比特币挖矿正在消耗全球电力吗？

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您可能都听说过，比特币是一种非实物加密虚拟货币。 2017年底，比特币价值暴涨，一度突破2万美元。要获得比特币，要么从在线交易所购买，要么使用专门的计算机硬件“挖掘”它。前一种方法属于个人在市场预测下的经济行为，我们不再赘述，后一种方法比较有意思，因为获得比特币只是它功能的一小部分，它的真正意义就是让整个比特币的区块链系统正常工作。

在评估比特币之前，让我们花点时间大致了解一下比特币及其背后的整个区块链是如何工作的。与银行不同比特币和用电有什么关系，比特币不属于任何账户，而只属于一个比特币地址。比特币交易也从一个地址转移到另一个地址。在比特币交易过程中，比特币的提供者和接收者会各自随机生成一个 256 位的私钥，并通过 Base58Checking 加密算法将其转换为 ASCII 格式的私钥。 256 位私钥通过椭圆曲线 DSA 算法转换为 521 位公钥。公钥通过 SHA-256 算法转换为 160 位后，通过 Base58Checking 加密算法生成 ASCII 格式的地址。而这个地址就是比特币地址比特币和用电有什么关系，具体关系如图。

○比特币密钥如何与地址相关联。 |图片来源：Ken Shrriffs

在下图所示的交易过程中，以B到C的交易为例（中间的交易），首先B的公钥要和上一个的一样段落。匹配 A-to-B 交易中 B 的地址，以确定 B 作为上一笔交易的比特币接收者的合法性。那么在 B 到 C 的这个交易中，B 的私钥需要和 B 的公钥匹配，才能确定在这个交易中比特币提供者的合法性。而这个交易的接收方C也需要做同样的两次匹配。双方匹配成功后，比特币交易开始。

○比特币交易是如何链接的。 图片来源：中本聪/Bitcoin.org

比特币挖矿是保证整个系统正常运行的关键。比特币交易不会立即生效，需要合并到新的区块中才能生效。挖矿的主要目的不是挖比特币，而是通过求解一套哈希算法来获得新的区块。获得新区块后，矿工可以自由地将新区块中尚未包含的交易纳入区块，并将其添加到整个区块链中，让所有用户都能看到这些交易并使其生效。每个区块可以容纳 1MB 的交易量。矿工在挖矿时获得两个好处。首先是系统给予的奖励。每获得一个新区块，都会获得一定的系统奖励。奖励以每 4 年从最初的 25 个比特币减半的速度分配。二是每次进行比特币交易时，交易双方都会提交一份“手续费”，手续费的多少由双方决定。这笔费用将由拥有新区块的矿工支付。高费用的交易将被矿工优先包含在他们新获得的区块中。这意味着如果您打算免费交易，您的交易可能永远不会有效。

从上面我们可以看出，比特币挖矿的重要作用其实就是获取新的区块，并将区块放入区块链，使交易生效。矿工在维持比特币区块链系统正常运行的同时，将获得系统和交易双方的奖励。比特币挖矿系统，因为需要安全性，专门设计成需要相当大的算力来解决（但容易验证）SHA-256.1哈希（hash）算法。回答这个哈希算法除了在比特币系统中获取新块之外没有实际意义。我们称之为“工作量证明”。

由于上述原因，工作量证明方法在能源消耗方面是一个大问题。根据加密货币网站 Digiconomics 的一份报告，比特币采矿在全球范围内消耗的电力比仅塞尔维亚一个国家都要多。计算预测，到 2019 年 7 月，比特币的点对点 (P2P) 网络，例如 BitTorrent，将使用比美国更多的电力；到2020年11月，所需用电量将超过全球当前用电量。

这太糟糕了。这意味着比特币挖矿每年可以排放1770万吨二氧化碳，这对地球气候和人类来说无疑是一场灾难。比特币 P2P 网络本质上是一个完全致力于生成比特币的分布式计算模型，没有什么能阻止它将宇宙中的所有能量（和物质）转化为比特币，这正是它实际所做的。

但比特币的概念仍然有其天才之处。作为一种数字货币，它与现金一样无法追踪和值得信赖，但也不受国籍和地点的限制，其理念和技术中包含平等主义和可访问性。但比特币在过去三个月中表现出的升值可能与科学不符。

康奈尔大学加密货币和智能合约计划的联合编辑 Emin Gün Sirer 说：“工作量证明的伟大之处在于流程中没有任何入口步骤。如果你能进来并突然开始解决这些密码难题的核心，你参与维护账本。”解决数学问题没有捷径可走，SHA-256 算法被刻意设计得非常难，以至于需要蛮力计算。您需要尽快尝试不同的计算场景。这意味着您必须始终保持计算机开机并打开风扇以冷却过热的超频处理器。 “这种能源消耗是一项安全功能，”Sirer 说。 “要接管系统，您必须花费至少与系统已经花费的时间一样多的时间。您必须拥有至少 51% 的哈希算力。”

