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The Economics of Proof-of-Useful-Work

本文提出了一个竞争均衡模型，证明了有益工作量证明（PoUW）区块链可以在不损害安全性的前提下，安全地生成如机器学习推理等有价值的外部输出，因为在特定的采用机制下，攻击的经济成本仍与区块奖励挂钩，而代币奖励则有效地补贴并扩展了具有社会效益的计算。

原作者： Rafael Pass

发布于 2026-06-08

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CC BY 4.0

原作者： Rafael Pass

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

核心理念：从烧钱到烤面包

想象一个需要保障安全的数字货币系统（如比特币）。目前，为了确保这个系统的安全，世界各地的计算机都在解决极其困难的数学难题。这个过程被称为工作量证明（Proof-of-Work, PoW）。

问题所在： 这些难题的设计初衷是毫无用处的。它们消耗了大量的电力和计算能力，仅仅是为了证明“是的，这笔交易是真实的”。这就像一家面包店为了保持烤箱热度，竟然烧掉了价值一百万美元的木材，却从未真正烤出过面包。热量确实让面包店保持了安全，但没有人能吃到面包。

提议： 这篇论文探讨了一个新想法，叫做有用工作证明（Proof-of-Useful-Work, PoUW）。与其将能源浪费在无用的谜题上，计算机将去解决那些真正有益的任务，比如训练人工智能（AI）或处理数据。这样一来，面包店既能通过保持烤箱热度来维持安全，同时还能烤出人们可以食用的面包。

最大的担忧：“如果攻击者能从中获利，他们为什么还会受到惩罚？”

批评者提出了一个简单的反对意见：“如果这项工作是有用的，那么攻击者完全可以窃取计算能力，完成这些有用的工作，卖掉结果，然后用这笔钱来支付攻击成本。这简直是‘拿钱去抢银行’！”他们认为这会让系统变得容易被攻破。

论文的回答： 作者构建了一个复杂的经济模型来进行测试。他们发现，这种担忧是错误的。 即使这项工作是有用的，攻击系统的成本仍然与目前的“无用”系统一样高。为什么？因为市场会自动调节。如果攻击者试图进行这些有用工作，那么该工作的价格就会下降，或者攻击的成本就会上升，直到数学逻辑达到平衡。你无法“白捡便宜”。

三种经济世界

论文描述了三种不同的“世界”或场景，取决于技术效率和货币受欢迎程度的不同。你可以把它们看作是面包店进化的三个不同阶段：

1. 比特币尼亚（Bitconia，旧模式）

场景： 在进行“有用工作”的同时还要保障系统安全的技术过于笨拙且低效。这就像是在尝试烤面包的同时还要努力保持烤箱热度，但烤箱总是会变冷。
结果： 系统放弃了“有用”的部分。它回到了旧的方式：计算机仅仅通过消耗能量来解决无用的谜题以保持安全。而“面包”（有用工作）则由其他面包店单独制作。
启示： 没有收益。它和今天的比特币一样。

2. 堡垒尼亚（Fortessia，堡垒模式）

场景： 技术得到了提升。现在，计算机可以在做有用工作的同时，仅需极小的额外代价（开销）就能同时保障系统安全。
结果： 系统完全停止了无用的谜题计算。它切换到了“有用”模式。
神奇之处： 因为计算机现在同时在做两件事，系统变得比以前更加安全，而且不需要任何额外的资金或能源。这就像一座堡垒，守卫士兵在修筑城墙的同时也在进行巡逻。城墙变得更强壮了，而士兵的报酬也保持不变。
启示： 我们免费获得了更高的安全性，但“面包”（有用工作）的总量与之前相比保持不变。

3. 双赢尼亚（Duplexia，双赢模式）

场景： 技术非常高效，且该货币非常受欢迎（人们非常渴望使用它）。
结果： 系统进入了“超载”模式。来自货币的奖励就像是为有用工作提供的补贴（折扣券）。
神奇之处： 由于货币奖励有助于支付工作的费用，有用工作的价格（如 AI 处理的价格）就会下降。当价格下降时，更多的人会购买它。这创造了一个反馈循环：
1. 价格降低意味着更多人想要这项有用工作。
2. 需求增加意味着货币变得更有价值。
3. 更有价值的货币意味着给劳动者的奖励也更高。
4. 这使得系统能够生产比以往更多的有用工作，且价格更低。
启示： 我们获得了“双赢”。系统变得更安全，并且我们实现了有用工作（如 AI 处理能力）的大规模扩张，而这在没有区块链的情况下是无法实现的。

