e-19
假設16次運算出現了兩種不同的演算法，那麼這樣的概率為[16*15/2（從16種演算法選兩種）*2的16次方]/(16的16次方)=4.2632564145606e-13
......
假設16次運算出現了16種演算法，那麼出現這種情況的概率為16！/（16的16次方）=1.1342267125514e-6
通過加權平均計算，每個區塊會涉及到10.3種函式。假設實現每種雜湊計算的芯片面積相同，那麼晶片利用率為10.3/16=64.38%。這也意味著即使使用ASIC礦機進行X16R計算將會造成至少35.62%的晶片浪費。
X16R還有一特點，由於每種雜湊計算所需要的時間是不相同會導致出塊時間不相同。在長時間上來看，出塊時間會由於各個雜湊函式的搭配而被平均。
X16R具有如此多之前所不具備的特徵，那麼到底能不能防止ASIC礦機的產生呢？就現在來說，可以。
什麼情況下會產生專門針對X16R的ASIC礦機？
1、通證的價格足夠高，有足夠的利潤吸引廠商去進行研發。
2、新技術的產生，算力功耗比得到大幅度的提升，拉開和GPU的算力優勢。
不過，X16R目前能防止ASIC礦機卻防不了FPGA礦機。當一個區塊產生時，其雜湊值的最後8個位元組就確定了下一個區塊所使用的雜湊函式演算法。FPGA礦機可以快速重新程式設計，為每一個雜湊演算法排好順序，充分利用晶片資源，從而進行運算，但是其算力較為低下，和GPU相比優勢不明顯。