对于这个特定的分布式计算模型，这是一个特性，而不是一个错误。纽约大学计算机科学家 Joseph Bonneau 表示：“没有人负责、节点可以随时加入或离开网络、每个人都对区块链达成共识的计算模型被认为是不可行的。”由计算机科学家。比特币可以做到这一点是一个很大的惊喜和创新。它是以使用工作量证明为代价的，关键是要让添加到区块链的成本更高。”

这就是平等主义崩溃的地方。一开始，加密货币爱好者可以在他们的家用电脑上运行挖矿软件，然后第一批意识到图形处理单元比普通的旧 CPU 更擅长散列的人出现了。他们使用更多的能源，更好的冷却。然后，人们开始为定制挖掘定制可编程门阵列芯片 (FPGA)。时至今日，挖矿的首选硬件是专用集成电路 (ASIC)，旨在指导比特币配置和安装专门的数据中心。

这不仅通过集中化极大地提高了比特币挖矿的标准，而且还扰乱了能源使用。当今最先进的比特币挖矿每十亿哈希消耗 0.3 瓦的功率。反过来说，每千瓦时每秒可以获得 300 吉赫兹。所以基本上每秒 13600 giga-hash 计算消耗 234 kWh 电力，也就是说比特币网络消耗的总能量是 32.71 太瓦时，占全球总用电量 0. 15%。 “大约一年前，任何其他机制都将用于跟踪资产、协调、确保有序的书籍订购、能源消耗和运行现金经济、印钞、处理现金、回收流通中的纸币、印钞，”Sirer 说。对比了新币造成的能源消耗，发现两者的消耗差不多。”但是，数字经济做了一个估算，比特币挖矿的能耗大约是整个 Visa 信用卡网络能耗的三千倍（这还没有考虑到 Visa office 进程使用的电力）。但与比特币不同的是，Visa 实际上可以用于购物。

更高效的硬件也无法解决问题。爱尔兰梅努斯大学的计算机科学家 David Malone 表示，在 2014 年到 2017 年间，哈希率（哈希计算的频率）从每秒 30 万次上升到 200 万次，硬件效率从每焦耳 2000 teraflops 上升。列计算高达约 10,000 万亿次。所以它大致平衡了。而到了 2017 年，算力接近 1200 万，但硬件并没有太大的提升。华盛顿大学计算机科学家迈克尔泰勒表示：“比特币的价值越大，人们愿意为其支付的电费就越多。而 SHA-256 挖矿硬件的能源效率提高只会让人们部署以相同的运营成本。更多的比特币矿工。所以电力消耗增加了。”比特币矿工现在正在冰岛和中国等电价便宜的地方构建 ASIC 云。这些国家的更多服务器可用于挖掘更多比特币。

工作量证明挖矿的一个大问题是能源消耗，所以也许我们应该想办法摆脱它。加密货币研究人员正在考虑其他方法。一是资源节约型挖矿，它减少了工作量，但需要可信赖的硬件；另一种是权益证明，其中计算工作被交换为前期价值。 “让人们按照他们持有的货币按比例创建区块，以便大型货币持有者可以占据大部分区块，”博诺说。换句话说，与其让挖矿的计算成本很高，不如让挖矿本身变得昂贵。 “也许可以将功耗降低到几乎为零，但还没有做到，几个研究小组正在努力，”Bonneau 说。

同时，既然答案哈希算法是无用的工作，我们可以做一些不同的有用的事情吗？这是一个用于协作计算的 P2P 网络。如果我们让它搜索来自外星人的信号，或者弄清楚如何使蛋白质对医学有用，或者解决现实世界的解码问题和素数分解，它不会用一块石头杀死两只鸟吗？ “一个好的短期解决方案是回收废热用于加热，”泰勒说。例如，斯德哥尔摩正在努力利用数据中心的废气为房屋供暖。这是一种比燃烧化石燃料取暖更有价值的解决方案。但事实上，这些事情都没有发生。 “这不正常，”Sirer 说。 “如果比特币是通过做一些有用的事情来开采的，那么有用的工作与你获得的比特币数量之间存在对应关系。这至少在无形中改变了人们对比特币的看法。新的物理参考定位。”

如果数学和物理没有帮助，也许经济学可以。比特币矿工只有在挖出足够的比特币来支付用于挖矿的电力时才运行硬件。如果比特币的价值下降或电价上涨，服务器就会关闭。哈希问题也成倍增加，奖励每四年减半。每个区块的比特币数量现在是 12.5，Taylor 说：“下一次下跌将在 2020 年 6 月。随着比特币价格稳定，区块奖励将导致全球净能量开始减少，而不是增加。”

滑动奖励已将全球比特币总数限制在 2100 万。根据目前的趋势，到 2032 年，可能 99% 的比特币将被开采。一旦发生这种情况，交易产生的“费用”将是系统中唯一的奖励。而其他一些可能更节能的加密货币将开始变得更具竞争力。目前，比特币似乎更像是一种投机工具，而不是一种可行的主流货币。而一个数学、物理、经济学等学科一致认同的科学规律是，泡沫终将破灭。

编译：小泡沫