对“稻草人”论点的反驳

论文用了大量篇幅来应对“稻草人”论点（即攻击者能通过完成有用工作而获利的观点）。

谬误： “如果我发起攻击，我可以卖掉我生成的有用工作，所以我的攻击成本几乎为零。”
现实： 论文表明，在一个平衡的市场中，有用工作的价格会进行调整。如果攻击者试图向市场投放大量的有用工作，那么该工作的价格就会下跌。由此产生的“利润”会消失殆尽。
结论： 攻击成本仍然与货币奖励的价值挂钩。它并不便宜。事实上，在“双赢尼亚”世界中，由于系统产生了如此多的价值，攻击可能反而会变得更加昂贵。

关于“免费午餐”的问题

这是否意味着我们免费获得了有用工作？

某种程度上是，但也不完全是。 论文解释说，这种“补贴”来自于新货币的创造（通货膨胀）。这类似于政府印钱来支付公共服务。
权衡： 虽然我们避免了在无用谜题上浪费能量，但我们也引入了一定程度的“浪费”，即死重损失（deadweight loss）。这是因为补贴将价格压得太低，导致一些人在其生产成本高于其感知价值时仍在使用该服务。
结论： 然而，论文指出，这种微小的浪费通常远小于旧系统中那种大规模浪费能量于无用谜题的行为。因此，这仍然是一个净收益。

一句话总结

这篇论文证明了我们可以构建一种通过执行有用工作（如 AI）来保障自身安全的区块链，而不会降低黑客攻击的难度；在最佳情况下，这种系统实际上能创造比现有系统更多的有用工作和更高的安全性，同时保持经济成本的平衡。

技术摘要：证明有用工作（Proof-of-Useful-Work）的经济学

问题陈述

工作量证明（PoW）区块链（如比特币）通过在经济上具有“无用性”的计算支出（即计算开销）来保障分布式账本的安全。虽然这种“浪费”被认为是为了使攻击在经济上变得沉重而必须付出的代价，但它本身并不产生外部价值。一种新兴的替代方案——证明有用工作（PoUW）——提出，用于共识的相同计算资源可以同时执行具有经济价值的任务，例如机器学习（ML）推理。

然而，PoUW 面临一个显著的经济学质疑：如果工作是有用的，那么攻击者理论上可以通过出售攻击期间产生的有用输出而获得“获利攻击”，从而可能导致破坏网络的经济成本崩溃。本文旨在正式研究在竞争均衡条件下，这一直觉是否成立，并刻画 PoUW 系统的经济权衡。

研究方法

作者开发了一个 PoUW 区块块链经济的竞争均衡模型。该模型抽象了底层的共识协议（假设为标准的 Nakamoto 式协议），并将计算资源的分配集中在以下三种活动上：

纯挖矿 ( $M$ )： 生成安全性（算力），但不产生有用输出。
纯推理 ( $L$ )： 生成有用输出（如 ML 推理），但不产生安全性。
双工/混合工作 ( $D$ )： 同时生成安全性与有用输出，但存在技术性开销。

关键参数：

开销 ( $\alpha, \gamma$ )： 双工操作产生 $1/\alpha$ 单位的推理和 $1/\gamma$ 单位的安全性。 $\alpha, \gamma \ge 1$ 。若 $\alpha=1$ 且 $\gamma=1$ ，则双工是完美高效的；通常 $\alpha, \gamma > 1$ （例如 1.3），代表相对于专门化任务存在约 23% 的开销。
双工开销指数 ( $\Delta$ )： 定义为 $\Delta = \frac{1}{\gamma} + \frac{1}{\alpha} - 1$ 。这决定了双工是否比在纯挖矿和纯推理之间分配资源更有效率。
代币-推理比例 ( $\theta$ )： 一个标量参数，定义为 $\theta = \frac{PR}{pQ}$ ，其中 $P$ 是代币价格， $R$ 是区块奖励， $p$ 是推理价格， $Q$ 是总推理供给。该比例衡量了代币经济与推理市场之间的经济耦合程度。

模型假设存在一个具有自由进入机制的连续竞争性代理人集合，其利润在均衡时趋于零。推理市场被建模为伯特兰竞争（Bertrand competition，即价格等于边际成本，若仅存在单一人工推理时）；安全性市场被建模为图洛克竞赛（Tullock contest，即奖励按算力比例分配）。

