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The Economics of Proof-of-Useful-Work

Dieses Paper präsentiert ein Wettbewerbsgleichgewichtsmodell, das demonstriert, dass Proof-of-Useful-Work (PoUW)-Blockchains sicher wertvolle externe Outputs wie maschinelles Lernen zur Inferenz generieren können, ohne die Sicherheit zu gefährden, da die ökonomischen Kosten von Angriffen an die Blockbelohnungen gebunden bleiben, während Token-Belohnungen in spezifischen Adoptionsregimen die gesellschaftlich nützliche Komputation effektiv subventionieren und erweitern.

Ursprüngliche Autoren: Rafael Pass

Veröffentlicht 2026-06-08

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CC BY 4.0

Ursprüngliche Autoren: Rafael Pass

Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen

Die Grundidee: Vom Geldverbrennen zum Brotbacken

Stellen Sie sich ein digitales Währungssystem vor (wie Bitcoin), das gesichert werden muss. Derzeit müssen Computer auf der ganzen Welt extrem schwierige mathematische Rätsel lösen, um dieses System sicher zu halten. Dieser Prozess wird als Proof-of-Work (PoW) bezeichnet.

Das Problem: Diese Rätsel sind darauf ausgelegt, nutzlos zu sein. Sie verbrauchen enorme Mengen an Strom und Rechenleistung, nur um zu sagen: „Ja, diese Transaktion ist echt.“ Es ist wie eine Bäckerei, die für eine Million Dollar Holz verbrennt, nur um den Ofen heiß zu halten, aber dabei nie Brot backt. Die Hitze hält die Bäckerei zwar sicher, aber niemand kann das Ergebnis essen.

Der Vorschlag: Diese Arbeit untersucht eine neue Idee namens Proof-of-Useful-Work (PoUW). Anstatt Energie für nutzlose Rätsel zu verschwenden, würden die Computer Rätsel lösen, die tatsächlich etwas Nützliches bewirken, wie etwa das Training von Künstlicher Intelligenz (KI) oder die Verarbeitung von Daten. Die Bäckerei würde also immer noch den Ofen heiß halten, um die Sicherheit zu gewährleisten, aber sie würde gleichzeitig auch Brot backen, das die Menschen essen können.

Die große Angst: „Warum sollte ein Angreifer angreifen, wenn er dafür bezahlt wird?“

Kritiker bringen einen einfachen Einwand vor: „Wenn die Arbeit nützlich ist, könnte ein Angreifer einfach die Rechenleistung stehlen, die nützliche Arbeit erledigen, die Ergebnisse verkaufen und dieses Geld nutzen, um den Angriff zu bezahlen. Es ist, als würde man dafür bezahlt, eine Bank auszurauben!“ Sie argumentieren, dass dies das System leicht angreifbar macht.

Die Antwort der Arbeit: Die Autoren haben ein komplexes Wirtschaftsmodell erstellt, um dies zu testen. Sie fanden heraus, dass diese Angst falsch ist. Selbst wenn die Arbeit nützlich ist, bleibt die Kostenstruktur für einen Angriff genauso hoch wie in den aktuellen „nutzlosen“ Systemen. Warum? Weil der Markt sich anpasst. Wenn Angreifer versuchen, die nützliche Arbeit zu erledigen, sinkt der Preis für diese Arbeit oder die Kosten des Angriffs steigen, bis die Mathematik im Gleichgewicht ist. Man kann kein „Gratis-Mittagessen“ erwarten.

Die drei Wirtschaftswelten

Die Arbeit beschreibt drei verschiedene „Welten“ oder Szenarien, die eintreten können, je nachdem, wie effizient die Technologie ist und wie populär die Währung ist. Betrachten Sie dies als drei verschiedene Stadien der Evolution einer Bäckerei:

1. Bitconia (Der alte Weg)

Das Szenario: Die Technologie, um „nützliche Arbeit“ zu leisten, während das System gleichzeitig gesichert wird, ist zu schwerfällig und ineffizient. Es ist, als versuche man, Brot zu backen, während man gleichzeitig versucht, den Ofen heiß zu halten, aber der Ofen wird ständig kalt.
Das Ergebnis: Das System gibt den nützlichen Teil auf. Es kehrt zur alten Methode zurück: Computer verbrennen einfach Energie für nutzlose Rätsel, um die Sicherheit zu gewährleisten. Das „Brot“ (die nützliche Arbeit) wird separat von anderen Bäckereien hergestellt.
Fazit: Kein Gewinn. Es ist genau wie das heutige Bitcoin.

