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(jì)算系統(tǒng)組成，這些芯片競(jìng)相解決數(shù)學(xué)難題。第一個(gè)解決這個(gè)難題的比特幣礦工（這些系統(tǒng)被稱為）將獲得比特幣獎(jiǎng)勵(lì)。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(shí)間內(nèi)，它是在具有常規(guī)中央處理器（CPU）的臺(tái)式計(jì)算機(jī)上開采的。但這個(gè)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(duì)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(duì)氣候變化的影響。

關(guān)鍵要點(diǎn)

• 比特幣挖掘是通過解決計(jì)算難題來創(chuàng)造新比特幣的過程。
• 比特幣挖掘?qū)τ诰S護(hù)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(jī)械來加速采礦作業(yè)。
• 比特幣挖礦引起了爭(zhēng)議，因?yàn)樗槐徽J(rèn)為是環(huán)保的。

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

數(shù)字信息可以相對(duì)容易地復(fù)制，因此對(duì)于比特幣和其他數(shù)字貨幣，消費(fèi)者可能會(huì)復(fù)制他們的比特幣并將其發(fā)送給另一方，同時(shí)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(diǎn)維護(hù)區(qū)塊鏈的記錄并驗(yàn)證其上發(fā)生的交易。比特幣礦工下載區(qū)塊鏈的整個(gè)歷史并將有效交易組合成一個(gè)區(qū)塊。如果組裝交易的區(qū)塊被其他礦工接受并驗(yàn)證，則礦工將獲得區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)。

區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)每 210,000 個(gè)區(qū)塊（或大約每四年）減半。2009年是50，2013年獎(jiǎng)勵(lì)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(jiǎng)勵(lì)改為 6.25。

比特幣礦工參與該過程的另一個(gè)誘因是交易費(fèi)用。除了獎(jiǎng)勵(lì)之外，礦工還從該交易塊中包含的任何交易中收取費(fèi)用。隨著比特幣達(dá)到其 2100 萬的計(jì)劃限制（預(yù)計(jì)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(fèi)用。這些費(fèi)用確保礦工仍然有動(dòng)力進(jìn)行挖礦并保持網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。這個(gè)想法是，對(duì)這些費(fèi)用的競(jìng)爭(zhēng)將導(dǎo)致它們?cè)跍p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(gè)數(shù)學(xué)難題，礦工應(yīng)該解決這個(gè)難題才能獲得比特幣獎(jiǎng)勵(lì)。這個(gè)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(fèi)的計(jì)算工作。雖然它通常被稱為復(fù)雜，但挖礦難題實(shí)際上相當(dāng)簡(jiǎn)單，可以說是猜測(cè)。

比特幣網(wǎng)絡(luò)中的礦工試圖提出一個(gè) 64 位十六進(jìn)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(gè)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(cè)所有可能的 64 位組合，直到找到解決方案。猜測(cè)小于或等于哈希的數(shù)字的系統(tǒng)將獲得比特幣獎(jiǎng)勵(lì)。

這里有一個(gè)例子來解釋這個(gè)過程。假設(shè)您讓朋友猜一個(gè)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(cè)確切的數(shù)字；他們只需成為第一個(gè)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(gè)朋友想出 21，他們會(huì)輸，因?yàn)?21 大于 19。但如果有人猜 16，另一個(gè)朋友猜 18，那么后者會(huì)贏，因?yàn)?18 比 16 更接近 19。非常簡(jiǎn)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(jìn)制數(shù)字和數(shù)千個(gè)計(jì)算系統(tǒng)。

什么是挖礦難度？

您在比特幣挖礦文獻(xiàn)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(huì)影響比特幣的生成速度。

挖礦難度每 2,016 個(gè)區(qū)塊或大約每?jī)芍芨囊淮巍ｋS后的難度級(jí)別取決于礦工在前一個(gè)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?yàn)樗黾恿斯Ｂ驶虿渴鹩糜谕诰蚣用茇泿诺挠?jì)算能力。2013 年和 2014 年，隨著比特幣價(jià)格上漲，更多礦工加入其網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)交易區(qū)塊的平均時(shí)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(jìng)爭(zhēng)解決方案，問題就會(huì)變得越困難。如果計(jì)算能力從網(wǎng)絡(luò)中移除，難度會(huì)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(jì)算機(jī)產(chǎn)生低于目標(biāo)的概率是 26.69 萬億分之一。換個(gè)角度來看，你用一張彩票贏得強(qiáng)力球大獎(jiǎng)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(jì)學(xué)是什么？

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

比特幣挖礦的三個(gè)主要成本：

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

挖礦系統(tǒng)：與流行的敘述相反，臺(tái)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(huì)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(jī)器，是比特幣礦工的主要基礎(chǔ)設(shè)施投資。此類機(jī)器的價(jià)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(gè)配備 ASIC 的系統(tǒng)生成的比特幣也少于單個(gè)比特幣。比特幣礦工將數(shù)千個(gè) ASIC 系統(tǒng)組織成 24/7 運(yùn)行的礦池，以生成解決哈希難題所需的 64 位十六進(jìn)制數(shù)。

網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施：網(wǎng)絡(luò)速度對(duì)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(huì)停止同步交易的過程。但它會(huì)使該過程耗時(shí)，并且可能在連接恢復(fù)后容易出錯(cuò)。

