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一张图看懂“主流比特币矿机哪家强” - 知乎

一张图看懂“主流比特币矿机哪家强” - 知乎首发于Odaily星球日报-探索真实区块链切换模式写文章登录/注册一张图看懂“主流比特币矿机哪家强”Odaily星球日报权威区块链媒体，36氪独家战略合作，让一部分人先读懂Web3文：郝方舟赵欢鑫组装中的阿瓦隆A841我不信，你没想过自己挖比特币。我刚听说比特币时，第一个问题就是“比特币是怎么来的”，之后才想到“它有啥用”和“多少钱一个”。现在我们都知道，比特币是矿工在区块上竞争解题（算Hash）时产生并确权的，这个过程俗称“挖矿”。这些年，挖矿经历了从早期“用个人电脑（CPU、显卡）挖”向现在“用专门的矿机（芯片）挖”的演变进化。市场也在几年前开始集中化，进入到“几大矿主垄断”的阶段。现在入场的“挖矿小白”更多是通过矿池（可以理解为用软件服务将挖矿众包）加入矿场，也有少数人手握资源，在电价洼地“包场供养”高性能的矿机组。有些人看到挖主流币（比特币、以太坊）的红利期已过，开始专攻“新小币种”。翼比特E9.3更多“矿业”历史和现状，星球日报将于近期发布深度文章进一步介绍解读，在此不赘述。今天，我们主要讨论下，如果个人想参与比特币挖矿，在挑选比特币矿机时要关注哪些核心指标。Odaily星球日报联合战略合作方鲸准研究院，推出面向小白的比特币矿机“选购指南”，enjoy~九款主流比特币矿机参数对比经比较：九款比特币矿机之中，“翼比特E10.1”的算力功耗比最优（但暂时买不到），紧随其后的“蚂蚁矿机S9i”官方售价6500元（价格居中）；“蚂蚁矿机V9”在算力和算力功耗比上“最弱”，但也最便宜。图中的“算力功耗比”是相对稳定，易于比较的指标。也有矿工，将矿机价格视为沉没成本，更关注“每日收益”。星球日报曾在“小白也能看懂的比特币矿机挑选标准”提到过另一个比较维度——“回本周期”。回本周期=矿机价格/（每日收益-电费）每日收益=理论上矿机获取比特币数量*比特币实时价格理论上矿机获取比特币数量=（当日开采比特币数量/全网算力）*矿机算力按2018年6月4日当天售价和币价，电费0.3元/度计算，九款主流比特币矿机中能在一年内回本的只有：蚂蚁矿机S9i，262天；蚂蚁矿机T9+，290天；翼比特E9.3，345天。当然，最终的“回本周期”是浮动的，还要综合考虑矿机寿命、挖矿软件分成……别忘了矿机售价也不是一成不变的。比如，“蚂蚁矿机销售”昨日公告显示，蚂蚁矿机Z9 Mini，调价至5900元人民币/台，相比其5月16日开售时1.1万人民币/台的价格下降了近一半。从供给侧来看，矿机市场也未必会是长期垄断的。本周，日本互联网巨头GMO公布了首款7nm比特币矿机B2。B2矿机在1950W功耗下，算力可达到24TH/s（算力功耗比为每1TH/81W），远超蚂蚁矿机S9i的13.5TH/s。不过，B2矿机的零售价1999美元也远高于蚂蚁矿机S9i的5600人民币（约877美元）。顺便提下，GMO出矿机更多用于内部矿场，并非对外销售。所以，考虑到这么多变量条件和已远去的红利期，大家还会寄希望于挖比特币致富吗？编者按：本文来自36氪战略合作区块链媒体“Odaily星球日报”（公众号ID：o-daily，APP下载）我是郝方舟，区块链优质项目寻求报道，可加微信nooxika，烦请备注公司+姓名+事由。发布于 2018-06-06 18:48比特币 (Bitcoin)比特币矿机虚拟货币赞同 3添加评论分享喜欢收藏申请转载文章被以下专栏收录Odaily星球日报-探索真实区块链新闻资讯、数据行情、技术解读、独家深度，一网

最强科普--加密数字货币挖矿全景图 - 知乎

最强科普--加密数字货币挖矿全景图 - 知乎首发于eos切换模式写文章登录/注册最强科普--加密数字货币挖矿全景图钟亮比失败还失败/末本/真的是钟本聪他爹近期，一个名叫Chris McCann外国人发表了一篇《Overview & Landscape of the Mining Industry》文章，全面调研了加密数字货币挖矿产业链全景图，在这里和大家分享。As of July 2019, Bitcoin miners generate $6B+ in revenues (mining rewards + transaction fees) on an annualized basis.Mining and the underlying hardware that secures Bitcoin and other cryptocurrency projects is an often overlooked market within the cryptocurrency sector. However in conjunction with the exchange landscape, mining is one of the core markets which generates significant revenues.In this post I will share an overview of the Bitcoin & crypto mining space, the underlying hardware which powers mining, an ecosystem landscape, and dive into the revenue & market size of the space.截止 2019 年 7 月，比特币矿工年均创造了超过六十亿美金的收益（挖矿奖励+交易手续费）。在加密数字货币领域，确保比特币及其它加密数字货币网络安全的基础硬件和挖矿活动是一个经常被人忽视的市场。然而，挖矿和交易，都是创造可观利润的核心市场。在这篇文章中，我将分享比特币及其它密码学货币挖矿领域的概况、支撑挖矿的基础硬件、行业的生态，并深入探究这个领域的收益和市场规模。How Cryptocurrency Mining Works 密码学货币挖矿原理简介Proof-of-work (mining) is the process in which new transactions are added to the Bitcoin blockchain and how the correct order of such transactions are agreed upon (consensus).One of my favorite analogies of the process is to think of it like a sudoku puzzle. It’s a puzzle that takes a lot of brainpower to solve, but once it’s solved it's very easy for everyone else to verify that you have found the correct answer.（这里放了一个youtube的一个视频解释挖矿的原理，链接不过来，所以删除了）Essentially, miners (computers geographically distributed around the world) compete to solve a computationally intensive puzzle which verifies the next block in the blockchain (in addition to the underlying transactions within the block). The miner who solves this puzzle first is the person who is able to claim the reward (the “coinbase reward” + transaction fees). Once the next block is found all of the miners on the network are able to verify that the block is correct, and move onto solving the next block in the chain.工作量证明（挖矿）是指将新交易添加到比特币区块链上、并对这些交易的合理顺序达成一致（共识）的过程。关于这个过程，我最喜欢的一个类比就是把它想象成一个数独谜题（译者注：需要在一个 9*9 的盘面上根据已有的数字推演出其它数字，保证每一行、每一列、每一个粗线设置的九宫格内的 1~9 都不重复）。