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Projeto 1 - Mineração de Hashes CPU em ambiente de HPC

A mineração surgiu com o Bitcoin, criado por Satoshi Nakamoto em 2008. A proposta era descentralizar o controle do dinheiro, permitindo que qualquer pessoa pudesse participar da validação das transações em uma rede pública.

A validação é feita por meio de um algoritmo de consenso chamado Proof of Work (PoW). A PoW exige que os nós da rede (os mineradores) resolvam um problema matemático difícil — e quem resolve primeiro, tem o direito de adicionar um novo bloco à blockchain e receber uma recompensa.

Essa “prova” é feita através de um processo chamado de hashing, e no caso do Bitcoin, utiliza o algoritmo SHA-256.

O que é SHA-256

SHA-256 é parte da família de funções de hash SHA-2, desenvolvida pela Agência de Segurança Nacional dos Estados Unidos (NSA) em 2001.
SHA significa Secure Hash Algorithm.

Características principais:

  • Gera uma saída de 256 bits (64 caracteres hexadecimais)
  • É uma função determinística: mesma entrada, mesma saída
  • É unidirecional: não dá para "voltar" da saída para a entrada
  • Pequenas mudanças na entrada resultam em mudanças drásticas na saída (efeito avalanche)
  • Altamente sensível à colisões (duas entradas diferentes que dão a mesma saída são indesejáveis)

Como o SHA-256 funciona?

SHA-256 funciona em blocos de 512 bits de entrada, que passam por várias etapas:

  1. Pré-processamento:
  2. Padding: a mensagem é estendida até múltiplos de 512 bits.
  3. Parsing: a mensagem é dividida em blocos de 512 bits.

  4. Inicialização: 8 variáveis de 32 bits com constantes iniciais (derivadas da raiz quadrada dos primeiros 8 primos).

  5. Função de compressão:

  6. Cada bloco de 512 bits passa por 64 rodadas de operações bit a bit (AND, OR, XOR, ROTR, etc).
  7. Usa uma tabela de 64 constantes (derivadas da raiz cúbica dos primeiros 64 primos).

  8. A cada rodada, as variáveis são atualizadas com funções não lineares.

  9. Concatenação final:

  10. Após todos os blocos processados, os 8 valores de 32 bits são concatenados e formam o hash final de 256 bits.

Mineração com SHA-256: o que acontece?

O minerador tenta encontrar um valor chamado nonce que, quando combinado com o cabeçalho do bloco e passado pelo SHA-256 duas vezes (double SHA-256), resulta em um hash menor que o alvo definido pela dificuldade da rede.

Ou seja, o minerador está basicamente tentando encontrar um número (nonce) que leve o hash a começar com N zeros.

Por que é um problema de HPC?

A mineração é um problema de busca exaustiva. Os mineradores testam bilhões de nonces por segundo. A performance da mineração depende da capacidade de realizar SHA-256 o mais rápido possível.

Por trás da idéia de "minerar bitcoins", existe um problema computacional intensivo, cuja solução depende de capacidade de processamento, eficiência do código e uso inteligente dos recursos de hardware.

Então, o que a mineração tem a ver com HPC?

Simples: a mineração de criptomoedas é um problema clássico de HPC moderno, por envolver:

Busca exaustiva de soluções (nonces)

Processamento paralelo de dados

Uso de algoritmos de hash otimizados (SHA-256)

Aproveitamento de CPU, GPU e clusters

para entender com mais detalhes como SHA-256 se relaciona com um sistema de criptomoedas, assista o vídeo. Vamos ao projeto...

Projeto 1 - Mineração de Hashes em ambiente de HPC

Grupos de no máximo 3 alunos, data de entrega 29/Setembro

Acesse o repositório do projeto aqui

Neste projeto, seu grupo deverá diagnosticar e otimizar um algoritmo de mineração de criptomoedas implementado em C++. O código inicial foi propositalmente escrito de forma ineficiente, apresentando gargalos péssimas práticas de uso de memória.

Espera-se que seu grupo seja capaz de identificar esses problemas, propor hipóteses de melhoria, aplicar técnicas de otimização e mensurar o impacto das mudanças no desempenho da aplicação. Ao final, seu grupo deverá elaborar um relatório técnico, documentando todo o processo de análise e otimização.

A dificuldade da mineração é ajustada pela quantidade de zeros exigida no início do hash. À medida que vocês aumentam essa dificuldade, o desafio computacional cresce, o que demanda boas decisões de otimização e uso eficiente de CPU e memória. Analise adequadamente os recursos disponíveis das filas do Cluster Franky para realizar os seus testes e suas otimizações.

Objetivo

Aplicar conhecimentos de:

  • Análise de desempenho
  • Diagnóstico de gargalos
  • Boas práticas de gerenciamento de memória
  • Paralelismo com OpenMP
  • Distribuição com MPI

Rúbrica de Avaliação

Conceito Critérios Técnicos
C Executa o minerador sequencial no cluster Franky com dificuldade 6 zeros, Realiza Passagem de objetos grandes por referência ou ponteiro; Minimização de cópias desnecessárias; Uso eficiente de buffers; Implementa uma heurísitca eficiente.
B Executa o minerador com dificuldade 7 zeros, Realiza as otimizações da rúbrica C e aplica paralelização com OpenMP ou distribuição com MPI
A Executa o minerador com dificuldade 8 zeros, Realiza as otimizações da rúbrica C e aplica paralelização com OpenMP E distribuição com MPI

Entrega

A entrega deve conter:

  1. O nome de cada integrante do grupo

  2. Código-fonte funcional

  3. Diagnóstico dos gargalos do código base

  4. Proposta de otimização e hipótese de melhoria

  5. Implementação da hipótese

  6. Comparação de desempenho (tempo, speedup, eficiência, etc.)

  7. Discussão dos resultados e limitações encontradas

Bônus por Qualidade do relatório técnico

Conceito Base Com Bônus
C C+
B B+
A A+

Observações

  • Espera-se que o aluno entenda os problemas do código base antes de corrigir.
  • O binário transacoes simula um ambiente de rede assíncrono com envio de blocos não simultâneos, para que o código minerador seja tolerante a ordem e tempo de chegada.
  • A execução dos testes pode demorar minutos. Se planeje bem, escolha adequadamente a fila que será utilizada nos seus testes.