比特幣挖礦是通過解決難題來創(chuàng)造新比特幣的過程。它由配備專門芯片的計算系統(tǒng)組成，這些芯片競相解決數(shù)學(xué)難題。第一個解決這個難題的比特幣礦工（這些系統(tǒng)被稱為）將獲得比特幣獎勵。挖掘過程還確認(rèn)加密貨幣網(wǎng)絡(luò)上的交易并使其值得信賴。

比特幣推出后的短時間內(nèi)，它是在具有常規(guī)中央處理器（CPU）的臺式計算機上開采的。但這個過程極其緩慢?，F(xiàn)在，加密貨幣是使用分布在許多地區(qū)的大型礦池生成的。比特幣礦工聚集了消耗大量電力的采礦系統(tǒng)來開采加密貨幣。

在使用化石燃料發(fā)電的地區(qū)，比特幣開采被認(rèn)為對環(huán)境有害。因此，許多比特幣礦工已將業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到擁有可再生能源的地方，以減少比特幣對氣候變化的影響。

關(guān)鍵要點

• 比特幣挖掘是通過解決計算難題來創(chuàng)造新比特幣的過程。
• 比特幣挖掘?qū)τ诰S護比特幣所基于的交易分類賬是必要的。
• 在過去的幾年里，礦工變得非常老練，他們使用復(fù)雜的機械來加速采礦作業(yè)。
• 比特幣挖礦引起了爭議，因為它不被認(rèn)為是環(huán)保的。

正如使用大型工具和機器從地球上開采黃金一樣，比特幣開采也使用類似于數(shù)據(jù)中心的大型系統(tǒng)。這些系統(tǒng)解決了比特幣算法產(chǎn)生的數(shù)學(xué)難題，以產(chǎn)生新的硬幣。

通過解決計算數(shù)學(xué)問題，比特幣礦工還通過驗證其交易信息使加密貨幣的網(wǎng)絡(luò)值得信賴。他們驗證價值 1 兆字節(jié) (MB) 的交易——單個塊的大小。這些事務(wù)理論上可以小到一個事務(wù)，但更常見的是幾千個，具體取決于每個事務(wù)存儲的數(shù)據(jù)量。驗證比特幣交易信息背后的想法是防止雙花。對于印刷貨幣，偽造始終是一個問題。但一般來說，當(dāng)您在商店消費 20 美元時，該賬單就在店員手中。然而，對于數(shù)字貨幣，情況就不同了。

數(shù)字信息可以相對容易地復(fù)制，因此對于比特幣和其他數(shù)字貨幣，消費者可能會復(fù)制他們的比特幣并將其發(fā)送給另一方，同時仍保留原件。

比特幣交易被聚合成塊，這些塊被添加到名為區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)庫中。比特幣網(wǎng)絡(luò)中的完整節(jié)點維護區(qū)塊鏈的記錄并驗證其上發(fā)生的交易。比特幣礦工下載區(qū)塊鏈的整個歷史并將有效交易組合成一個區(qū)塊。如果組裝交易的區(qū)塊被其他礦工接受并驗證，則礦工將獲得區(qū)塊獎勵。

區(qū)塊獎勵每 210,000 個區(qū)塊（或大約每四年）減半。2009年是50，2013年獎勵金額下降到25，2016年變成12.5。在比特幣最近的減半事件中，獎勵改為 6.25。

比特幣礦工參與該過程的另一個誘因是交易費用。除了獎勵之外，礦工還從該交易塊中包含的任何交易中收取費用。隨著比特幣達到其 2100 萬的計劃限制（預(yù)計在 2140年左右），礦工將獲得處理網(wǎng)絡(luò)用戶將支付的交易的費用。這些費用確保礦工仍然有動力進行挖礦并保持網(wǎng)絡(luò)運行。這個想法是，對這些費用的競爭將導(dǎo)致它們在減半事件結(jié)束后保持在低位。

