Исследователи разработали новую схему вычислений на основе света, которая использует фотонную интегральную схему для снижения энергопотребления, необходимого для криптовалют и приложений блокчейна. Майнинг криптовалют, таких как биткоин, — процесс проверки транзакций и добавления новых криптовалют в блокчейн — потребляет до 1% мировой энергии. Ожидается, что эти энергозатраты будут расти по мере того, как криптовалюты и блокчейн становятся все более популярными.
Криптовалюты — это цифровые валюты, созданные с использованием алгоритмов шифрования. Эти альтернативные валюты требуют наличия блокчейна — типа цифровой книги, в которой записывается информация, например, о транзакциях, таким образом, что ее трудно или невозможно изменить или взломать.
«В настоящее время добыча криптовалюты доступна только тем, кто имеет доступ к энергии с высокой скидкой — ниже $0,05/кВтч», — говорит первый автор исследования Сунил Пай, который проводил исследование в Стэнфорде, а сейчас работает в компании по квантовым вычислениям PsiQuantum. «Наши чипы с низким энергопотреблением позволят людям во всем мире участвовать в майнинге с прибылью».
В журнале Optica исследователи подробно описывают свою новую схему под названием LightHash, которая использует фотонную интегральную схему для создания фотонного блокчейна. При дальнейшем развитии, по прогнозам исследователей, этот подход, если он будет реализован в больших масштабах, может обеспечить примерно десятикратное улучшение энергопотребления по сравнению с лучшими современными цифровыми электронными процессорами. Дэвид А.Б. Миллер возглавлял исследовательскую группу Стэнфордского университета совместно с Шаньхуэй Фаном и Олафом Солгаардом.
«Наш подход к фотонному блокчейну также может быть использован для приложений, выходящих за рамки криптовалюты, таких как безопасная передача данных для медицинских записей, смарт-контрактов и голосования», — сказал Пай. «Эта работа прокладывает путь к низкоэнергетическим оптическим вычислениям, которые, в конечном счете, могут снизить энергопотребление центров обработки данных».
Более экологичная добыча полезных ископаемых с помощью кремниевой фотоники
Растущая обеспокоенность по поводу большого количества энергии, необходимой для добычи криптовалют, заставила некоторые популярные криптовалюты, такие как Ethereum, перейти на непроверенные и потенциально небезопасные схемы, чтобы минимизировать свой углеродный след.
Чтобы найти более экологичный подход при сохранении высокого уровня безопасности, Пай и его коллеги используют кремниевую фотонику для снижения энергопотребления криптовалютных сетей. LightHash улучшает ранее разработанную командой схему под названием HeavyHash, которая в настоящее время используется в таких криптовалютных сетях, как Optical Bitcoin и Kaspa.
«Основной мотивацией для создания LightHash была высокая чувствительность HeavyHash к аппаратным ошибкам», — сказал Пай. «Поскольку аналоговые компьютеры, включая фотонные, с трудом добиваются низких коэффициентов ошибок, мы разработали LightHash, чтобы сохранить все свойства безопасности HeavyHash, одновременно повысив его устойчивость к ошибкам».
Для безопасного создания Bitcoin или работы его вычислительной сети требуется вычисление хэш-функции типа SHA256 или HeavyHash для преобразования входных данных в одно выходное число слишком сложным способом, чтобы его можно было отменить, что составляет основную часть энергопотребления Bitcoin. В новой работе исследователи модифицировали Heavyhash для работы с совместно разработанным кремниевым фотонным чипом, содержащим сеть программируемых интерферометров 6×6. Это позволило осуществлять низкоэнергетическую оптическую обработку матричных умножений, которые составляют основную часть вычислений в Lighthash.
Чтобы оценить возможность использования LightHash для перемножения матриц, исследователи создали оптическую установку для управления и отслеживания распространения света путем настройки нагревательных элементов и получения изображения пятен решетки на инфракрасную камеру. Они также реализовали алгоритм смягчения ошибок и установили критерии осуществимости для масштабирования технологии.