[论文解读] AsicBoost - A Speedup for Bitcoin Mining

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

Blockchain Technology Applications and Security被引用 12

一句话总结

AsicBoost 是一种针对比特币挖矿的 20% 性能优化技术，通过在多个区块头候选者之间重用 SHA-256 消息调度，利用生成的碰撞工作项实现优化。其通过重新排列挖矿循环并跨多个中间状态共享 Expander 1 计算，减少门电路数量，从而将每吉哈希的能量消耗和成本降低约 20%。

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.

研究动机与目标

• 开发一种新颖的算法优化方法，以超越现有低层级硬件优化，提升比特币挖矿效率。
• 通过在多个工作项之间重用中间结果，降低挖矿 ASIC 中 SHA-256 处理的计算开销。
• 降低能量消耗（每吉哈的焦耳数）和系统成本（每吉哈每秒的美元数），从而提升挖矿盈利能力。
• 实现与现有 ASIC 设计理念（如流水线和非流水线核心）兼容的性能提升。
• 证明该方法可在硬件（ASIC）或软件（GPU）中实现，且在内存丰富的环境中具有极低的内存开销。

提出的方法

• 重新组织挖矿循环，先在多个中间状态（来自碰撞的区块头）上迭代，再更新非ces，从而实现 Expander 1 功能的重用。
• 通过仅改变第一块（例如，利用前一个哈希中的自由位或交易重排）生成碰撞的区块头候选者，同时保持默克尔根或消息部分不变。
• 在多个哈希核心（例如，双核或多人核设计）之间共享 Expander 1 输出，减少冗余计算和门电路数量。
• 实现低翻转核心设计，使 Expander 1 逻辑仅在非ces或消息改变时翻转，从而最小化动态功耗。
• 在挖矿软件中预处理工作项，计算并缓存碰撞候选者的中间状态和消息，再将其发送至 ASIC。
• 通过重用消息调度，从内层循环中消除 Expander 1 功能，最多减少 25% 的高频操作次数。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以跨多个区块头重用 SHA-256 消息调度，以减少比特币挖矿中的冗余计算？
• RQ2 通过重新排列挖矿循环并共享中间计算，在 ASIC 设计中可实现的最大性能提升是多少？
• RQ3 AsicBoost 减少门电路数量后，如何转化为可测量的能量效率和每吉哈成本的改善？
• RQ4 AsicBoost 与现有 ASIC 设计方法（如流水线或非流水线核心）的兼容程度如何？
• RQ5 AsicBoost 的性能提升是否可在软件（如 GPU）中实现，且不会带来显著的内存或计算开销？

主要发现

• 当处理 16 个碰撞工作项时，AsicBoost 可实现高达 23.4% 的性能提升，若 Expander 1 占总计算的四分之一，则理论最大提升可达 25%。
• 该方法使能量消耗（每吉哈的焦耳数）和系统成本（每吉哈每秒的美元数）均降低约 20%，直接提升挖矿盈利能力。
• 该性能提升与先前优化具有累加性——此前已知优化的总增益约为 7%，因此 AsicBoost 的 20% 提升具有重大意义。
• AsicBoost 与流水线和非流水线 ASIC 核心设计均兼容，可在现有挖矿硬件架构中广泛适用。
• 由于随机存取内存的可用性，该方法可在 GPU 上以极低开销实现软件化，使其在非 ASIC 平台中也具备可行性。
• 低翻转核心设计通过仅在非ces或消息改变时限制 Expander 1 的翻转频率，有效降低动态功耗，保持能量节省效果。