它是一个需要烧死大量脑细胞才能解出来的难题，但是一旦解出来了，其他人就很容易验证你的答案是否正确。从本质上来说，矿工（地理上分散在世界各地的计算机）相互竞争着解决一个计算密集型的难题，一旦解出来就可以确证区块链上可（连带打包在区块中的交易）产生下一个区块。第一个解决难题的矿工可以获得区块奖励（“coinbase 奖励” + 交易手续费）。一旦新区块被创建，网络中的所有矿工都可以验证该区块的正确性，然后进入到解决下一个区块难题的竞争中。The Role Miners Play in the Bitcoin & Crypto Ecosystem矿工在比特币和区块链生态系统中扮演的角色All of the computers around the world racing to solve the next puzzle are the participants that make up the mining ecosystem. The collective computational resources are one of the core ingredients which provides the underlying security guarantees Bitcoin provides.Through this network, Bitcoin participants are able to expect:Their transactions will be confirmed on the Bitcoin blockchain.Their transactions will be in the correct order (protect against double spends).The history of the Bitcoin blockchain will stay intact (immutability).In return miners are compensated both in newly minted Bitcoin (“coinbase rewards”) + the transaction fees associated with each transaction. If participants want stronger guarantees on when their transaction will be added to the Bitcoin blockchain, they can increase the transaction fees they are willing to pay for their transactions.世界各地竞争着解决下一个难题的所有计算机都是挖矿生态系统的参与者。可汇总的计算资源是为比特币提供基本安全保障的核心要素之一。通过这个网络，比特币的使用者们可以期望：他们的交易将被比特币区块链所确认。他们的交易将按照合理的顺序被打包（防止一笔钱花两次）。比特币区块链的历史将保持不变（不可篡改性）。作为回报，矿工可以同时获得新挖出的比特币（“Coinbase 奖励”）和区块中每笔交易的手续费。如果用户希望自己的交易被及时打包到比特币区块链上，他们可以自愿增加为自己的交易所支付的手续费。Hardware Used in Mining用于挖矿的硬件While in the beginning of the Bitcoin network, it was profitable to mine Bitcoin using consumer grade central processing units (CPU’s), the Bitcoin network has developed to such a scale where it is impractical to do so now.The Bitcoin ecosystem is largely dominated by application specific integrated circuits (ASIC’s). For most other cryptocurrencies, graphics processing units (GPU’s) and field-programmable gate array (FPGA's) are the dominant form factors. A number of coins also exist with the same hashing algorithm at Bitcoin (SHA256) that are compatible with Bitcoin mining ASICs.在比特币网络的早期，使用消费级的 CPU 挖比特币还有利可图，然而，比特币网络发展到如今的规模，再这样做已经不切实际了。目前，比特币生态系统内的矿机由专用集成电路（ASIC）主导。对于其它绝大多数密码学货币而言，图形处理器（GPU）和现场可编程门阵列（FPGA）是主要的矿机形态。还存在许多和比特币使用同一种哈希算法（SHA256）的密码学货币，它们也兼容比特币的 ASIC 矿机。Mining Ecosystem Landscape挖矿生态系统的景观Below is a graphic of the mining sector in its totality, from the chips to the end user services:下面是一张从芯片到终端用户的挖矿生态系统全景图：Foundry代工厂Taiwan Semiconductor (TSMC) and Samsung are the two core semiconductor foundries which produce all of the silicon wafers which go into mining hardware. Taiwan in particular has a dominant share of the chipset supply chain.For example: NVIDIA, AMD, Xilinx, Bitmain, and Cannan all use TSMC for their core production lines.台积电（TSMC）和三星是两家核心的半导体制造商，它们生产了所有挖矿硬件所采用的硅晶片。尤其是台积电，它在芯片组供应链中占据了主导地位。举例来说：英伟达、AMD、赛灵思（Xilinx）、比特大陆和嘉楠耘智全部使用台积电作为其核心生产线。Packaging, Testing, Assembly打包，测试，组装Once the wafers are complete you need to test them, cut them apart, package them into the final chip, and retest. This whole process is typically handled by OSAT companies (outsourced assembly and test companies) with the two largest of such being ASE Group (Taiwan) and Amkor Technology.晶片生产出来之后，你需要对它们进行测试，切分，并把它们封装进最终的芯片中，然后重新测试。整个流程通常由 OSAT 公司（外包封装测试公司）处理，其中最大的两家公司是 ASE 集团（台湾）与 Amkor Technology。IC Design and Manufacturers 集成电路设计与制造商* 绝大部分集成电路公司都没有披露它们的 OSAT 供应商。The companies which design and sell the chips are typically referred to as fabless chip companies (the fabrication itself is left to the foundry and OSAT companies).For GPU’s, the two top manufacturers are NVIDIA and AMD. For FPGA’s, the top manufacturer is Xilinx. For crypto specific ASIC’s, the top three companies are Bitmain, Canaan, and Pangolin Miner (producer of the Whatsminer line).In addition to these three manufacturers there are other IC design companies in the space including: Ebang, Innosilicon, Bitfury, Obelisk, and others.