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张首晟:用自然科学的观点看区块链

2018-5-25 13:53

来源: 清华x-lab

达到共识必然造成熵减


到了区块链的时代,首先大家碰到的一个问题,就是当电脑开始变得越来越多的时候,我们要形成一个网,就是一个分布式的计算机系统。比如说我们要有一个共同的数据库,然而到底谁有权来修改这个数据库?修改顺序是什么?

这些分布式的计算机,能不能有一个机制能够达到共识?大家首先想到的是,能不能有一个确定性的算法,来总指挥所有这些分布式的计算机,或者是做一些共同认可的事情。

现在的情况就像当年的永动机,当年至少有1000多个专利研究永动机。后来你们也知道,还是没有研究出永动机。这个跟分布式的计算机碰到的问题一样,大家想找到一个确定性的算法,能够告诉所有计算机怎么来进行,后来大家搞了半天,没人做得出来。

这跟物理学的概念非常接近,如果在运动的分子中间做一个墙,隔成两半,开一个小小的洞,当看见一个特别快的分子过来的时候,就把门打开,看见一个特别慢的分子过来,就把门关起来。久而久之,这边温度非常高,那边温度非常低,一旦有了温差之后,就可以造机器,用它来做功。很显然,这是不可能的事情,一个完全稳定的状态,达到热平衡的状态,不能拿出来做功。

类似的,不可能有一些中央指挥的机制,能用一个确定式的办法能够告诉这些计算机怎么来达到共识、不让把熵增得更大。

最终不可能的原因,就是热力学的第二点:整个系统的熵永远是增加的。

科学伟大的东西总是不约而同的。热力学里面引进的熵的概念,计算机科学里面也引进了熵的概念。

今天来到区块链的时代,大家要找到一个新的共识机制,这样的话,如果用高层次的原理来看的话,我们就可以看得非常清楚:

要达到共识,必然是一个熵减的行为,必然要排出去一部分熵。

今天的比特币区块链系统至少在定性上是完全满足这点的。一旦有了账本,就等于有了货币,但是这必然会有代价,就是周围的熵也要增加。所以在比特币的系统里面,我们要算哈希函数,计算过程当中,熵就产生了。产生之后,就会达到子系统的共识,熵减,但是总的系统的熵是在增加。

这是一个定性的结果,而不是一个定量的结果,要达到一个单位的共识的话,必然需要消耗掉一些熵,但是比特币是不是熵消耗得太多了?

这是一个非常非常有趣的问题。有没有一个熵的下限,也就是达到单位共识必然最少需要消耗多少熵,然后可以把现在比特币所消耗的熵跟最低的标准进行对比,看看是不是这个系统里面可以进化。

计算机科学里面有一个类似的结果:做一个比特的运算消费的能量是室温的温度转化成能量单位。但是现在所有的计算机,每做一个比特的运算所消耗的能量是这个结果的一百万倍。就此看来,计算机今后能耗越来越低是非常有可能的。

在区块链系统里面,我们面对同样一个问题,大家不要认为区块链只是发一些币,其实里面有非常非常深刻的学问在里面,大家如果真是一个聪明的学生,能不能尝试证明一下里面最低的下限,即达到共识一定要花费多少能量。

区块链里面也是一样的。大家在试图从理论上证明达到共识一定要花费多少能量,有没有一个下限。如果证明了,说不定也能把比特币的能耗降下来。

现在整个计算机系统里面,浪费的最多资源,其实是储存的资源。我在家里买了硬盘,10TB大小,但是我的照片只占用了1TB的空间。至少在很长的时间里面,剩余的这部分硬盘空间是没用的。

现在有一个办法是在硬盘里面撒种子一样撒很多的随机数,如果每个人都买一个硬盘,只要来比较一下,新产生出来一个随机数,跟在座各位硬盘上所储存出来的随机数,谁最接近谁有权投票。这是一个非常聪明的办法,是真正的绿色的虚拟货币。

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