2. Fortessia (Die Festung)

Das Szenario: Die Technologie wird besser. Jetzt können die Computer nützliche Arbeit leisten und das System gleichzeitig sichern, mit nur einem minimalen Mehraufwand (Overhead).
Das Ergebnis: Das System stellt die nutzlosen Rätsel vollständig ein. Es wechselt in den „nützlichen“ Modus.
Die Magie: Da die Computer nun zwei Dinge gleichzeitig tun, wird das System viel sicherer als zuvor, ohne dass dafür zusätzliches Geld oder zusätzliche Energie benötigt wird. Es ist wie eine Festung, die nun von Soldaten bewacht wird, die gleichzeitig die Mauern bauen. Die Mauern sind stärker, und die Soldaten werden trotzdem gleich bezahlt.
Fazit: Wir erhalten mehr Sicherheit umsonst, aber die Menge an „Brot“ (nützlicher Arbeit) bleibt gleich groß wie zuvor.

3. Duplexia (Der Doppelsieg)

Das Szenario: Die Technologie ist sehr effizient und die Währung ist sehr populär (die Menschen wollen sie unbedingt nutzen).
Das Ergebnis: Das System tritt in einen „supergeladenen“ Modus ein. Die Belohnungen aus der Währung wirken wie eine Subvention (ein Rabattgutschein) für die nützliche Arbeit.
Die Magie: Da die Belohnungen der Währung helfen, die Arbeit zu bezahlen, sinkt der Preis für die nützliche Arbeit (wie KI-Verarbeitung). Wenn der Preis sinkt, wollen mehr Menschen sie kaufen. Dies erzeugt eine Rückkopplungsschleife:
1. Niedrigere Preise bedeuten, dass mehr Menschen die nützliche Arbeit wollen.
2. Mehr Nachfrage bedeutet, dass die Währung wertvoller wird.
3. Eine wertvollere Währung bedeutet noch größere Belohnungen für die Arbeiter.
4. Dies ermöglicht es dem System, mehr nützliche Arbeit als je zuvor zu produzieren, und das zu einem niedrigeren Preis.
Fazit: Wir erhalten einen „Doppelsieg“. Das System wird sicherer UND wir erleben eine massive Ausweitung der nützlichen Arbeit (wie mehr KI-Verarbeitung), die ohne die Blockchain nicht existieren würde.

Die Entkräftung des „Strohmann“-Arguments

Die Arbeit widmet sich ausführlich dem „Strohmann“-Argument (der Idee, dass Angreifer dafür bezahlt werden, anzugreifen).

Der Mythos: „Wenn ich angreife, kann ich die nützliche Arbeit, die ich generiere, verkaufen, also kostet mich mein Angriff nichts.“
Die Realität: Die Arbeit zeigt, dass sich in einem ausgewogenen Markt der Preis der nützlichen Arbeit anpasst. Wenn ein Angreifer versucht, den Markt mit nützlicher Arbeit zu überschwemmen, sinkt der Preis dieser Arbeit. Der „Profit“ aus dem Verkauf der Arbeit verschwindet.
Das Fazit: Die Kosten für einen Angriff sind weiterhin an den Wert der Währungsbelohnungen gebunden. Es ist nicht billig. In der „Duplexia“-Welt kann es sogar teurer sein anzugreifen, weil das System so viel Wert generiert.

Die Frage nach dem „Gratis-Mittagessen“

Bedeutet das, dass wir nützliche Arbeit geschenkt bekommen?