设计和销售芯片的公司通常被称为无晶圆芯片公司（制造本身由代工厂和 OSAT 公司负责）。对于 GPU 而言，最顶级的两个制造商是英伟达和 AMD。而对于 FPGA 而言，最顶级的制造商是赛灵思。对于专门用来进行密码学货币挖矿的 ASIC 芯片而言，最顶级的三家制造商则是比特大陆，嘉楠耘智，和穿山甲矿机（Pangolin Miner）（神马(Whatsminer)矿机系列的制造商）。除了这三类制造商之外，这个行业中还有一些其它的集成电路设计公司，包括：翼比特，芯动科技，Bitfury，Obelisk，等等。英伟达和 AMD 为所有的用例生产 GPU，而不仅仅是挖矿。市场份额来自 Jon Peddie Research 的估算。表中的估值是在比特大陆和嘉楠耘智赴港交所上市失败后的最后估值。Miners & Mining Farms矿工和矿场After the chips have been produced, they can now be used to mine cryptocurrencies. ASIC’s are especially designed to mine one mining algorithm (typically SHA256 & Bitcoin) while GPU’s have more flexibility built in.Miners include: people using one machine to mine, small mining operations (5-10 machines), medium sized mining farms (10-100 machines), large scale mining operations (100-1,000 machines) to industrial scale mining farms (1,000+ machines). Some of the largest operations I’ve heard of so far are in the range of 100,000’s of machines across multiple geographies.In addition to designing the chips some of the manufacturers mine themselves as well (Bitmain, Canaan, Pangolin). Bitmain, for example, publicly discloses their “self-mining” monthly.Any sized mining operation can be pointed at a mining pool (more on these later) or if large enough they can self mine - aggregating all of their hashpower to find blocks directly, without commingling their hashrate with other miners.*It is quite controversial that the mining chip producers potentially use their own machines to mine before selling them. However if you really do have a device that generates revenue, there is no reason why you would leave it unused in inventory, but rather you would utilize it until you could sell it.芯片被生产出来之后，就可以用来挖密码学货币啦。ASIC 芯片被设计成专门挖一种挖矿算法（通常是 SHA256 或者说比特币），而 GPU 则更具灵活性。矿工包括：使用一台机器进行挖矿的人，小型挖矿作业（5-10 台机器），中等规模的矿场（10-100台机器），大规模矿场（100-1,000台机器）到工业规模的矿场（1,000 台以上机器）。迄今为，我听说过的最大规模的矿场在多个地区运行了多达 100,000 台矿机。除了设计芯片以外，一些制造商自己也参与挖矿（例如比特大陆，嘉楠耘智，穿山甲）。举例来说，比特大陆每个月都公开披露他们自己的挖矿状况。大大小小的矿工都可以加入到一个矿池（将在后文详细介绍）中，如果矿场的规模足够大，他们还可以 solo 挖矿—— 只汇集自己的哈希算力来直接寻找区块，不与其他矿工混合算力。* 一个颇有争议的地方在于，挖矿芯片的制造商在出售芯片之前，可能会提前使用它们进行挖矿。然而，如果你真的有一台能产生利润的设备，你也没有理由把它闲置在仓库里，你也可能会在卖出去之前用它来挖矿。Pools (Single and multi-currency)矿池（单币种和多币种）For individual to non-industrial miners it is more economically rational to join a pool rather than to self mine. Pools aggregate the hashpower of many miners together to smooth out the reward curves for each individual miner. The pool is in charge of optimizing all of the hashpower, running the mining notes, collecting & distributed rewards, and taking a fee on top for the service.There are some pools that specialize in specific cryptocurrencies (Sparkpool: Ethereum & Grin) and other pools which have setup various pools covering all of the top cryptocurrencies (Antpool, F2Pool, Poolin, Slushpool, etc). All of these pools started by specializing in one cryptocurrency (typically Bitcoin) and have thus expanded to cover all forms of cryptocurrencies.One of my favorite analogies of how mining pools work is to think of it like the office lottery pool. By pooling together all of the lottery tickets, all of the individuals (miners) have a better chance of winning the reward (block reward).However with mining pools you are both trusting the service to both report the correct earnings and the correct number of tickets everyone in the pool has. To bring transparency there are services like PoolWatch that try to track and compare the reporting across various mining pools.对于从个体到非工业级别的矿工来说，在经济上更加合理的做法是加入一个矿池，而非自己单独挖矿。