比特币挖矿会耗尽全球电力吗？

或许大家都听说过比特币是一种非实物的加密虚拟货币。 2017年底，比特币价格疯狂飙升，一度突破2万美元大关。 要获得比特币，您要么从在线交易所购买，要么使用专门的计算机硬件来“挖掘”它。 前一种方法属于个人在行情预测下的经济行为，我们不再赘述，而后一种方法则相当有趣，因为获得比特币只是其功能的一小部分，其真正意义在于让整个Bitcoin Coin 的区块链系统可以正常工作。

在评价比特币之前，我们先花点时间大致了解一下比特币的运行过程，以及背后的整个区块链。 与银行不同，比特币不属于任何账户，只属于一个比特币地址（bitcoin address）。 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，比特币的给予者和接受者将各自随机生成一个256位的私钥（private key），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，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（中间格子的交易），首先B的公钥必须匹配上一次从A交易中B的地址给B，从而确定B作为上一笔交易的比特币接收方的合法性。 那么在B到C的交易中，B的私钥需要和B的公钥匹配，从而判断本次交易的比特币提供者的合法性。 而作为这笔交易的接收方的 C，也需要做同样的两次匹配。 双方配对成功后，比特币交易开始。

○ 比特币交易是如何上链的。 | 图片来源：Satoshi Nakamoto/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，而是需要写入一个新的区块后才能生效。 挖矿的主要目的不是挖比特币，而是通过求解一组哈希算法来获得新的区块。 矿工在获得新区块后比特币系统设计的初衷，可以自由地将新区块中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。 每个区块可容纳 1MB 的交易量。 矿工在挖矿时会得到两个好处。 首先是系统给予的奖励，每获得一个新的区块都会获得一定的系统奖励。 奖励从最开始每4年减半一次，每次减半25个比特币。 二是每进行一笔比特币交易，交易双方都会支付一笔“手续费”，手续费的多少由交易双方自行决定。 这笔费用将支付给拥有新区块的矿工。 手续费高的交易会优先被矿工收录到新获得的区块中。 也就是说，如果您打算免费交易，您的交易可能永远不会生效。

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中，使交易生效。 矿工将在维持比特币区块链系统正常运行的同时，从系统和交易中获得奖励。 比特币挖矿系统，因为安全的需要，专门设计为需要相当大的算力来求解（但容易验证）SHA-256.1散列（hash）算法。 解决这个哈希算法除了在比特币系统中获得新的区块之外没有任何实际意义。 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，全球比特币开采消耗的电力比塞尔维亚一个国家还要多。 据计算，到 2019 年 7 月，BitTorrent 等比特币点对点（P2P）网络的用电量将超过美国； 到2020年11月，所需用电量将超过目前全球用电量。

这太糟糕了。 这意味着开采比特币每年可排放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产生比特币的分布式计算模型，没有什么能阻止它把宇宙中所有的能量（和物质）转化为比特币，这就是它的实际工作。

但比特币的概念仍然有它的天才之处。 作为一种数字货币，它与现金一样不可追踪和值得信赖，但也独立于国籍和地点，其理念和技术中融入了平等主义和准入性。 但过去三个月比特币价值的上涨表明，现实可能与科学不符。

康奈尔大学加密货币和智能合约倡议的联合主编 Emin Gün Sirer 说：“工作量证明的好处在于过程中没有进入步骤。如果你能进来并且突然开始解决这些密码学难题的核心，你就参与维护账本。” 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，需要蛮力计算，你需要尽可能多地、尽可能快地尝试不同的计算场景。这意味着你必须让你的电脑一直保持开机状态，风扇运转以冷却过热、超频的处理器。Sirer 说：“如此大的能源消耗是一项安全功能。 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。 你必须至少拥有所有哈希算力的 51%。”

对于这个特定的分布式计算模式，这是一个特性，而不是一个错误。 “一种没有人负责、节点可以随时加入或离开网络、每个人都在区块链上建立共识的计算模型，计算机科学家认为这是不可行的，”New 的计算机科学家 Joseph Bonneau 说。约克大学。 比特币能够做到这一点是一个很大的惊喜和创新。 它这样做是以使用工作证明为代价的，关键是要增加添加到区块链的成本。”

