「FPGA 挖礦是算力 ASIC 化之前的健康過渡和補充。」

撰文:Yan Xin,作者就職於區塊鏈投資機構 Fundamental Labs

隨着 Nervos 這樣全新的熱門 PoW 公鏈主網上線,讓 ASIC 礦機出現之前 PoW 公鏈算力競爭和平衡的過程再次受到關注。通常而言,挖礦算法與礦機器件特性的匹配程度影響着某一種礦機市場佔比。而在 Nervos 主網上線的過程中,FPGA 礦機的表現頗爲顯眼。

儘管屢屢在挖礦產業史中被提及和討論的 FPGA 礦機實際上從未被大規模生產和銷售過,但是 FPGA 礦機對 PoW 公鏈的生態影響不容忽視。在我看來,FPGA 礦機極有可能大規模侵蝕 GPU 在 ASIC 出現之前的算力佔比,成爲最有力的算力打新工具。

1. 什麼是「FPGA」

讓我們不妨從簡單普及一下什麼是「 FPGA 」、什麼是「 ASIC 」這樣基本的概念開始。

FPGA 是「Field Programmable Gate Array」的縮寫,即「可編程的邏輯門陣列」,是一種半定製電路。

而 ASIC 則是「Application Specific Integrated Circuit」的縮寫,即「專用集成電路」,是對於某一固定算法的最優解決方案。不過,ASIC 生產成本昂貴,一次投片的成本在千萬人民幣左右,只在成熟穩定、需求量較大的應用場景中才能體現出其成本優勢。

對於運算邏輯需要經常改變,或者芯片需求量較小的加密貨幣挖礦或機器學習等場景,FPGA 以其可以媲美 ASIC 的運算速度,以及算法可更新的特性保有一席之地。FPGA 也經常用於驗證正在設計的 ASIC 中的運算邏輯。

從某種角度上講,FPGA 是 ASIC 出現之前的替代品,在不確定性強的場景中發揮着獨特的作用。

爲什麼我相信 FPGA 礦機將大規模侵蝕 ASIC 出現前 GPU 的算力佔比FPGA 內部結構

FPGA 與 GPU 同樣可通過編程執行各種不同的運算任務,但 FPGA 的運算邏輯通過基於查找表 (Look-Up-Table) 實現的邏輯門陣列實現,不依賴於馮諾依曼結構,一次運算得到的結果被直接饋送到下一個運算的輸入,無需在主存儲器臨時保存,因此不僅對內部存儲器的帶寬需求比 GPU 低很多,而且還具有響應迅速和功耗更低的特點。因此,FPGA 對於一些內存需求量較小、可流水處理的算法可以表現出 GPU 無法比擬的優勢。

2. 從「ASIC Resistant」到「ASIC Friendly」

如果想更深入討論 FPGA 礦機的未來趨勢,不妨讓我們從礦機發展的整個歷程和脈絡開始。

在比特幣被各種專用計算設備壟斷算力之後,萊特幣等一衆早起的「altcoin」開始在挖礦算法設計中體現「Anti-ASIC」 (阻止 ASIC 礦機挖礦) 的思想。這種設計利於讓更多愛好者用普通電腦參與到新的加密貨幣挖礦之中,從而推進新的加密貨幣的去中心化。但這種「Anti-ASIC」每每都被證明無法長期持續,其中微妙的平衡很容易在某種加密貨幣繁榮之後崩潰。在利益的驅使下,對應於 Anti-ASIC 的專用礦機很快被推出。

儘管 Anti-ASIC 本身確實是一個無法持續的過程,但這一逐漸失效的過程爲非常多加密貨幣的發展帶來益處,因此,在相當長的一段時間內被爭相效仿,各種 Anti-ASIC 算法被設計出來。

一般而言,Anti-ASIC 算法的設計思路主要有三種:

  • 內存依賴型算法,例如 Cuckoo Cycle、Equihash 和 Scrypt。這些算法通過增大運算輸入的體積,使得 FPGA 和 ASIC 必須在已有的運算單元之外增加額外的內存,提升 FPGA 和 ASIC 的設計難度,並降低其相對優勢。
  • 多算法雜糅,例如 X11、X13 和 X16R。這些算法通過同時引入若干種串聯的哈希算法,增加 FPGA 和 ASIC 的複雜程度,後期又衍生出了多算法隨機次序串聯的算法,進一步增加 FPGA 和 ASIC 的設計門檻。
  • 定期更換算法。某些加密貨幣定期更換一次挖礦算法或者算法的參數,使得專用挖礦設備定期被淘汰,被認爲是根本性的 Anti-ASIC 方法。

Anti-ASIC 算法的發展給予 GPU 挖礦極大的空間,並使其逐漸成爲了主要的 Altcoin 挖礦設備,但其副作用也逐步顯現:

  • 首先,GPU 礦工沒有忠誠度,多數 GPU 礦工選擇挖礦標的的唯一標準是當日產出,一旦某加密貨幣價格大幅下跌,相隨而來的即是算力的大幅下跌,對於依賴算力維持網絡安全的工作量證明區塊鏈,在算力下跌之後其網絡健壯程度快速下降,極其容易遭受 51% 攻擊。
  • 其二,無法爲其礦工提供超額收益。由於 GPU 存量極大,任何一個加密貨幣的挖礦收益超過以太坊的部分,將會被涌入的算力快速攤平,因此礦工無法獲得相應的激勵,成爲該幣種的積極建設者。