矿池把许多矿工的哈希算力汇集了起来，使得每个矿工的回报曲线能够更加平滑。矿池负责优化所有的哈希算力、运行挖矿程序、收集并分配奖励，并对这些服务收取额外的费用。有一些矿池专注于挖特定的密码学货币（例如星火矿池，专注于以太坊和 Grin），而其他矿池则设置了多种矿池，覆盖了所有主流的密码学货币（蚂蚁矿池，鱼池，币印矿池，Slushpool，等等）。所有的这些矿池一开始都是专注于挖一个密码学货币（通常是比特币），后来才扩展到涵盖所有形式的密码学货币。关于矿池的运行方式，我最喜欢的一个类比是将它想象成办公室的彩票池。通过把所有人买的彩票汇集到一起，每个人（矿工）都有更大的机会赢得奖励。然而，使用矿池就意味着要信任矿池 —— 每个人拥有的准确算力份额以及合理的收入，都由矿池来记录并分发。为了提高透明度，有一些类似 PoolWatch 的服务会跟踪和比较各种矿池的报告。Hashrate Marketplaces算力市场As a miner in addition to using your own hashrate for mining, you also have the option to sell your hashrate to someone else. Often, this is done in a marketplace - the biggest of such marketplaces is NiceHash. A smaller, peer-to-peer marketplace is Mining Rig Rentals.On these marketplaces, people can both sell their hashrate and/or purchase hashrate on any given set of mining algorithms across any kind of cryptocurrencies. Although there are a lot of reasons why someone would want to buy hashrate, one of the top reasons is buying hashrate is used as a form of onramp into cryptocurrencies.Often times people are using hashrate to speculate on various cryptocurrencies — e.g. want to purchase SHA256 hash rate and use it for Bitcoin SV instead of Bitcoin. (a terrible trade…)矿工除了直接挖矿以外，还可以把自己的算力卖给别人。现实中也是有这样的算力买卖市场的——目前最大的市场是 NiceHash。除此以外，还有一个更小的点对点的算力市场：Mining Rig Rentals。在这些市场中，人们可以同时出售他们的算力和/或购买算力——任何密码学货币的任何算法都行。尽管人们购买算力的原因很多，然而其中最主要的一个原因就是购买算力是一个拥有密码学货币的入口。很多时候人们使用算力来炒作各种密码学货币——例如，想要采购适合 SHA256 的哈希算力来挖 BSV 而不是比特币（实在是一笔不划算的买卖···）Cloud mining云挖矿Cloud mining are services where consumers can purchase hashrate contracts directly, instead of operating any hardware themselves. It’s similar to the hashrate marketplaces above the cloud mining services typically are operated by one central supply.Two of the biggest companies in this space are Genesis Mining (US) and Bitdeer (Asia). Again similarly to above one of the top reasons is buying hashrate is used as a form of onramp into cryptocurrencies. Through this method, people can use fiat to purchase Bitcoin and other cryptocurrencies directly without going through an exchange.云挖矿即直接买卖的算力合同，消费者无需接触任何硬件。有点类似于上面提到的算力市场，通常是由一个中心化的供应商来运营的。这个领域中最大的两家公司是 Genesis Mining（美国）和 Bitdeer (亚洲)。也与上面提到的类似，人们使用云挖矿服务的一个主要的原因是购买算力被当成获取密码学货币的一种入口。通过这种方式，人们可以使用法币来直接购买比特币或其他密码学货币，而不用通过交易所。Smart Miners智能矿工Smart miners is a new category that has emerged. Mining is a complex endeavor in which participants need to have an understanding of hardware, networking, energy, forecasts of hashrate, optimizing for specific algorithms, etc. On top of this, all of these inputs are constantly changing on a daily basis with new long tail cryptocurrencies constantly coming and going.Smart Miners, like Honeyminer, aim to optimize all of these factors to allow miners, both consumers and professionals, to earn as much as possible with the hashpower they have. Two other similar products are HashFish and Cudo Miner.In a short period of time these products have aggregated a considerable amount of the supply side hashpower of the marketplace.智能矿工是最近出现的一个新的品类。挖矿是一个复杂的任务，它要求参与者了解硬件，网络，能源，算力预测，以及针对特定算法的优化等等。此外，随着新的密码学货币不断涌现以及旧的密码学货币的消亡，所有的这些因素每天都在不断地变化。像 Honeyminer 这类智能矿工软件，旨在同时优化上述所有的因素，使得普通的消费者和专业人士都可以通过拥有的算力尽可能多地挣取收益。另外还有两个类似的产品——HashFish 和 Cudo Miner。在短时间内，这些产品在供应端聚集起了可观的算力。Size and Revenue of the Mining Market挖矿市场的规模和收益The crypto mining industry generates over $8 billion in revenue on an annualized basis.Revenue comes from both the block rewards + the transaction fees included in every single block on all proof-of-work blockchains. Based on the most recent CoinMetrics data on June 25th, 2019 the mining rewards, here is the weekly, monthly, and yearly revenue run rates of mining in total.以年为单位计算，密码学货币挖矿行业每年创造超过 80 亿美金的利润。