Sozusagen, aber nicht wirklich. Die Arbeit erklärt, dass die „Subvention“ aus der Erstellung neuer Währung (Inflation) stammt. Dies ist vergleichbar damit, wie Regierungen Geld drucken, um öffentliche Dienstleistungen zu bezahlen.
Der Kompromiss: Während wir die „Verschwendung“ durch nutzlose Rätsel vermeiden, führen wir eine kleine Menge an „Verschwendung“ in Form von Wohlfahrtsverlusten (Deadweight Loss) ein. Dies geschieht, weil die Subvention den Preis so stark senkt, dass einige Menschen die Dienstleistung nutzen, obwohl die Produktionskosten höher sind, als sie selbst den Nutzen daran beimessen.
Das Urteil: Die Arbeit argumentiert jedoch, dass diese kleine Verschwendung in der Regel viel geringer ist als die massive Verschwendung durch das Verbrennen von Energie für nutzlose Rätsel im alten System. Es ist also dennoch ein Netto-Plus für die Gesellschaft.

Zusammenfassung in einem Satz

Diese Arbeit beweist, dass wir eine Blockchain bauen können, die sich durch nützliche Arbeit (wie KI) selbst sichert, ohne es Hackern zu erleichtern, anzugreifen, und dass dieses System im besten Fall sogar mehr nützliche Arbeit und mehr Sicherheit als unsere derzeitigen Systeme schafft, während die wirtschaftlichen Kosten im Gleichgewicht bleiben.

Technisches Resümee: Die Ökonomie von Proof-of-Useful-Work

Problemstellung

Proof-of-Work (PoW) Blockchains, wie etwa Bitcoin, sichern verteilte Ledger durch Rechenaufwand, der in ökonomischer Hinsicht absichtlich nutzlos ist. Während dieser „Abfall“ als notwendig argumentiert wird, um Angriffe ökonomisch schmerzhaft zu machen, generiert er keinen externen Wert. Ein aufkommender Alternativvorschlag, Proof-of-Useful-Work (PoUW), schlägt vor, dass dieselben Rechenressourcen, die für den Konsens genutzt werden, gleichzeitig ökonomisch wertvolle Aufgaben, wie etwa Machine Learning (ML) Inferenz, ausführen könnten.

PoUW steht jedoch einer signifikanten ökonomischen Kritik gegenüber: Wenn die Arbeit nützlich ist, könnte ein Angreifer theoretisch „dafür bezahlt werden, anzugreifen“, indem er den während des Angriffs generierten nützlichen Output verkauft, was potenziell die ökonomischen Kosten der Kompromittierung des Netzwerks zum Einsturz bringen könnte. Diese Arbeit untersucht formal, ob diese Intuition unter Bedingungen des kompetitiven Gleichgewichts Bestand hat, und charakterisiert die ökonomischen Trade-offs von PoUW-Systemen.

Methodik

Die Autoren entwickeln ein Modell des kompetitiven Gleichgewichts einer PoUW-Blockchain-Ökonomie. Das Modell abstrahiert das zugrunde liegende Konsensprotokoll (unter Annahme eines Standard-Nakamoto-Stils) und konzentriert sich auf die Allokation von Rechenressourcen über drei Aktivitäten hinweg:

Reines Mining ( $M$ ): Generiert Sicherheit (Hashrate), aber keinen nützlichen Output.
Reine Inferenz ( $L$ ): Generiert nützlichen Output (z. B. ML-Inferenz), aber keine Sicherheit.
Duplex-/Hybrid-Arbeit ( $D$ ): Generiert gleichzeitig Sicherheit und nützlichen Output, jedoch mit technologischen Overheads.

Schlüsselparameter:

Overheads ( $\alpha, \gamma$ ): Eine Duplex-Operation produziert $1/\alpha$ Einheiten Inferenz und $1/\gamma$ Einheiten Sicherheit. $\alpha, \gamma \ge 1$ . Wenn $\alpha=1$ und $\gamma=1$ , ist Duplex perfekt effizient; typischerweise sind $\alpha, \gamma > 1$ (z. B. 1,3), was einen Overhead von ca. 23 % gegenüber spezialisierten Aufgaben darstellt.
Duplex-Overhead-Index ( $\Delta$ ): Definiert als $\Delta = \frac{1}{\gamma} + \frac{1}{\alpha} - 1$ . Er bestimmt, ob Duplex effizienter ist als die Aufteilung der Ressourcen auf reines Mining und reine Inferenz.
Token-Inferenz-Verhältnis ( $\theta$ ): Ein Skalarparameter definiert als $\theta = \frac{PR}{pQ}$ , wobei $P$ der Tokenpreis, $R$ die Blockbelohnung, $p$ der Inferenzpreis und $Q$ das gesamte Angebot an Inferenz ist. Dieses Verhältnis misst den Grad der ökonomischen Kopplung zwischen der Token-Ökonomie und dem Inferenzmarkt.

