الگوریتم Ethash: میراث و کاربردهای فعلی در دنیای ارزهای دیجیتال

معرفی Ethash و تاریخچه آن

Ethash در سال 2015 و به عنوان الگوریتم اثبات کار رسمی شبکه اتریوم (Ethereum) معرفی شد. هدف اصلی طراحی آن، تضمین تمرکززدایی استخراج با دشوار کردن ساخت دستگاه‌های تخصصی ASIC و ترویج استفاده از کارت‌های گرافیک (GPU) بود. این الگوریتم برای سال‌ها با موفقیت این هدف را دنبال کرد و به رشد چشمگیر جامعه ماینرهای اتریوم کمک کرد. پس از "مرج" (The Merge) اتریوم در سپتامبر 2022 و انتقال آن به مکانیسم اثبات سهام (PoS)، Ethash دیگر توسط شبکه اصلی اتریوم استفاده نمی‌شود، اما تأثیر آن بر سایر پروژه‌ها و مفهوم "ASIC resistance" همچنان پابرجاست.

ویژگی‌های کلیدی Ethash: معماری و مزایا

Ethash با ویژگی‌های منحصر به فرد خود، توانست در دوران خود به عنوان یکی از مقاوم‌ترین الگوریتم‌های PoW در برابر ASIC شناخته شود:

• حافظه‌محور (Memory-Hard): این ویژگی بارز Ethash است. فرآیند استخراج نیازمند ذخیره‌سازی و دسترسی مکرر به یک دیتابیس بزرگ به نام DAG (Directed Acyclic Graph) است. این امر باعث می‌شود که سرعت استخراج بیشتر به پهنای باند و ظرفیت حافظه کارت گرافیک (VRAM) وابسته باشد تا قدرت پردازشی هسته.
• مقاوم در برابر ASIC (ASIC-Resistant): به دلیل ماهیت حافظه‌محور، توسعه ASIC برای Ethash بسیار پیچیده و پرهزینه است. ASICها معمولاً در انجام محاسبات تکراری و ساده بسیار قوی هستند، اما در مدیریت حافظه وسیع و دسترسی‌های تصادفی، ضعیف عمل می‌کنند. این باعث شد که ماینینگ با GPUها تا مدت‌ها برتری داشته باشد.
• سازگار با GPU (GPU-Friendly): طراحی Ethash به گونه‌ای بود که از قابلیت‌های پردازش موازی و حافظه سریع کارت‌های گرافیک به بهترین نحو استفاده کند. این امر باعث شد تا ماینرهای خانگی با استفاده از GPUهای موجود در بازار، بتوانند به راحتی در شبکه اتریوم مشارکت کنند.
• استفاده از DAG (Directed Acyclic Graph): DAG یک فایل بزرگ داده است که قبل از شروع استخراج در حافظه VRAM کارت گرافیک بارگذاری می‌شود. اندازه DAG با گذشت زمان افزایش می‌یابد (تقریباً 1GB در هر سال)، که به آن "Epoch" گفته می‌شود.
• الگوریتم Keccak-256: Ethash از نسخه اولیه الگوریتم هش SHA-3، یعنی Keccak-256، برای فرآیند هشینگ استفاده می‌کند.

مکانیزم کار Ethash: فرایند استخراج

فرایند استخراج یک بلاک در الگوریتم Ethash شامل مراحل زیر است:

1. تولید DAG: در ابتدا، یک DAG (حدود 1 تا 4 گیگابایت بسته به Epoch فعلی) بر اساس هش آخرین بلاک تولید می‌شود. این DAG باید به طور کامل در حافظه VRAM کارت گرافیک بارگذاری شود. اگر کارت گرافیک حافظه کافی نداشته باشد، نمی‌تواند در آن Epoch استخراج کند.
2. محاسبه هش: ماینرها باید بخشی از DAG را به صورت تصادفی انتخاب کرده و با استفاده از آن و داده‌های بلوک (مانند تراکنش‌ها)، یک هش نهایی را محاسبه کنند. این فرایند شامل چندین مرحله هشینگ و دسترسی به داده‌های پراکنده در DAG است.
3. حافظه‌بر بودن: به دلیل نیاز به دسترسی سریع و مکرر به داده‌های DAG، سرعت استخراج به طور مستقیم با پهنای باند حافظه (Memory Bandwidth) کارت گرافیک نسبت دارد. این ویژگی باعث شد که ASICهای موجود برای الگوریتم‌های دیگر، در Ethash کارایی لازم را نداشته باشند.
4. تغییر دوره‌ای (Epoch Change): DAG هر 30,000 بلاک (تقریباً هر 5 روز) تغییر می‌کند و یک DAG جدید تولید می‌شود. این تغییرات دوره‌ای باعث می‌شود که توسعه ASICهای اختصاصی برای یک DAG خاص، بی‌فایده و پرهزینه باشد، زیرا به سرعت منسوخ می‌شوند.