在所有基于工作量证明的区块链中，利润来自区块奖励和每个区块中包含的交易手续费。根据 CoinMetrics 在 2019 年 6 月 25 日公布的最新的挖矿奖励数据，下面是挖矿行业每周，每月，以及每年的挖矿收益。比特币占到所有加密数字货币挖矿领域的75%However the overall revenue the mining sector generates is directly tied to the price of the underlying cryptocurrency, so it is highly reflexive back to the underlying cryptocurrency market (hence why Wall Street will have a tough time understanding the companies in this sector). More on this below.这也与今天（2019 年 7 月 1 日）比特币占据主导地位的市场份额相符合。根据 CoinMarketCap 的数据，比特币占据了 60% 的市值。然而，挖矿行业创造的整体利润与其所挖密码学货币的价格直接挂钩，所以它会反过来直接影响密码学货币市场（因此，华尔街很难理解这个行业里的公司）。下面将详细介绍。Understanding the Profitability of the Mining Sector理解挖矿行业的盈利情况The overall revenue, cost, and profitability of participants in the mining sector is hinged on a few key factors.挖矿行业参与者的整体利润，成本，和盈利情况受到少数几个关键因素影响。Capital Expenditure (Capex)The main capex expense for miners is the cost of the mining machines themselves + any facilities/buildout which are needed to run the operation.For example if you wanted to purchase 10,000 of the most recent Bitmain S17 models, this would cost $16M at retail price. Large miners can get special pricing; however, when machines are highly in demand it’s hard to even secure supply much less negotiate on rates.This does not take into account the cost of setting up the facilities which have turned from hobbyist activities into real professional industrial scale operations.资本支出（Capex）矿工主要的资本支出是挖矿机器本身的成本加上运营该机器需要的所有设施/建筑物。举例来说，如果你想要按照零售价采购 10,000 台最新的比特大陆生产的蚂蚁矿机 S17，需要花费 1,600 万美金。大型矿工可以特价采购。然而，当矿机的需求很高以至于很难保证供应时，价格的优惠力度会很小。这还没有把建设设施的成本考虑进来，这些设施将挖矿从业余爱好变成真正专业的工业规模项目。Operational Expenditure (Opex)运营成本（Opex）The main opex expense for miners is the cost of electricity to power the machines on a daily basis.For example. if you were running 10,000 Bitmain S17 miners 24/7 this would cost you $36,000 per day (~$13M per year) in energy cost at $0.05 per kilowatt hour (kWh) - just to power the miners alone.The average cost of electricity is highly variable based on where you live and what electricity source you are using:对于矿工来说，主要的运营成本是每天运行矿机所需的电费。举例来说，如果你 7*24 小时地运行 10,000 台比特大陆的 S17 矿机，按每度（kwh）电 0.05 美金计算，每天将会花掉你 36,000 美金（每年大约 1,300 万美金）的电费——仅仅是支撑矿机运行而已。电费的平均支出视矿机所在地域和所用电力来源而定，差别很大：Miners are inherently incentivized to find the cheapest sources of energy around the world, which is why Coinshares estimates that 75% of the energy that powers the Bitcoin network comes from renewable sources, largely hydroelectric energy.In addition to the energy costs to power the mining machines, the other ongoing opex costs include: cooling, staff, maintenance, security, and general facility operations. A general rule of thumb is to 1.5x the energy cost to give a rough estimate on the ongoing opex costs.Following our example above for a mining operating of 10,000 Bitmain S17 a rough estimate on the cost side would be:$16M Capex + $3M (import tax) + $4M (Facilities + security)$20M Opex (yearly)$67M Revenue potential (based on today’s Bitcoin price).This is a rough estimate just to show the scale of factors miners are dealing with. The true cost would be highly dependent on your geographic location, buildout, etc.However even these factors are always in flux, due the the market factors which will we will cover below.矿工的本性激励他们去寻找世界上最便宜的能源，这就是为什么 Coinshares 估计支撑比特币网络运行的 75% 的电力来自可再生能源，主要就是水力发电。除了维持矿机运行所需的电费以外，其它不间断的运营成本还包括：散热，人工，维护，安全和普通设施运营。一般来说，可以粗略地估计不间断的运营成本是电费的 1.5 倍。根据我们上面关于运营 10,000 台比特大陆的 S17 矿机的例子，可以粗略地估计其成本为：1,600 万美金的资本支出 + 300 万美金（进口税）+ 400万美金（设施+安全）2,000 万美金的运营成本（每年）6,700 万美金的潜在收益（基于今天的比特币价格）以上只是一个粗略的估计，仅仅是为了展示矿工需要付出的各种成本的规模。真正的成本将完全取决于你所处的地理位置和所用建筑等。然而，由于我们下面将介绍的市场因素，上述成本将不断变化。