[論文レビュー] AsicBoost - A Speedup for Bitcoin Mining

Yaish, Aviv, Zohar, Aviv|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2016

Blockchain Technology Applications and Security被引用数 12

ひとこと要約

AsicBoostは、複数のブロックヘッダ候補間でSHA-256メッセージスケジュールを再利用することで、20%のパフォーマンス最適化を実現するBitcoinマイニング技術である。これは、マイニングループの順序を再編し、複数のミッドステート間でExpander 1の計算を共有することで、ゲート数を削減し、ギガハッシュあたりのエネルギー消費量とコストを約20%削減する。

ABSTRACT

AsicBoost is a method to speed up Bitcoin mining by a factor of approximately 20%. The performance gain is achieved through a high-level optimization of the Bitcoin mining algorithm which allows for drastic reduction in gate count on the mining chip. AsicBoost is applicable to all types of mining hardware and chip designs. This paper presents the idea behind the method and describes the information flow in implementations of AsicBoost.

研究の動機と目的

• 既存の低レベルのハードウェア最適化を超える、新しいアルゴリズム最適化を考案すること。
• マイニングASICにおけるSHA-256処理の計算オーバーヘッドを、複数の作業項目間で中間結果を再利用することで低減すること。
• エネルギー消費量（Joules per Gh）およびシステムコスト（$ per Gh/s）を低減し、マイニングの収益性を向上させること。
• パイプライン化されたおよび非パイプライン化されたコア設計などの、既存のASIC設計哲学と互換性を持つパフォーマンス向上を実現すること。
• 本手法がASIC（ハードウェア）またはGPU（ソフトウェア）で実装可能であり、メモリ豊富な環境では最小限のオーバーヘッドで実現できることを示すこと。

提案手法

• マイニングループを見直し、ノンスを更新する前に複数のミッドステート（重複するブロックヘッダから得られるもの）を処理することで、Expander 1関数の再利用を可能にする。
• 前回のハッシュの自由ビットや取引の再順序化によって、最初のチャンクのみを変化させることで、重複するブロックヘッダ候補を生成し、メルクルルートやメッセージ部分を一定に保つ。
• 複数のハッシュコア（例：Duo-coreやMulti-core設計）間でExpander 1の出力を共有することで、重複計算とゲート数を削減する。
• ノンスまたはメッセージが変更された場合にのみExpander 1の論理がトグルするLow-Toggleコア設計を実装し、動的消費電力を最小限に抑える。
• マイニングソフトウェアで作業項目を事前処理し、重複する候補のミッドステートとメッセージを計算・キャッシュしてからASICに送信する。
• メッセージスケジュールの再利用により、内側のループからExpander 1関数を削除し、高周波度の演算数を最大25%まで削減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SHA-256メッセージスケジュールを複数のブロックヘッダ間で再利用することで、Bitcoinマイニングにおける重複計算を削減できるか？
• RQ2 マイニングループの再順序化と中間計算の共有によって、ASIC設計で得られる最大のパフォーマンス向上はどの程度か？
• RQ3 AsicBoostによるゲート数の削減が、エネルギー効率およびギガハッシュあたりのシステムコストにどのように反映されるか？
• RQ4 AsicBoostは、パイプライン化または非パイプライン化されたコア設計などの、既存のASIC設計手法とどの程度互換性を持つのか？
• RQ5 GPUなどのソフトウェア環境でも、顕著なメモリまたは計算オーバーヘッドなしに、AsicBoostのパフォーマンス向上を達成できるか？

主な発見

• 16個の重複する作業項目を処理する際、AsicBoostは最大23.4%のパフォーマンス向上を達成し、Expander 1が合計計算量の1/4を占める場合、理論的最大限25%の向上が可能である。
• 本手法により、エネルギー消費量（Joules per Gh）およびシステムコスト（$ per Gh/s）がそれぞれ約20%削減され、マイニングの収益性が直接的に向上する。
• パフォーマンス向上は、既存の最適化と加法的である。AsicBoost以前に既知の最適化で7%の向上が得られていたため、20%の向上は極めて有意義である。
• AsicBoostは、パイプライン化および非パイプライン化されたASICコア設計の両方と互換性があり、既存のマイニングハードウェアアーキテクチャに広く適用可能である。
• メモリが豊富な環境のため、GPU上でのソフトウェア実装でも最小限のオーバーヘッドで実現可能であり、非ASICプラットフォームでも実用的である。
• Low-Toggleコア設計により、ノンスまたはメッセージが変更された場合にのみExpander 1のトグルが発生するように制限され、エネルギー消費の削減が維持される。