核心贡献与结果

1. 三种经济形态的特征化

论文提供了均衡分配与价格的完整闭式解表征，揭示了由双工效率 ( $\Delta$ ) 和 T/I 比率 ( $\theta$ ) 决定的三种不同形态：

比特科尼亚 (Bitconia) ( $\Delta < 0$ )： 双工在技术上是低效的。经济体退化为经典的 PoW 系统，其中挖矿与推理完全脱钩（ $M > 0, L > 0, D = 0$ ）。推理价格等于计算成本（ $p=e$ ），安全性完全由浪费的计算产生。
要塞科尼亚 (Fortessia) ( $\Delta > 0, \theta < \theta_{low}$ )： 双工是高效的，但代币经济规模相对较小。双工取代了纯挖矿（ $M=0, D>0$ ），而单一人工推理仍然活跃（ $L>0$ ）。推理价格仍锚定在 $p=e$ ，因此有用计算的量与 Bitconia 持平。然而，由于双工的开销小于纯挖矿的“浪费”，安全性得到了加强。安全性被“加固”了。
双工科尼亚 (Duplexia) ( $\Delta > 0, \theta > \theta_{low}$ )： 技术与代币采用率均处于强势地位。单一人工推理消失（ $L=0$ ），所有推理均通过双工工作产生。至关重要的是，推理价格降至计算成本之下（ $p < e$ ）。区块奖励实际上起到了补贴作用，扩张了推理市场。这创造了一个正反馈循环：较低的价格增加了推理需求，进而增加了代币价值（在固定 $\theta$ 的情况下），进一步放大了补贴效应。

2. 对“获利攻击”稻草人谬误的反驳

论文正式回应了“由于攻击者可以出售有用输出，从而降低了攻击成本”这一批评。

结论： 在任何竞争均衡中，50% 攻击的经济成本恰好为 $\frac{PR}{2}$ ，无论处于哪种形态。
机制： 虽然使用双工计算的攻击者可以赚取推理收入 ( $p/\alpha$ )，但均衡价格 $p$ 会进行调整，使得获取安全权重（Security Weight）的净成本始终与区块奖励预算挂钩。如果攻击者使用双工，其赚取的收入将被代币价格的下降或特定的均衡条件所抵消，确保攻击成本不会低于经典 PoW 系统中的成本。在 Duplexia 形态下，由于推理市场的扩张带动了代币价值上升，攻击成本实际上比 Bitconia 更高。

3. 社会价值与效率

论文分析了 PoUW 相对于独立推理市场及经典 PoW 的净社会价值 ( $\Delta SV$ )。

与比特币对比： 在相同的区块奖励 ($PR$) 下，Duplexia 严格优于比特币，因为同样的支出产生了有价值的推理而非纯粹的浪费。
在固定 $\theta$ 时对比： 当在相同的 T/I 比率下进行比较时，Duplexia 避免了比特币的挖矿浪费，但也引入了两种成本：
1. 双工开销： 在进行挖矿时执行有用工作的低效性。
2. 死重损失： 补贴使价格低于边际成本，导致消费者消费了价值低于其资源成本的单位。
占优条件： 在具有恒弹性需求（弹性 $\varepsilon > 1$ ）的情况下，当且仅当 $\theta < \frac{1}{\varepsilon - 1}$ 时，Duplexia 严格优于比特币。若 $\varepsilon = 2$ ，只要推理市场收入超过区块奖励收入，Duplexia 就会占优。

4. 稳健性与异质性

研究结果扩展到了具有异质计算成本（通过上斜的供给曲线建模）的情境。形态结构（Bitconia, Fortessia, Duplexia）保持不变，固定成本 $e$ 被内生的边际成本 $e^*$ 取代。攻击成本结果 ( $\frac{PR}{2}$ ) 在此设置下依然成立。

意义与主张

本文声称提供了首次对 PoUW 进行的正式经济均衡分析，超越了启发式论证。其主要意义在于：

验证安全性： 它证明了“获利攻击”的说法是一个稻草人谬误；均衡价格中和了明显的成本降低，使安全性成本维持在与区块奖励挂钩的水平。
识别价值创造： 它表明在特定条件下（高代币采用率和高效的双工技术），PoUW 可以产生“双效收益”：同时增加网络安全性和扩大社会有用的计算（推理）供给，使其超出没有区块链时的水平。
激励对齐： 模型表明存在自然的激励对齐，即代币持有者受益于双工效率的技术改进（这降低了推理价格并提高了代币价值），而推理提供者则受益于代币的采用。

作者总结道，虽然 PoUW 并不能消除所有的低效性（开销和潜在的死重损失依然存在），但它提供了一种将 PoW 的“浪费”转化为社会有用输出的机制，前提是经济参数（特别是 T/I 比率和需求弹性）落在“Duplexia”形态范围内。