爲什麼我相信 FPGA 礦機將大規模侵蝕 ASIC 出現前 GPU 的算力佔比GPU 挖礦標的以單日收益從高到低排序,ETH 名列第三位,與前兩名差距很小

  • 其三,GPU 挖礦的成熟使得 Anti-ASIC 最初的目的失效,即無法使更多普通愛好者參與到挖礦之中,挖礦完全被 GPU 礦工壟斷。
  • 其四,GPU 本身存量巨大,除去已經投入挖礦的 GPU 礦機之外,仍有大量 GPU 在 MSP 手中閒置,在國家戰略背景下,發改委從《產業結構調整指導目錄》中的淘汰產業中刪除虛擬貨幣挖礦等內容,未來真正的 GPU 算力巨頭入場不再遙遠,GPU 挖礦相對社會平均投資回報率的超額收益將在 GPU 算力暴漲的過程中被無限稀釋。
  • 除以上四點之外,定期分叉或更改算法會帶來社區的分裂,長此以往,社區難以壯大。

越來越多的開發者對於 Anti-ASIC 更加保守,或者設計規則,引導算力有規律地逐漸過渡到 ASIC。Grin 就是一很好的例子,但由於 Cuckoo Cycle 算法本身對內存的要求仍然非常高,礦機生產企業目前也並未成功地按照計劃推出產品。

近期上線的 Nervos 設計了 ASIC Friendly 的基於 SHA3 的 Eaglesong 算法,該算法無大內存需求和複雜的算法雜糅,主要內容即是一簡單哈希算法的多次迭代,便於在 FPGA 和 ASIC 中流水處理。

爲什麼我相信 FPGA 礦機將大規模侵蝕 ASIC 出現前 GPU 的算力佔比Eaglesong Hash 的核心是變換函數 f 的 42 次迭代

綜上,從 ASIC Resistant 到 ASIC Friendly 完全可能是一個新方向的開啓,而 FPGA 將在這個方向中替代 GPU 成爲 ASIC 出現前最好的挖礦工具。

3. Altcoin 的 ASIC 礦機爲何總是難產?

今年以來,比特大陸、嘉楠耘智和比特微等主流礦機公司不再橫向拓寬 Altcoin 的 ASIC 礦機產品線,風險收益不相稱是最簡單的解釋。

ASIC 的挖礦能效比與 GPU 相比較,動輒擁有 10 倍的絕對優勢。由於邊際成本遞減效應,ASIC 生產者將不可避免地傾向於過量生產 ASIC 以搶佔算力份額,推高難度,將 GPU 礦工快速擠出。而小幣種礦機本身由於容量小、礦機可生產和發售數量有限,不可避免地造成中心化的問題。而 FPGA 在此處則更像 GPU,擁有根本性的優勢,即 FPGA 本身由 Xilinx 和 Intel 等大廠生產,各家 FPGA 礦機無非是選購不同地已經生產出的 FPGA 進行電路板級的硬件設計和軟件算法優化,而這兩塊內容均不像 ASIC 版圖那樣封閉和「高精尖」,各家的產品也並不會出現太大的差別,可以更好地推動去中心化。

爲什麼我相信 FPGA 礦機將大規模侵蝕 ASIC 出現前 GPU 的算力佔比據 MRFR 統計,在 FPGA 主要廠商中,Xilinx 和 Intel 的市佔比累計爲 72%

ASIC 是一個贏家通吃的遊戲,不同 Foundry、不同工藝,或者不同設計方法設計出針對同一算法的 ASIC 可能存在若干倍的性能差異,由於區塊鏈網絡難度自適應調節,性能處於劣勢的計算設備可能面臨殘酷的淘汰,因此各個生產商互相嚴格保守產品參數的機密,更加增大了資金投入的風險。

而 FPGA 作爲可編程器件,即使被淘汰的二手 FPGA,仍被廣泛地應用在爆破等無需考驗起耐久性的場景之中,不會像被淘汰的 ASIC 一文不值。

擁有了 ASIC 即擁有了算力的話語權,但不等同於社區治理的話語權,如果一款 ASIC 使得多數社區成員利益受損,該幣種很有可能通過分叉修改挖礦算法而將 ASIC 設計者完全排除在外。比如說,10 月初時, Ravencoin 進行了挖礦算法升級,將挖礦算法更改爲 X16R 的升級版「 X16Rv2」,以阻止 Ravencoin 網絡上 ASIC 礦機繼續挖礦。這次的算法更改讓很多 ASIC 團隊無所適從,而 FPGA 礦機作爲算法更改最爲靈活的礦機很快涌入算力市場。

4. FPGA 並非 GPU 的替代品,而是更適應 ASIC Friendly 算法的新選擇

本質上,挖礦是一個通過區塊獎勵提升網絡算力,從而提高攻擊成本的過程。一個有益的挖礦算法應該是一個可以激勵礦工穩定地爲網絡提供服務的算法。在這個問題上,ASIC 永遠擁有不可替代的作用,但在某種加密貨幣的體量還無法支撐 ASIC 礦機之前,FPGA 和 GPU 實質上發揮着相同的作用,兩者的不同即是存量的不同和本身特性與算法設計理念匹配度的不同。

就目前而言,GPU 算力的可獲得性 (龐大的存量、穩定的供應量、產量和通暢的分銷渠道) 遠遠超過 FPGA 算力,但如果 ASIC Resistant 到 ASIC Friendly 的趨勢成立並持續發展,FPGA 必將撬動流動算力的天平,成爲新幣種算力打新的利器。

參考資料

1.https://www.crypto51.app/
2.https://whattomine.com/
3.https://miningpoolstats.stream/
4.https://www.marketresearchfuture.com/reports/field-programmable-gate-array-market-1019
5.https://github.com/nervosnetwork/rfcs/blob/master/rfcs/0010-eaglesong/0010-eaglesong.md

來源鏈接:mp.weixin.qq.com