聚焦 | 先进计算为区块链普及打破技术瓶颈- 大数跨境

链向科技

2022-03-01

链向聚焦

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。

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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。