金色觀察 | 以太坊ProgPoW升級再度無望？一文讀懂ProgPoW_ASI

原本計劃要在伊斯坦布爾硬分叉中實施的ProgPow終于又有消息了，但是什么時候升級仍然懸而未決。

據CryptoBriefing報道，以太坊核心開發者正在推進ProgPoW，暫定在7月進行硬分叉升級。自從礦機制造商比特大路和芯動科技分別于2018年4月和7月發布專用集成電路（ASIC）的以太坊ASIC礦機E3和A10以來，為避免專業ASIC礦機制造商壟斷以太坊算力，保護以太坊網絡的去中心化和網絡安全，以太坊社區在過去兩年中一直在討論將以太坊算法轉換為ProgPoW的問題。新算法可以使以太坊挖礦具有抗ASIC性。

但是，最新消息是，硬分叉協調員James Hancock談到ProgPoW是否應該跟 EIP-1962放到同一次分叉中，但是以太坊社區核心人員如Spankchain的Ameen Soleimani、Gnosis的MartinK?ppelmann、Uniswap的Hayden Adams、ConsenSys的Igor Lilic以及眾多以太坊開發人員表示反對ProgPoW。也就是說，以太坊核心開發者并未就ProgPoW達成一致意見，也沒有暫定硬分叉的時間。

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那么ProgPoW到底是個啥？ProgPoW何以能縮小GPU挖礦與ASIC之間的差距？

ProgPoW主要是根據GPU的特性對以太坊的Ethash算法做了修改，縮小GPU與專用ASIC之間的算力差距。

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一句話解釋，用ProgPoW開發團隊IfDefElse的話是：“PoW挖礦，通常是設計硬件讓算法更高效。但ProgPoW相反，先有硬件，然后再修改算法來匹配它。”

Ethash算法

PoW是一個概念統稱，有很多種算法實現。目前以太坊使用的具體PoW算法是Ethash，它是Dagger—Hashimoto算法的變種。

Hashimoto算法采用IO飽和策略來對抗ASIC，使內存讀取成為PoW挖礦過程中的限制因素。Dagger算法使用DAG（directed acyclic graphs—有向無環圖）來同時實現內存難解和內存易驗證兩個特點。主要原理是挖礦過程需要存儲完整的DAG數據，同時在計算每個nonce時需要抽取DAG中的部分數據。

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選取這個算法的結果使得，挖礦計算性能的瓶頸在于內存大小和內存帶寬，而和哈希計算能力關系不大。比如NVIDIA GTX1070執行Ethash時，內存在達到88.3%的利用時，作為顯卡計算核心的SM（streaming multiprocessor）只有27.7%的利用率。

同時使得通過大規模部署共享內存的ASIC礦機并不能帶來在挖礦效率上同比例線性增長。

Ethash算法的一般流程如下：

1、首先根據塊信息計算一個種子；

2、使用這個種子，計算出一個16MB的cache數據。

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3、通過cache，計算出一個1GB(初始大小)的數據集(DAG)，DAG可以理解為是一個完整的搜索空間，全客戶端和礦工需要存儲完整的DAG，

4、挖礦：需要從DAG中重復隨機抽取64次數據拿去和其他數據計算mixhash（如下圖）

在早期Ethereum和Solidity智能合約代碼中，Keccak和SHA3是同義詞。在2015年8月NIST標準化SHA3后，標準的SHA3和Keccak算法有所區別。為了避免和NIST標準的SHA3混淆，現在的代碼直接使用Keccak作為函數名。

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每次Ethash從DAG中隨機取64128 bit=8192 Bytes數據。以GTX 1070顯卡為例，帶寬為256GB/s，那么每秒能承受256*1024*1024*1024/8192=33554432次Ethash運算，即33MH/s算力。

針對Ethash的專用ASIC

可以根據需要執行的命令量身定制專用硬件來解決，比如在Ethash開始和結束時調用的哈希函數Keccak在ASIC上可以更有效執行。

針對Ethash，專用ASIC大致可以采用三個專用功能來提高計算性能：

一個從DAG導入數據的高帶寬內存接口（一般來說是GDDR6或者HBM2）

一個用于Keccak哈希計算的keccak引擎；

一個用于執行內部循環FNV和地址模運算的小型計算核心；

由此專門定制的ASIC將比現有GPU體積更小且能耗更低。高配置（GDDR6或者HBM2）的以太坊ASIC礦機可以達到GPU礦機挖礦性能的2倍。

事實上，大礦機商都曾推出過以太坊ASIC礦機。2018年4月比特大陸推出以太坊ASIC礦機E3，芯動科技2018年7月發布以太坊ASIC礦機A10。但因為以太坊社區抵制，威脅可能會修改算法，同時還有部分技術原因，比如比特大陸的E3因為采用的是DDR3內存，ASIC礦機相比GPU并沒有多少算力優勢。因此，以太坊ASIC礦機并沒有得到大規模采用。

ProgPoW做了哪些改變

ProgPoW，是Programmatic Proof-of-Work的縮寫。正如IfDefElse所說，為匹配現行主流GPU的硬件特征，ProgPoW算法主要做了如下改進：

1、把keccak_f1600（64字節的字）改成keccak_f800（32字節的字）。32字節是目前主流GPU一次操作處理的實際位數。

2、在主循環環節增加了數學隨機序列。目前GPU計算核心內有著大量暫存器，可為高吞吐量可編程數學單元提供信號。Ethash的內部循環先是DAG載入，然后用FNV將數據合并為小的混合狀態。ProgPoW添加了一系列隨機數學指令和隨機緩存讀取，進而合并為更大的混合狀態。

3、DAG數據讀取大小從128 byte增加到256 byte。當前主流GPU DRAM均為32位（32*8=256 byte），這樣ProgPoW可以在當前DRAM設備上更有效率地執行；

4、GPU具有少量高速暫存器內存，允許快速處理訪問隨機地址，ProgPoW也利用了GPU這一特性。

其中迭代運算次數即訪問DAG次數保持不變，與Ethash一樣仍是64次。

經過優化后，ProgPoW能大幅提高GPU計算能力。Nvidia GTX1070運行ProgPoW測試結果表明，在內存利用率達到87.55%時，GPU計算核心的SM（streaming multiprocessor）利用率能達到87.95%。

ProgPoW大幅縮小了ASIC和GPU間的性能差距

理論上，還是可以制造出專門用于執行ProgPoW的ASIC的。但這種ASIC不僅需要高帶寬內存接口和小型Keccak+KISS99引擎；還需要具有大型寄存器、大量隨機數學能力的計算核心；高吞吐量、低延遲、大存儲的緩存。

造成的實際后果是這種專用ASIC會和與現有GPU的性能非常相似。經過優化后的ASIC計算性能將只有目前GPU的1.1-1.2倍，大幅縮小ASIC和GPU之間的性能差距。

考慮到研發ASIC的巨額成本以及以太坊社區的抵制，研發以太坊ASIC極低的性價比也會讓礦機商主動遠離以太坊。

事實上，要不要抵制ASIC本身也存在爭議。因為在有些人眼里，GPU也是某種形式的ASIC。

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