Das Modell nimmt eine Kontinuum von kompetitiven Agenten mit freiem Eintritt an, wodurch die Gewinne im Gleichgewicht auf Null sinken. Der Inferenzmarkt wird als Bertrand-Wettbewerb modelliert (Preis entspricht Grenzkosten, falls Solo-Inferenz aktiv ist), während der Sicherheitsmarkt als Tullock-Wettbewerb modelliert wird (Belohnungen werden proportional zur Hashrate geteilt).

Zentrale Beiträge und Ergebnisse

1. Charakterisierung von drei ökonomischen Regimen

Die Arbeit liefert eine vollständige geschlossene Charakterisierung der Gleichgewichtsallokationen und Preise, die zeigt, dass drei distinkte Regime durch die Duplex-Effizienz ( $\Delta$ ) und das T/I-Verhältnis ( $\theta$ ) bestimmt werden:

Bitconia ( $\Delta < 0$ ): Duplex ist technologisch ineffizient. Die Ökonomie reduziert sich auf ein klassisches PoW-System, in dem Mining und Inferenz vollständig entkoppelt sind ( $M > 0, L > 0, D = 0$ ). Die Inferenzpreise entsprechen den Rechenkosten ( $p=e$ ), und die Sicherheit wird vollständig durch verschwendete Rechenleistung produziert.
Fortessia ( $\Delta > 0, \theta < \theta_{low}$ ): Duplex ist effizient, aber die Token-Ökonomie ist relativ klein. Duplex ersetzt reines Mining ( $M=0, D>0$ ), während Solo-Inferenz weiterhin aktiv bleibt ( $L>0$ ). Die Inferenzpreise bleiben bei $p=e$ fixiert, sodass das Volumen der nützlichen Rechenleistung unverändert gegenüber Bitconia bleibt. Die Sicherheit steigt jedoch strikt an, da der Overhead von Duplex geringer ist als der „Abfall“ durch reines Mining. Die Sicherheit wird „fortifiziert“.
Duplexia ( $\Delta > 0, \theta > \theta_{low}$ ): Sowohl die Technologie als als auch die Token-Adoption sind stark. Solo-Inferenz verschwindet ( $L=0$ ), und die gesamte Inferenz wird über Duplex-Arbeit produziert. Entscheidend ist, dass der Inferenzpreis unter die Rechenkosten fällt ( $p < e$ ). Blockbelohnungen wirken effektiv als Subvention, die den Inferenzmarkt über das Standalone-Optimum hinaus erweitern. Dies erzeugt eine positive Rückkopplungsschleife: Niedrigere Preise erhöhen die Inferenznachfrage, was den Tokenwert steigert (unter festem $\theta$ ), was wiederum die Subvention verstärkt.

2. Widerlegung des „Paid to Attack“-Strohmann-Arguments

Die Arbeit adressiert formal die Kritik, dass PoUW Angriffe billig macht, weil Angreifer den nützlichen Output verkaufen können.

Ergebnis: In jedem kompetitiven Gleichgewicht betragen die ökonomischen Kosten eines 50%-Angriffs exakt $\frac{PR}{2}$ , unabhängig vom Regime.
Mechanismus: Während ein Angreifer, der Duplex-Rechenleistung nutzt, Inferenz-Einnahmen ( $p/\alpha$ ) erzielt, passt sich der Gleichgewichtspreis $p$ so an, dass die Nettokosten für den Erwerb von Sicherheitsgewicht weiterhin an das Blockbelohnungsbudget gebunden sind. Wenn der Angreifer Duplex-Rechenleistung nutzt, wird der erzielte Umsatz exakt durch die Reduktion des Tokenpreises oder die spezifischen Gleichgewichtsbedingungen kompensiert, was sicherstellt, dass die Kosten eines Angriffs nicht niedriger sind als in einem klassischen PoW-System. In Duplexia sind die Kosten aufgrund des durch den erweiterten Inferenzmarkt gesteigerten Tokenwerts sogar schwach höher als in Bitconia.