這三種投入的總成本應(yīng)該低于礦工從他們的風(fēng)險(xiǎn)中獲得利潤(rùn)的產(chǎn)出——在這種情況下是比特幣價(jià)格。考慮到比特幣價(jià)格飛漲，鑄造自己的加密貨幣的想法聽起來可能是一個(gè)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(xiàng)昂貴的冒險(xiǎn)，失敗的可能性很高。如挖礦難度部分所述，即使花費(fèi)大量費(fèi)用和精力，也無法保證您一定會(huì)獲得比特幣獎(jiǎng)勵(lì)。聚合采礦系統(tǒng)來經(jīng)營(yíng)一家開采比特幣的小型企業(yè)可能會(huì)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(jià)格波動(dòng)的擺布。如果加密貨幣的價(jià)格像 2018 年那樣暴跌，那么運(yùn)行比特幣挖礦系統(tǒng)將變得不經(jīng)濟(jì)，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(xiàng)活動(dòng)更加沒有吸引力。

鑒于開采比特幣的經(jīng)濟(jì)學(xué)固有的相當(dāng)大的困難，該活動(dòng)現(xiàn)在由業(yè)務(wù)遍及多個(gè)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(gè)國(guó)家運(yùn)營(yíng)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(duì)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(gè)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(guó)，這個(gè)國(guó)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(dòng)家的注意，他們指責(zé)該活動(dòng)導(dǎo)致排放量增加。根據(jù)一些估計(jì)，加密貨幣的采礦過程消耗的電力與整個(gè)國(guó)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(dòng)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(bào)告數(shù)據(jù)。例如，2019 年的 Coinshares 報(bào)告對(duì)比特幣挖礦生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估中包含的礦工電源做出了幾個(gè)假設(shè)。

比特幣挖礦的歷史

兩項(xiàng)發(fā)展促成了今天比特幣挖礦的演變和組成。第一個(gè)是為比特幣制造定制礦機(jī)。因?yàn)楸忍貛磐诰虮举|(zhì)上是猜測(cè)，所以在另一個(gè)礦工之前得到正確答案幾乎與你的計(jì)算機(jī)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(tái)式電腦主導(dǎo)著比特幣挖礦。但隨著算法的難度級(jí)別隨著時(shí)間的推移而增加，他們開始花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)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(jì)，在 2015 年初的難度級(jí)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(shí)間的推移，礦工們意識(shí)到顯卡，也稱為圖形處理單元 (GPU)，在挖礦時(shí)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(gè)硬件系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 是一種 GPU，是一種改進(jìn)，但它們也存在與 GPU 相同的缺點(diǎn)。

如今，礦工使用定制的礦機(jī)，稱為 ASIC 礦機(jī)，這些礦機(jī)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(jìng)爭(zhēng)非常激烈，只有使用最新的 ASIC 才能實(shí)現(xiàn)盈利。當(dāng)使用臺(tái)式計(jì)算機(jī)、GPU 或舊型號(hào)的 ASIC 時(shí)，能耗成本實(shí)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(tái)計(jì)算機(jī)也很少足以與礦池競(jìng)爭(zhēng)——礦池是一群結(jié)合他們的計(jì)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(kuò)展的難度級(jí)別和驗(yàn)證交易的龐大用戶網(wǎng)絡(luò)之間，大約每 10 分鐘驗(yàn)證一個(gè)交易塊。但重要的是要記住，10 分鐘是一個(gè)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(zhǎng)，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(shí)，交易的等待時(shí)間將開始并繼續(xù)變長(zhǎng)，除非對(duì)比特幣協(xié)議進(jìn)行更改。

比特幣協(xié)議的核心問題被稱為擴(kuò)展。盡管比特幣礦工普遍同意必須采取措施解決擴(kuò)容問題，但關(guān)于如何做到這一點(diǎn)的共識(shí)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(gè)比特幣“鏈下”層，以允許稍后可以由區(qū)塊鏈驗(yàn)證的更快交易，要么增加每個(gè)區(qū)塊可以存儲(chǔ)的交易數(shù)量。由于每個(gè)區(qū)塊要驗(yàn)證的數(shù)據(jù)更少，第一個(gè)解決方案將使礦工的交易更快、更便宜。第二個(gè)將通過增加塊大小允許每 10 分鐘處理更多信息來處理擴(kuò)展。

2017 年 7 月，代表該網(wǎng)絡(luò)大約 80% 至 90% 計(jì)算能力的比特幣礦工和采礦公司投票通過了一項(xiàng)計(jì)劃，該計(jì)劃將減少驗(yàn)證每個(gè)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(gè)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(kuò)展區(qū)塊附加。盡管在比特幣協(xié)議中添加單個(gè)程序似乎不是一個(gè)解決方案，但據(jù)估計(jì)，簽名數(shù)據(jù)占每個(gè)交易塊中處理的數(shù)據(jù)的 65%。

不到一個(gè)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(kuò)展問題，但他們擔(dān)心采用 SegWit 技術(shù)并不能完全解決擴(kuò)展問題。

相反，他們采用了第二種解決方案，即增加每個(gè)區(qū)塊可以存儲(chǔ)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(yàn)證過程，以實(shí)現(xiàn)每天約 200 萬筆交易。

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