区块链技术瓶颈被先进计算打破

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区块链技术经过十多年的发展,已经在数字金融、物联网、智能制造、供应链管理、数字资产交易等领域进行了应用探索。然而,区块链的大规模应用仍面临着计算、存储负担过重以及51%的算力攻击等挑战。

先进计算技术是当今许多具有战略意义的新兴技术的基础,能够打破制约区块链广泛应用的技术瓶颈,给区块链发展带来新的机遇。但不容忽视的是,先进计算同时也会给区块链带来新的安全挑战。

存储和计算成为瓶颈

对于区块链的大规模应用而言,存储和计算是两大瓶颈。区块链自身的技术特点决定了存储和计算成为刚需。区块链要求每个节点配备一个完整的账本且在交易时进行全网广播。该特点导致随着节点数量的增加,每个节点存储的区块链数据的体积会不断增大,存储和计算的负担会越来越重。

区块链的不断发展面临存储和计算两大挑战。其一,节点存储空间受限。以比特币区块链为例,2016年账本数据量为80G,2017年达到130G,2018年超过200G.未来,电脑等终端节点的存储空间将无法满足区块链账本数据的存储需求。其二,计算能力受限。节点计算能力不足会影响区块链系统的整体性能。从交易验证时间来看,当前比特币交易的一次确认时间大约为10分钟,在六次确认的情况下等待时间约为1小时。因此,区块链现实的交易确认时间相比理想状态还有很大的差距。从交易效率来看,区块链每秒处理的笔数峰值一般小于7,显然有待大幅提高。

此外,区块链还面临着内生安全问题。区块链目前面临的最大风险之一就是51%的算力攻击。在区块链系统中,使用最广泛和成熟的共识机制是工作量证明(POW)。在POW机制下,如果某个节点拥有全网51%以上的算力,就能够支配交易的验证流程,对整个区块链形成控制,就可能发生51%的算力攻击。不过,随着比特币的快速发展,系统算力出现了爆发式增长,因此发生51%攻击的概率极低。例如,2013年,比特币全网算力就已经达到世界前500强超级计算机算力之和的20倍。但是,部分区块链应用仍面临51%算力攻击的风险。2019年就发生多起51%算力攻击事件。例如,2019年1月5日以太坊遭遇51%算力攻击,持续了3天,最终损失金额约为110万美元。

先进计算有力打破瓶颈

面对各行业的海量数据处理需求,先进计算正朝着多个方向持续提升算力,而这是打破区块链发展瓶颈的有效方法。一方面,产业界仍在不断改进芯片制造工艺而提高芯片性能。例如,台积电在2018年4月实现量产的7nm工艺,相比上一代工艺芯片功耗降低40%,性能提升15%。另一方面,产业界也在通过推出特定领域的专用架构来提升算力。例如,阿里巴巴旗下芯片公司2019年7月推出国内首款全链路智能合约处理器,实现了计算效率50%以上的提升。先进计算带来的存储、计算能力的增强,将有效解决区块链节点快速扩展而产生的体积过大以及存储、计算负担过重等问题。

不过,超强算力也增加了区块链的安全风险。近年来,以量子计算为典型代表的非冯诺依曼架构技术不断取得新的突破,计算性能得到极大提高。2019年10月,谷歌团队成功演示了“量子霸权”,其研制的一个包含53个有效量子比特的处理器“西克莫”,在测试中仅用了约200秒就完成当前全球最好的超级计算机需要约1万年才能完成的计算任务。当前,已有研究通过比对枚举法指出,一台具有4000个以上量子比特的量子计算机就能瓦解区块链。此外,比特币和以太坊等传统区块链,采用了经典的公钥加密技术来签署交易,这种加密技术也容易受到量子计算的暴力攻击。

对于区块链而言,先进计算就如同硬币的两面。一方面,先进计算正通过多种路径提升计算性能,从而有效解决区块链面临的计算和存储能力不足等问题,为区块链快速发展提供动力;另一方面,算力的大幅提升使区块链面临新的安全挑战,包括51%的算力攻击和传统加密算法面临的新威胁。面对先进计算给区块链发展带来的机遇,产学研各界应积极布局,争取早日实现区块链的大规模应用。与此同时,还应加强区块链安全的前瞻性研究,弥补传统区块链共识机制和加密技术的不足。

(文章来源:人民邮电报)

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