NDP-Ledger：面向區(qū)塊鏈應(yīng)用的通用高通量加速架構(gòu)①

安述倩 李文明 范志華 吳海彬 吳 萌 王 達(dá) 張 浩 唐志敏

(*計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所) 北京 100190)

(**中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

0 引 言

作為去中心化交易協(xié)議，區(qū)塊鏈已廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，如數(shù)字貨幣、金融服務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things，IoT)[1-4]等，成為研究熱點(diǎn)之一。最初基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)字貨幣應(yīng)用，如比特幣采用的典型的安全哈希算法(secure Hash algorithm，SHA-256)對(duì)計(jì)算資源需求較大，對(duì)存儲(chǔ)容量和帶寬的需求較小，這使SHA-256算法在圖形處理器(graphics processing unit， GPU)上取得了優(yōu)異的效率。但是由于GPU的通用性設(shè)計(jì)，SHA-256并不能充分利用GPU上的各類計(jì)算資源，導(dǎo)致計(jì)算能效比并不理想[5]。另一方面，由于SHA-256算法固定，計(jì)算模式簡(jiǎn)單，定制化的ASIC芯片較GPU可以實(shí)現(xiàn)更高的性能和能效比[6]，成為了當(dāng)前數(shù)字貨幣領(lǐng)域的主要算力之一。但是ASIC芯片卻違背了比特幣設(shè)計(jì)的去中心化思想[7]，為緩解這種沖突，研究人員提出了眾多新的數(shù)字貨幣應(yīng)用，如萊特幣(litecoin, LTC)[8]、以太坊(Ethereum)[9]、Dash幣[10]、Zcash[11]、Equihash算法[12]、Bytom[13]等，算法變得更加復(fù)雜，并且需要更大的存儲(chǔ)容量和更高的訪存帶寬。這些數(shù)字貨幣的發(fā)展方向是尋找反中心化算法以實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈處理器的公平性，導(dǎo)致越來(lái)越多的區(qū)塊鏈算法增加了對(duì)存儲(chǔ)、內(nèi)存帶寬的需求，并降低了對(duì)計(jì)算資源的需求，這使中央處理器(central processing unit, CPU)、GPU甚至ASIC的效率越來(lái)越低。同時(shí)，區(qū)塊鏈算法迅速演變，而ASIC只能針對(duì)一類區(qū)塊鏈算法進(jìn)行加速，無(wú)法實(shí)現(xiàn)通用性的加速。基于以上分析，需要找到相對(duì)通用的處理架構(gòu)，滿足高能效的區(qū)塊鏈算法處理。……