什么是比特幣挖礦數(shù)學(xué)難題？

比特幣挖礦的核心是一個數(shù)學(xué)難題，礦工應(yīng)該解決這個難題才能獲得比特幣獎勵。這個難題被稱為工作量證明（PoW），指的是礦工為挖掘比特幣所花費的計算工作。雖然它通常被稱為復(fù)雜，但挖礦難題實際上相當(dāng)簡單，可以說是猜測。

比特幣網(wǎng)絡(luò)中的礦工試圖提出一個 64 位十六進制數(shù)，稱為哈希，它小于或等于 SHA256（比特幣的 PoW 算法）中的目標(biāo)哈希。礦工的系統(tǒng)以多個處理單元堆疊在一起的形式使用相當(dāng)大的蠻力，并以不同的速率吐出哈希值 - 每秒兆哈希 (MH/s)、每秒千兆哈希 (GH/s) 或每秒兆哈希 (TH/s) )——根據(jù)單位，猜測所有可能的 64 位組合，直到找到解決方案。猜測小于或等于哈希的數(shù)字的系統(tǒng)將獲得比特幣獎勵。

這里有一個例子來解釋這個過程。假設(shè)您讓朋友猜一個您想到并寫在紙上的 1 到 100 之間的數(shù)字。您的朋友不必猜測確切的數(shù)字；他們只需成為第一個猜出小于或等于您的數(shù)字的數(shù)字的人。

如果你在想數(shù)字 19，而一個朋友想出 21，他們會輸，因為 21 大于 19。但如果有人猜 16，另一個朋友猜 18，那么后者會贏，因為 18 比 16 更接近 19。非常簡單的術(shù)語，比特幣挖掘數(shù)學(xué)難題與上面描述的情況相同，除了 64 位十六進制數(shù)字和數(shù)千個計算系統(tǒng)。

什么是挖礦難度？

您在比特幣挖礦文獻中經(jīng)常遇到的術(shù)語之一是挖礦難度。挖礦難度是指解決數(shù)學(xué)難題和生成比特幣的難度。挖礦難度會影響比特幣的生成速度。

挖礦難度每 2,016 個區(qū)塊或大約每兩周更改一次。隨后的難度級別取決于礦工在前一個周期中的效率。它還受到加入比特幣網(wǎng)絡(luò)的新礦工數(shù)量的影響，因為它增加了哈希率或部署用于挖掘加密貨幣的計算能力。2013 年和 2014 年，隨著比特幣價格上漲，更多礦工加入其網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)一個交易區(qū)塊的平均時間從 10 分鐘下降到 9 分鐘。

但相反的情況也可能成立。也就是說，越多的礦工競爭解決方案，問題就會變得越困難。如果計算能力從網(wǎng)絡(luò)中移除，難度會向下調(diào)整以使挖掘更容易。

2022年2月的挖礦難度為26.69萬億。也就是說，計算機產(chǎn)生低于目標(biāo)的概率是 26.69 萬億分之一。換個角度來看，你用一張彩票贏得強力球大獎的可能性大約是你一次嘗試選擇正確哈希的可能性的 91,655 倍。

開采比特幣的經(jīng)濟學(xué)是什么？

歸根結(jié)底，比特幣挖礦是一項商業(yè)冒險。其產(chǎn)出——比特幣——產(chǎn)生的利潤取決于對其投入的投資。

比特幣挖礦的三個主要成本：

電力：這是 24/7 全天候運行您的采礦系統(tǒng)的電力。它可以達到巨額賬單。當(dāng)您考慮到該過程消耗的電力與某些國家一樣多時，成本可能會相當(dāng)大。

挖礦系統(tǒng)：與流行的敘述相反，臺式電腦和常規(guī)游戲系統(tǒng)不適合或不適合比特幣挖礦。該過程可能會使此類系統(tǒng)升溫并導(dǎo)致家庭網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)帶寬問題。專用集成芯片（ASIC）系統(tǒng)是比特幣挖礦的定制機器，是比特幣礦工的主要基礎(chǔ)設(shè)施投資。此類機器的價格范圍從 4,000 美元到 12,000 美元不等。即使成本如此之高，單個配備 ASIC 的系統(tǒng)生成的比特幣也少于單個比特幣。比特幣礦工將數(shù)千個 ASIC 系統(tǒng)組織成 24/7 運行的礦池，以生成解決哈希難題所需的 64 位十六進制數(shù)。