Market factorsWhile opex and capex are two factors miners can control, there are market forces at play which greatly determine the profitability of mining.市场因素尽管资本支出和运营成本是两项矿工可以控制的因素，但市场的力量在很大程度上决定了挖矿的盈利情况。Miner costs & available supply矿工成本 & 可见的供给Unlike many traditional products, the mining producers (Bitmain, Canaan, Whatsminer, etc) will vary the price on the mining machines based on the profitability (the Bitcoin price) of the machines.During big pull runs the price swings of the underlying cryptocurrencies + the mining machines themselves can swing wildly. In crazy periods there are whole secondary markets dedicated to just purchasing more hardware, and older machines can even become profitable again too.In general I would always expect the price of machines to be priced close to the fair value the machine can generate at that point in time.On top of this mining hardware tends to be supply constrained, especially with the newer machines. In keeping with our Bitmain S17 example, these machines are entirely sold out. Talking to some of the people on the team they don’t expect to have supply available until November at the earliest.与很多传统的产品不同，矿机制造商（比特大陆，嘉楠耘智，神马矿机等等）会根据矿机的盈利情况（比特币价格）来调整矿机的价格。当密码学货币的价格出现大幅拉伸时，矿机本身的价格也会随之剧烈波动。疯狂时期，整个二级市场都在抢购更多的矿机，即使是老的矿机也能咸鱼翻身。总的来说，我总是希望机器的定价能接近在那个时间点可以创造的公允价值。除此之外，矿机的供用往往是比较受限的，尤其是比较新的矿机。继续拿上面提到的比特大陆的 S17 矿机为例，这些机器已经被抢购一空了。与团队中一些人交流时，他们告诉我，他们并不指望在 11 月初以前能保证充足供应。HashrateThe chance of a miner solving the next block is directly proportional to their hashrate relative to the hashrate of the total Bitcoin network (using Bitcoin as an example for simplicity).An oversimplifying example to illustrate this is if you as a miner controlling 1% of the Bitcoin hashrate (compared to the overall Bitcoin hashrate) then you would expect to earn 1% of the total rewards from the Bitcoin network.算力矿工获取下个区块打包权的机会与他们的算力占整个比特币网络算力的比重成正比（为了简单起见，使用比特币来进行说明）。用最简单的例子来说明，如果你作为一名矿工，拥有的比特币算力占全网算力的 1% ，那么你就可以期望自己从比特币网络获得总奖励的 1%。However, the overall hashrate of the Bitcoin is always changing so the profitability of each miner depends on how many miners enter or leave the ecosystem. The Bitcoin protocol does have an internal method on adjusting the difficulty level .不过，比特币网络的总算力总是处于不断变化之中，因此每个矿工的盈利情况取决于有多少矿工加入或离开这个生态系统。比特币协议有一套内部的方法来调整挖矿难度。Bitcoin PriceSince the block reward is paid out in the underlying cryptocurrency. For example if you are mining Bitcoin, the block reward you earn is paid out in Bitcoin itself. Given this the reward amount is directly tied to the price of Bitcoin itself.The more Bitcoin is worth, the more mining rewards are worth. To engage in mining you have to be inherently long the cryptocurrency you are mining, because your profitability is dependent on it.One of the major reasons why Bitcoin is the dominant cryptocurrency (outside of being first) is Bitcoin’s transparent, open, and fair supply schedule. From the genesis block, Bitcoin has a fixed supply schedule with a fixed supply - there will only be 21M Bitcoin ever created.Mining is the way new Bitcoin are created and emitted into the world. Today each Bitcoin block reward is 12.5 Bitcoin; however, this amount decreases every 210,000 blocks. At block #630,000 (estimated around May 24th, 2020) this reward will drop to 6.25 Bitcoin - this is referred to as the halvening event.To see how halvening events have affected the Bitcoin and other cryptocurrency networks before, check out this great post by CoinMetrics looking at prior halvening events.If you would like to go even further into the supply schedule of Bitcoin and what happens after all of the Bitcoin is created, see these two posts about Bitcoins supply and overall security budget (shoutout to Dan Held for covering this topic throughly).TLDR - The price of Bitcoin and underlying supply schedule of Bitcoin greatly affects the profitability of mining itself.