میراث و تأثیر Ethash بر صنعت استخراج

Ethash، به عنوان الگوریتم اصلی اتریوم، تأثیرات عمیق و پایداری بر صنعت استخراج رمزارزها و فلسفه تمرکززدایی داشته است:

• افزایش مشارکت ماینرهای خانگی و کوچک: با حمایت از GPUها، Ethash به میلیون‌ها نفر با سخت‌افزارهای نسبتاً ارزان قیمت اجازه داد تا در استخراج اتریوم شرکت کنند، که منجر به یک شبکه بسیار غیرمتمرکز شد.
• کاهش تمرکز قدرت هش: برخلاف بیت‌کوین که تحت سلطه ASICها و استخرهای بزرگ بود، اتریوم در دوران Ethash شاهد توزیع قدرت هش بسیار گسترده‌تری بود.
• ترویج نوآوری در طراحی سخت‌افزارهای استخراج: نیاز به GPUهای قدرتمند و بهینه‌سازی‌های نرم‌افزاری، به نوآوری در صنعت کارت گرافیک و ابزارهای ماینینگ کمک کرد.
• ایجاد بازار رقابتی برای تولیدکنندگان GPU: افزایش تقاضا برای GPUها توسط ماینرها، به رونق بازار کارت گرافیک و رقابت بین AMD و NVIDIA دامن زد.
• اهمیت حافظه VRAM: Ethash اهمیت حافظه VRAM و پهنای باند آن را برای عملکرد ماینینگ به اوج رساند و این فاکتور را به یک معیار کلیدی برای ماینرها تبدیل کرد.

چالش‌های Ethash

علیرغم مزایای فراوان، Ethash نیز با چالش‌هایی روبرو بود که برخی از آن‌ها در نهایت به تصمیم اتریوم برای انتقال به PoS دامن زد:

• افزایش تدریجی اندازه DAG: رشد مداوم اندازه DAG به معنای نیاز به کارت‌های گرافیک با VRAM بیشتر بود. این امر باعث شد کارت‌های قدیمی‌تر با VRAM کمتر، به تدریج از شبکه خارج شوند.
• مصرف انرژی بالا: همانند بسیاری از الگوریتم‌های PoW، Ethash نیز مصرف انرژی قابل توجهی داشت که نگرانی‌های زیست‌محیطی را به دنبال داشت. این یکی از دلایل اصلی انتقال اتریوم به PoS بود.
• پیچیدگی پیاده‌سازی برای توسعه‌دهندگان جدید: ماهیت پویای DAG و عملیات‌های تصادفی، پیاده‌سازی و نگهداری ماینرها و توسعه‌دهندگان جدید را پیچیده می‌کرد.
• ظهور ASICهای "شبه-Ethash": اگرچه Ethash "مقاوم در برابر ASIC" بود، اما با گذشت زمان، شرکت‌هایی موفق به تولید ASICهایی شدند که عملکرد بهتری نسبت به GPUها در این الگوریتم داشتند، هرچند این ASICها به اندازه ASICهای بیت‌کوین قدرتمند نبودند.

کاربردهای فعلی Ethash در دنیای رمزارزها

با وجود اینکه اتریوم دیگر از Ethash استفاده نمی‌کند، این الگوریتم همچنان در برخی پروژه‌های ارز دیجیتال مهم و فعال کاربرد دارد. این پروژه‌ها به فلسفه ماینینگ GPU-Friendly و مقاومت در برابر ASIC وفادار مانده‌اند:

• Ethereum Classic (ETC): برجسته‌ترین و بزرگترین پروژه‌ای که همچنان از Ethash استفاده می‌کند. ETC میراث اصلی اتریوم را بدون تغییرات عمده در مکانیزم اجماع حفظ کرده است و یکی از محبوب‌ترین ارزها برای استخراج با GPU پس از "مرج" اتریوم است.
• فورک‌های اتریوم (Ethereum Forks): برخی فورک‌های کوچکتر اتریوم که هدفشان حفظ استخراج PoW است، همچنان از Ethash یا نسخه‌های کمی اصلاح شده آن استفاده می‌کنند.
• پروژه‌های مستقل (Independent Projects): تعداد محدودی از ارزهای دیجیتال جدیدتر که به دنبال ایجاد یک اکوسیستم استخراج غیرمتمرکز هستند، از Ethash یا الگوریتم‌های الهام گرفته از آن به عنوان مکانیزم اثبات کار خود بهره می‌برند.

آینده استخراج و تأثیر Ethash

با وجود اینکه اتریوم به اثبات سهام (PoS) منتقل شده است، درس‌های آموخته شده از Ethash همچنان در طراحی الگوریتم‌های جدید استخراج و مکانیزم‌های اجماع تأثیرگذار است. این الگوریتم نشان داد که چگونه می‌توان یک سیستم استخراج را طراحی کرد که هم مقاوم در برابر ASICها باشد و هم مشارکت گسترده‌تری را تشویق کند. تجربه Ethash ثابت کرد که حتی با وجود تلاش برای مقاومت ASIC، نوآوری در سخت‌افزار می‌تواند به روش‌های جدیدی منجر شود. این امر توسعه‌دهندگان الگوریتم‌های PoW را به سمت طراحی‌های پویاتر و پیچیده‌تر سوق داده است تا تمرکززدایی را در بلندمدت حفظ کنند.

مقایسه عملکرد کارت‌های گرافیک (GPU) در Ethash

Ethash به دلیل ماهیت حافظه‌محور خود، عملکرد کارت‌های گرافیک در آن به شدت به پهنای باند و سرعت حافظه VRAM وابسته است. بهینه‌سازی Memory Clock و کاهش Core Clock و Power Limit، کلید دستیابی به بالاترین کارایی انرژی (MH/W) در این الگوریتم است.

مقایسه عملکرد دستگاه‌های ASIC در Ethash

با وجود طراحی مقاوم در برابر ASIC، با گذشت زمان، برخی تولیدکنندگان موفق به توسعه دستگاه‌های ASIC برای Ethash شدند. این دستگاه‌ها، به دلیل تمرکز بر بهینه‌سازی حافظه و فرآیندهای خاص Ethash، می‌توانند هش‌ریت‌های بسیار بالاتری را نسبت به GPUها ارائه دهند، اما معمولاً قیمت‌های بسیار بالایی دارند و در برابر تغییرات احتمالی الگوریتم آسیب‌پذیرتر هستند.