網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施：網(wǎng)絡(luò)速度對比特幣挖掘過程沒有顯著影響。但是，擁有 24/7 不間斷的 Internet 連接非常重要。該連接還應(yīng)該有來自附近礦池的延遲。專用網(wǎng)絡(luò)減少了外部依賴并確保將延遲降至最低。離線并不一定會停止同步交易的過程。但它會使該過程耗時，并且可能在連接恢復(fù)后容易出錯。

這三種投入的總成本應(yīng)該低于礦工從他們的風(fēng)險中獲得利潤的產(chǎn)出——在這種情況下是比特幣價格。考慮到比特幣價格飛漲，鑄造自己的加密貨幣的想法聽起來可能是一個有吸引力的提議。

然而，盡管比特幣的支持者告訴你，挖掘加密貨幣并不是任何一種愛好。這是一項昂貴的冒險，失敗的可能性很高。如挖礦難度部分所述，即使花費大量費用和精力，也無法保證您一定會獲得比特幣獎勵。聚合采礦系統(tǒng)來經(jīng)營一家開采比特幣的小型企業(yè)可能會提供一條出路。然而，即使是這樣的企業(yè)也受到加密貨幣價格波動的擺布。如果加密貨幣的價格像 2018 年那樣暴跌，那么運行比特幣挖礦系統(tǒng)將變得不經(jīng)濟，小型礦工將被迫停業(yè)。每四年授予礦工的比特幣數(shù)量下降，使得這項活動更加沒有吸引力。

鑒于開采比特幣的經(jīng)濟學(xué)固有的相當(dāng)大的困難，該活動現(xiàn)在由業(yè)務(wù)遍及多個大陸的大型礦業(yè)公司主導(dǎo)。AntPool 是全球最大的比特幣挖礦公司，在多個國家運營礦池。許多比特幣礦業(yè)公司也上市了，盡管它們的估值相對適中。

比特幣挖礦過程使用多少電力？

在比特幣短暫的大部分歷史中，其采礦過程一直是一個能源密集型過程。在它推出后的十年里，比特幣挖礦集中在中國，這個國家依靠煤炭等化石燃料來生產(chǎn)大部分電力。毫不奇怪，比特幣開采的天文能源成本引起了氣候變化活動家的注意，他們指責(zé)該活動導(dǎo)致排放量增加。根據(jù)一些估計，加密貨幣的采礦過程消耗的電力與整個國家一樣多。但比特幣支持者發(fā)布的研究聲稱，這種加密貨幣主要由可再生能源提供動力。

關(guān)于這些研究要記住的一件事是，它們基于猜想和來自礦池的自我報告數(shù)據(jù)。例如，2019 年的 Coinshares 報告對比特幣挖礦生態(tài)系統(tǒng)評估中包含的礦工電源做出了幾個假設(shè)。

比特幣挖礦的歷史

兩項發(fā)展促成了今天比特幣挖礦的演變和組成。第一個是為比特幣制造定制礦機。因為比特幣挖掘本質(zhì)上是猜測，所以在另一個礦工之前得到正確答案幾乎與你的計算機產(chǎn)生哈希的速度有關(guān)。在比特幣的早期，具有普通 CPU 的臺式電腦主導(dǎo)著比特幣挖礦。但隨著算法的難度級別隨著時間的推移而增加，他們開始花費很長時間來發(fā)現(xiàn)加密貨幣網(wǎng)絡(luò)上的交易。根據(jù)一些估計，在 2015 年初的難度級別上，使用 CPU 需要“平均數(shù)十萬年”才能找到有效區(qū)塊。