这就是平均主义崩溃的地方。 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，然后第一批人意识到图形处理单元比普通的旧 CPU 更擅长散列。 它们使用更多的能量，冷却效果更好。 然后，人们开始定制挖掘可编程门阵列芯片（FPGA）。 今天，挖矿的首选硬件是专用集成电路 (ASIC)，专门设计用于指示比特币配置和安装专用数据中心。

通过集中比特币挖矿，这不仅大大增加了比特币挖矿的准入门槛，而且还扰乱了能源使用。 当前最先进的比特币挖矿每十亿次哈希计算消耗 0.3 瓦电力。 反过来计算，每千瓦时每秒可获得 300 吉赫兹。 所以基本上每秒 13600 千兆哈希计算消耗 234 千瓦时的电力，这意味着比特币网络消耗的总能量为 32.71 太瓦时，占全球总用电量的 0.15%。 Sirer 说：“大约一年前，任何其他机制都会使用任何其他机制来跟踪资产、协调、确保书籍订购是有序的能源消耗，并运行现金经济、印钞、处理现金、回收流通中的纸币，打印比较新币带来的能源消耗，两者的消耗差不多。” 然而，数字经济估计，比特币挖矿的能源消耗大约是整个 Visa 信用卡网络能源消耗的 3000 倍（这还没有考虑 Visa 办公过程所用的电力）。但与比特币不同的是，Visa 是实际上是用来购物的。

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，2014 年至 2017 年间，哈希率（计算哈希值的频率）从每秒 30 万增加到 200 万，硬件效率从每焦耳 2,000 兆哈希. 列计算上升到 10,000 万亿次左右。 所以它大致抵消以达到平衡。 到2017年算力接近1200万，但硬件并没有太大提升。 “比特币越有价值，就越愿意为它支付电费，”华盛顿大学计算机科学家迈克尔泰勒说。 SHA-256 挖矿硬件的能效提高只会让人们以相同的运营成本部署它。 更多比特币挖掘者。 所以更多的电力消耗而不是更少。” 比特币矿工现在正在冰岛和中国等电力便宜的地方建造 ASIC 云。 这些国家的更多服务器可以用来开采更多的比特币。

工作量证明挖矿的一大问题是能源消耗，所以也许我们应该找到摆脱它的方法。 加密货币研究人员正在考虑其他方法。 一种是资源高效挖矿，它减少了工作量但需要使用可信硬件来完成； 另一种是股权证明，它用计算工作换取前期价值。 “让人们根据他们持有的货币按比例创建区块，这样大的货币持有者就可以占有大部分区块，”Bonneau 说。 换句话说，不是让挖矿在计算上变得昂贵，而是让挖矿本身变得昂贵。 “有可能将功耗降低到几乎为零，但事实并非如此，而且有几个研究小组正在研究它，”邦诺说。

同时，既然解决一个哈希算法是无用的工作，我们能不能换一种方式，让它做一些有用的事情呢？ 这是一个用于协作计算的 P2P 网络。 如果让它寻找来自外星人的信号，或者弄清楚如何制造对医学有用的蛋白质，或者解决现实世界中的解码问题和素数分解比特币系统设计的初衷，难道它不会一箭双雕吗？ “一个好的短期解决方案是回收废热用于供暖，”泰勒说。 例如，斯德哥尔摩正在尝试使用数据中心的废气来为家庭供暖。 这是一种比燃烧化石燃料取暖更能创造更多价值的绿色解决方案。 但实际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，那么有用的工作和你得到的比特币数量之间就会存在对应关系。这至少可以在无形中影响比特币在人们心目中的价格做出新的物理参考定位。”

如果数学和物理学帮不上忙，也许经济学可以。 比特币矿机只有在开采出足够多的比特币来支付采矿的电力成本时才会运行硬件。 如果比特币价值下跌或电价上涨，服务器就会关闭。 哈希问题也成倍增加，奖励金额每四年减半。 现在每个区块的比特币数量为 12.5，泰勒说：“下一次下降将发生在 2020 年 6 月。随着比特币价格趋于稳定，区块奖励将导致全球净能量开始减少而不是增加。”

不断下滑的奖励限制了世界上所有比特币的总数，即 2100 万。 从目前的趋势来看，或许到 2032 年，99% 的比特币将被完全开采。 一旦发生这种情况，交易产生的“手续费”就成为系统中唯一的奖励。 其他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。 而数学、物理学、经济学等学科都认同的一个科学规律是：泡沫终究会破灭。

编译：小面泡