3. Sozialer Wert und Effizienz

Die Arbeit analysiert den Nettosozialwert ( $\Delta SV$ ) von PoUW im Vergleich zu einem eigenständigen Inferenzmarkt und klassischem PoW.

Vergleich zu Bitcoin: Bei gleicher Blockbelohnung ($PR$) dominiert Duplexia Bitcoin strikt, da dieselbe Ausgabe wertvolle Inferenz statt reinen Abfalls produziert.
Vergleich bei festem $\theta$ : Beim Vergleich von Gleichgewichten bei gleichem T/I-Verhältnis vermeidet Duplexia den Mining-Abfall von Bitcoin, führt jedoch zwei Kosten ein:
1. Duplex-Overhead: Die Ineffizienz beim gleichzeitigen Ausführen von nützlicher Arbeit und Mining.
2. Deadweight Loss (Wohlfahrtsverlust): Die Subvention senkt die Preise unter die Grenzkosten, was einen Konsum induziert, dessen Wert für Konsumenten geringer ist als deren Ressourcenkosten.
Dominanzbedingung: Unter isoelastischer Nachfrage mit Elastizität $\varepsilon > 1$ dominiert Duplexia Bitcoin strikt, wenn und nur wenn $\theta < \frac{1}{\varepsilon - 1}$ . Für $\varepsilon = 2$ dominiert Duplexia immer dann, wenn die Einnahmen des Inferenzmarktes die Einnahmen der Blockbelohnung übersteigen.

4. Robustheit und Heterogenität

Die Ergebnisse lassen sich auf Settings mit heterogenen Rechenkosten (modelliert über eine aufsteigende Angebotskurve) übertragen. Die Regimestruktur (Bitconia, Fortessia, Duplexia) bleibt invariant, wobei die Fixkosten $e$ durch eine endogene Grenzkostenfunktion $e^*$ ersetzt werden. Das Ergebnis zu den Angriffskosten ($PR/2$) gilt auch in diesem Setting.

Signifikanz und Behauptungen

Die Arbeit beansprucht, die erste formale ökonomische Gleichgewichtsanalyse von PoUW zu liefern und damit über heuristische Argumente hinauszugehen. Ihre primäre Bedeutung liegt in:

Validierung der Sicherheit: Sie zeigt, dass das Argument „Paid to Attack“ ein Strohmann ist; Gleichgewichtspreise neutralisieren die scheinbare Kostensenkung und halten die Angriffskosten an die Blockbelohnung gebunden.
Identifizierung von Wertschöpfung: Sie zeigt, dass PoUW unter bestimmten Bedingungen (hohe Token-Adoption und effiziente Duplex-Technologie) einen „Duplex-Gewinn“ generieren kann: die gleichzeitige Erhöhung der Netzwerksicherheit und die Erweiterung des Angebots an gesellschaftlich nützlicher Rechenleistung (Inferenz) über das ohne Blockchain-Kontext hinaus.
Anreizharmonisierung: Das Modell legt eine natürliche Anreihung nahe, bei der Token-Inhaber von technologischen Verbesserungen in der Duplex-Effizienz profitieren (welche die Inferenzpreise senken und den Tokenwert erhöhen), und Inferenz-Anbieter von der Token-Adoption profitieren.

Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass PoUW zwar nicht alle Ineffizienzen eliminiert (Overhead und potenzieller Wohlfahrtsverlust bleiben bestehen), aber einen Mechanismus bietet, um den „Abfall“ von PoW in gesellschaftlich nützlichen Output umzuwandeln, sofern die ökonomischen Parameter (insbesondere das T/I-Verhältnis und die Nachfrageelastizität) innerhalb des „Duplexia“-Regimes liegen.