隨著時間的推移，礦工們意識到顯卡，也稱為圖形處理單元 (GPU)，在挖礦時更有效、更快。但它們消耗了大量的電力，用于挖掘加密貨幣并不真正需要的單個硬件系統(tǒng)?，F(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 是一種 GPU，是一種改進，但它們也存在與 GPU 相同的缺點。

如今，礦工使用定制的礦機，稱為 ASIC 礦機，這些礦機配備了專用芯片，可以更快、更高效地挖掘比特幣。它們的成本從幾百到幾萬美元不等。今天，比特幣挖礦競爭非常激烈，只有使用最新的 ASIC 才能實現(xiàn)盈利。當(dāng)使用臺式計算機、GPU 或舊型號的 ASIC 時，能耗成本實際上超過了產(chǎn)生的收入。即使有最新的設(shè)備可供您使用，一臺計算機也很少足以與礦池競爭——礦池是一群結(jié)合他們的計算能力并在他們之間分割開采的比特幣的礦工。

比特幣分叉也影響了比特幣礦工網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成。在 16 萬億分之一的幾率、可擴展的難度級別和驗證交易的龐大用戶網(wǎng)絡(luò)之間，大約每 10 分鐘驗證一個交易塊。但重要的是要記住，10 分鐘是一個目標(biāo)，而不是規(guī)則。

比特幣網(wǎng)絡(luò)目前每秒可以處理不到四筆交易，每 10 分鐘在區(qū)塊鏈中記錄一次交易。相比之下，Visa 每秒可以處理大約 65,000 筆交易。然而，隨著比特幣用戶網(wǎng)絡(luò)的不斷增長，10 分鐘內(nèi)完成的交易數(shù)量最終將超過 10 分鐘內(nèi)可處理的交易數(shù)量。屆時，交易的等待時間將開始并繼續(xù)變長，除非對比特幣協(xié)議進行更改。

比特幣協(xié)議的核心問題被稱為擴展。盡管比特幣礦工普遍同意必須采取措施解決擴容問題，但關(guān)于如何做到這一點的共識較少。已經(jīng)提出了兩種主要的解決方案來解決縮放問題。開發(fā)人員建議要么創(chuàng)建第二個比特幣“鏈下”層，以允許稍后可以由區(qū)塊鏈驗證的更快交易，要么增加每個區(qū)塊可以存儲的交易數(shù)量。由于每個區(qū)塊要驗證的數(shù)據(jù)更少，第一個解決方案將使礦工的交易更快、更便宜。第二個將通過增加塊大小允許每 10 分鐘處理更多信息來處理擴展。

2017 年 7 月，代表該網(wǎng)絡(luò)大約 80% 至 90% 計算能力的比特幣礦工和采礦公司投票通過了一項計劃，該計劃將減少驗證每個區(qū)塊所需的數(shù)據(jù)量。

礦工投票添加到比特幣協(xié)議的程序稱為隔離見證，或 SegWit。這個術(shù)語是隔離的（意思是分開的）和見證的合并，指的是比特幣交易上的簽名。因此，隔離見證意味著將交易簽名與區(qū)塊分離，并將它們作為擴展區(qū)塊附加。盡管在比特幣協(xié)議中添加單個程序似乎不是一個解決方案，但據(jù)估計，簽名數(shù)據(jù)占每個交易塊中處理的數(shù)據(jù)的 65%。

不到一個月后，也就是 2017 年 8 月，一群礦工和開發(fā)人員發(fā)起了一次硬分叉，讓比特幣網(wǎng)絡(luò)使用與比特幣相同的代碼庫創(chuàng)建一種新貨幣。盡管該小組同意需要解決擴展問題，但他們擔(dān)心采用 SegWit 技術(shù)并不能完全解決擴展問題。

相反，他們采用了第二種解決方案，即增加每個區(qū)塊可以存儲的交易數(shù)量。由此產(chǎn)生的貨幣，稱為比特幣現(xiàn)金，將塊大小增加到 8MB，以加速驗證過程，以實現(xiàn)每天約 200 萬筆交易。

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