比特币价格因为区块奖励是直接以底层的密码学货币支付的。举例来说，如果你在挖比特币，那么你赚到的区块奖励就是用比特币来支付的。因此，奖励的价值与比特币本身的价格直接挂钩。比特币越值钱，挖矿的奖励就越值钱。要从事挖矿行业，你必须发自内心地看好你所挖的密码学货币，因为你的盈利情况取决于它。比特币在所有密码学货币（除第一名之外）中占据主导地位的主要原因之一就是它透明、开放而公平的发行计划。从创世区块开始，比特币就有一个固定的发行计划，规定了它发行的上限——最多只会有 2,100 万枚比特币被创造出来。挖矿是创造比特币并将其流通到全世界的一种方式，今天每个比特币的区块奖励是 12.5 个比特币；然而，这个数量随着每挖出每 21 万个区块就减少一次。当第 63 万个区块（估计是在 2020年 5月 24 日左右）被挖出来时，区块奖励将减少到 6.25 个比特币——这也被称为减半事件。想要了解之前的减半事件是如何影响比特币和其它密码学货币网络的，请查看这篇来自 CoinMetrics 的非常棒的文章，他们梳理了以前的减半事件。如果你想更进一步了解比特币的发行计划，以及当比特币都被挖完以后会发生什么，请参阅这两篇关于比特币发行和总体安全预算的文章（为 Dan Held 带来的全面报道打 call）。一句话总结 —— 比特币的价格和比特币的基础发行计划极大地影响了挖矿本身的盈利情况。My Key TakeawaysAfter diving deep into the cryptocurrency mining space here are my biggest takeaways:While often overlooked the mining industry & underlying hardware plays a very important role in blockchain networks.Hashrate = cryptocurrency = money. For many people hashrate is the key on-ramp into the crypto world.Just like we see the financialization of Bitcoin, I predict we will see a similar financialization of hashrate.If you are an entrepreneur working in this space building marketplaces, exchanges, financial products, or any related services within the mining industry I’d love to chat with you. My contact info is listed on our fund website: Proof of Capital.A big thank you to Edith Yeung. Noah Jessop, Jane Wu, and a few other large miners who prefer to stay anonymous for providing feedback on this writeup.我的主要收获在对密码学货币的挖矿领域进行深入研究之后，以下是我最大的收获：我们往往忽视了挖矿行业和基础硬件在区块链网络中扮演的重要角色。算力 = 密码学货币 = 金钱。对于许多人来说，算力是进入加密世界的关键。正如我们看到比特币的金融化一样，我预测我们将看到算力也会类似地金融化。如果你是在这个领域内开办算力市场，交易所，提供金融产品，或任何与挖矿行业有关服务的企业家，我很乐意和你交流。可以在我们基金的网站上找到我的联系信息：Proof of Capital。非常感谢 Edith Yeung，Noah Jessop，Jane Wu，以及其他几位愿意匿名为这篇报道提供反馈的大矿工们。（完）原文链接: https://www.chrismccann.com/blog/crypto-mining-101-overview-and-landscape-of-the-mining-industry发布于 2019-08-14 12:37btc挖矿比特币投资比特币 (Bitcoin)赞同 83 条评论分享喜欢收藏申请转载文章被以下专栏收录eos未来已来，你

60 组数据透视全球比特币挖矿格局变迁、市场规模及能耗统计 | by 唯客 WEEX | Cointime

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60 组数据透视全球比特币挖矿格局变迁、市场规模及能耗统计

撰文：Techopedia编译：WEEX Exchange在快节奏的数字货币世界中，比特币已成为一个现象级存在，吸引了全球投资者的目光。这种革命性的加密货币的核心是一个叫做「挖矿」的过程，它推动了比特币的运行，并对整个区块链生态系统产生重大影响。本文将深入探讨比特币挖矿和能源消耗统计，以及为什么「挖矿」对比特币和环境的发展都至关重要。无论你是经验丰富的投资者，还是加密货币领域新手，了解比特币挖矿的来龙去脉都是掌握这种数字资产真正潜力的必要条件。因此，让我们深入探索比特币挖矿的有趣世界，阐明其重要性，以及你需要了解的关键信息。比特币挖矿统计数据集锦2023 年 5 月，全球比特币挖矿年耗电量约为 95.58 太瓦时（TWh）。据估计，比特币消耗了全球加密资产用电量的 60%-77%。比特币挖矿拥有 81.1 亿美元的总市值。比特币矿工每天获得的收入为 2770 万美元。美国拥有全球最大的比特币挖矿产业，占比特币全网哈希率的 38% 以上。比特币挖矿能耗统计比特币挖矿能源消耗已成为一个人们广泛关注和审查的课题。随着比特币的普及和价值飙升，开采新币和维护区块链所需的能源也随之增加。据《纽约时报》报道，在比特币早期，当它的追随者有限时，一台台式电脑可以在几秒钟内毫不费力地挖出加密货币。而如今，开采一枚比特币需要大约「9 年的典型家庭用电量」。2023 年 5 月，比特币挖矿预计消耗约 95.58 太瓦时的电力；其 2022 全年的用电量达到 204.5 太瓦时，超过了芬兰全国的用电量。图 1：比特币挖矿估算用电量、最小用电量（TWh/year）据白宫报告称，2022 年美国比特币挖矿消耗的能源总量达到 500 亿千瓦时（kWh），凸显能源使用规模之大。比特币挖矿所消耗的电能超过美国运行的所有计算机能耗的总和。当然，比特币挖矿本身也包含在全国用电量数据之内。图 2：美国家庭用电量和加密货币挖矿耗电量对比上图显示，美国不同家庭场景用电量从高到低依次为：制冷、照明、电视、Crypto、电脑、风机和水泵、冰柜、洗衣机、洗碗机（截至 2022 年 8 月，比特币预计占所有 Crypto 用电量的 60%-77%，WEEX 注）一笔比特币交易需要 1,449 度电来记账（挖矿），大约相当于美国普通家庭 50 天的耗电量。以货币衡量，美国 1 度电的平均成本为 12 美分，也就是说，一笔比特币交易记账需要消耗约 173 美元的电费。比特币挖矿消耗的能源约占全球能源总量的 0.5%，比 Google 全球业务的总耗电量高出 7 倍以上。如果将比特币网络的能源消耗和各国用电量对比，它排在全球第 34 位。（仅次于荷兰，高于哈萨克斯坦，编者注）图 3：各国能耗排名单笔比特币交易的能耗相当于近 10 万笔 Visa 卡交易能耗。2023 年 5 月，比特币每笔交易的用电量达到 703.25 千瓦时，而 Visa 卡的用电量只有 148.63 千瓦时。图 4：比特币交易 vs. Visa 卡交易能耗1）如何计算比特币挖矿的能耗？要确定比特币挖矿的确切能耗具有挑战性，因为影响因素很多，包括：比特币挖矿的去中心化特质缺乏标准化的报告要求动态且不断变化的采矿格局矿工使用的电力来源不同矿场运营的私人性和保密性精确估算能源使用量通常依赖于基于可用数据的假设、近似值和统计模型。Digiconomist 发布的信息图揭示了准确衡量比特币能耗所面临的挑战。鉴于电力成本是持续支出的重要因素，比特币网络的总电力消耗与矿工的收入密切相关。图 5：确定比特币挖矿能耗的步骤2）美国比特币矿场和能耗数据《纽约时报》列出了 34 个比特币矿场，这些都是美国的大型矿场，能耗极大。这些矿场的运营会产生成本，例如电费增加和大量的碳排放，影响到附近的个人。这 34 个挖矿项目中，每个项目的用电量至少是美国家庭平均用电量的 3 万倍。这些业务总共消耗超过 3,900 兆瓦的电力，几乎相当于周围 300 万户家庭的用电量。图 6：美国大型比特币矿场分布内布拉斯加州科尔尼的一个比特币矿场消耗的电量与周围 7.3 万个家庭的用电量相当。佐治亚州道尔顿一家矿场的用电量相当于周围约 9.7 万个家庭用电量。位于德克萨斯州罗克代尔的 Riot Platform 矿场是美国耗电量最大的比特币矿场，它的用电量与周围的 30 万户家庭的用电量相当。Riot 矿场位于 Bitdeer 矿场附近，其消耗的总电量超过了 40 英里半径内所有家庭的总用电量。德州的加密货币矿工已经获得了长期合同，保证他们在长达十年的时间内享受大幅折扣的电价。图 7：德州比特币矿场分布3）气候变化与比特币挖矿及能耗截至 2021 年 8 月，比特币网络的平均排放因子为 557.76 gCO2/kWh，预计电力负载需求为 13.39 GW，比特币挖矿每年可能排放约 65.4 兆吨二氧化碳（MtCO2）。比特币挖矿的碳足迹可以根据矿工使用的电力来源来估算。下图基本代表了比特币挖矿的全球碳足迹，与希腊等国的排放量相近（2019 年为 56.6 MtCO2），占全球总排放量的 0.19%。图 8：比特币挖矿的碳足迹截至 2021 年 5 月，比特币挖矿每年产生约 3.1 万吨电子垃圾。到了 2022 年 6 月，这一数字已上升至 3.5 万吨 / 年，相当于整个荷兰的电子垃圾年产出量。例如，纽约州的一家天然气发电厂 Greenidge LLC 在进行表后（behind-the-meter）比特币挖矿时，每年排放的二氧化碳当量约为 88,440 吨。假设一个发电厂发的电全部用于比特币挖矿，那么每年的排放量将达到 656,983 吨二氧化碳当量。温室气体排放总量中约有 79% 来自发电，发电是主要的排放源。如果发电厂全负荷开机，其年排放量相当于约 14 万辆客车的排放量，或 6 亿磅煤炭燃烧产生的排放量。4）比特币挖矿能耗背后的好处为了应对比特币挖矿的不利影响，比特币挖矿理事会（BMC）——一个由占比特币全网算力 48.4% 的矿业公司组成的全球性论坛——透露，2022 年第四季度的运营数据显示，可再生能源占比特币挖矿用电量的 58.9 %。这相比 2021 年第一季度报告的 36.8% 估算值，有了显著上升。此外，比特币清洁能源倡议备忘录发布的一份研究论文报告称，比特币矿机是可再生能源和存储的理想补充技术。该研究论文中强调的比特币挖矿的其他主要亮点包括：比特币挖矿可以加速全球能源向可再生能源转型。比特币挖矿可以鼓励对太阳能的投资，而电力成本可能不会改变。比特币挖矿市场规模和收入统计比特币挖矿，即验证交易和保护网络安全的过程，已经发展成为一个竞争激烈的行业，导致其市场规模和收入呈指数级增长。该市场已经变得非常有利可图，全球参与者众多，包括个体矿工和大型采矿运营商。与此同时，比特币价格也于 2021 年 11 月突破 65,000 美元，创加密货币的历史新高。截至 2023 年 6 月，比特币市值达到 5978 亿美元。比特币的最大供应量设定为 2100 万枚。这确保了稀缺性，是促进比特币价值主张的一个重要因素。2023 年 3 月，已挖出的比特币数量超过 1900 万枚，剩余尚未挖出的数量为 200 万枚。一旦达到 2100 万枚的阈值，就不再有任何新的比特币被挖出。这种稀缺性反过来又支撑了比特币挖矿的总市值，目前该市值为 81.1 亿美元。1）最大的比特币矿业公司数据CompaniesMarketCap 编制的一份清单包括 16 家最大的上市比特币矿业公司估值。其中，Marathon Digital Holdings 是最大的比特币矿商，市值达 22.7 亿美元。图 9：比特币矿业公司市值 Top5值得注意的是，这份名单并未包含其他一些市值较小的上市矿业公司，以及许多未上市的加密挖矿公司。按收入计算，嘉楠耘智（Canaan）是排名第一的上市矿业公司，2022 年报告的总收入为 6.5 亿美元。中国比特币矿业公司的收入主要来自于比特币矿机销售。图 10：比特币矿业公司收入 Top5按收益（Earnings，息税前利润）计算，嘉楠耘智同样是排名第一的上市矿业公司，2022 年收益总计 9233 万美元。2021 年，该公司的盈利大幅增长，达到 3 亿美元，较 2020 年的亏损 3120 万美元明显改善。2）比特币挖矿收入数据截至 2023 年 6 月 26 日，比特币矿商每日产生的收入为 2770 万美元，较去年同期的 1820 万美元大幅增长 52.20%。2021 年 4 月，比特币矿工实现了自 2018 年以来的最高日收入，达到 8012 万美元（主要得益于 Ordinals、BRC20 带来的 BTC Gas 费上升，WEEX 注）。图 11：比特币矿工收入变化据 Glassnode 报道，2023 年 6 月 27 日，比特币矿工向交易所单笔转入创纪录的 1.28 亿美元 BTC。图 12：矿工转入交易所的 BTC 数据3）比特币挖矿收入的来源矿工的收入有两个来源：比特币区块奖励和交易费用。比特币奖励由在区块链系统中成功挖出区块的矿工获得。为了领取奖励，矿工将其添加到区块的头部。大约每四年，在比特币网络中成功挖出一个新区块的奖励就会减半。当比特币问世时，挖矿的区块奖励是 50 个比特币。截至 2023 年 6 月，每挖出一个新区块的挖矿奖励为 6.25 个比特币，大约每 10 分钟产出一个新区块。下一次减半预计在 2024 年，区块奖励将降至 3.125 BTC。图 13：比特币历次减半比特币大约每 210,000 个区块就会减半一次，直到 2140 年左右，所有 2100 万枚比特币被全部挖出。一旦区块奖励降到 0，矿工将只能获得交易费用回报。用户支付交易费用，以让矿工将其交易打包在比特币区块链中。用户也可以通过提升交易费用激励矿工优先打包自己的交易。截至 2023 年 6 月 28 日，比特币平均交易费用为 2.226 美元，高于 12 个月前的 1.168 美元。该数据有继续增长潜力，类似于 2021 年 4 月发生的情况，当时的峰值接近 62.79 美元。图 14：比特币 Gas 费比特币交易费用可能取决于几个因素：网络拥堵情况交易数据大小所需确认时间费用计算通常根据交易大小（以字节为单位）而不是交易金额来计算。截至 2023 年 6 月 28 日，平均区块大小为 1.69 MB。具有较高哈希率的矿工更有机会向区块链添加新区块，从而获得区块奖励和交易费用。在比特币挖矿的背景下，哈希率是指挖矿设备或网络可以执行加密计算（称为哈希运算）的计算能力或速度。在利润和回报的驱动下，矿工通常根据财务标准来选择挖哪种币，包括每日奖励金额或不同加密资产的价格等因素。图 15：代币选择标准2023 年 5 月的算力指数报告显示，平均算力价格为 $82.23/PH/ 天（相当于 0.00298 BTC/PH/ 天），较 4 月份的平均值 $77.87/PH/ 天（相当于 0.00270 BTC/PH/ 天）上涨 5.6%。图 16：比特币算力计量单位2023 年 5 月，矿工们总共获得 33,365 BTC（相当于 9.185 亿美元），比 4 月份赚取的 27,743 BTC（相当于 8.008 亿美元）增加了 20%。在这些收入中，交易费用贡献了 4,540 BTC（1.258 亿美元），与 4 月份的 812 BTC（2,350 万美元）相比增长 459%。比特币挖矿国别统计数据从中国、美国等大国，到哈萨克斯坦、俄罗斯等国家，不同国家都对全球比特币挖矿的复杂格局产生着影响。1）中国的比特挖矿使用水电在 2021 年 6 月禁止比特币挖矿之前，中国在算力提供和电力消耗方面是无可争议的领导者，拥有近 50% 的网络算力。该禁令严重影响了来自中国的挖矿活动，导致算力大幅下降。图 17：各国挖矿耗电量（太瓦时）根据剑桥比特币电力消耗指数（CBECI），中国在鼎盛时期曾是全球最大的加密货币挖矿中心，占全球比特币网络总算力 65% 至 75% 的份额。中国的月平均算力占比从 2019 年 9 月的 75.5% 下降到 2021 年 9 月的 22.3%，降幅超过 50%。图 18：比特币挖矿市场格局演变中国夏季丰水期，部分地区水力资源丰富，电费下降。矿工利用这一点，将业务转移或拓展到四川等水电资源丰富的地区。2020 年丰水季开始时，四川占中国总算力的 14.9%，这一数字在高峰时一度达到 61.1%。相比之下，主要依赖煤电的新疆，算力份额从雨季开始时的 55.1% 下降到同期最低点 9.6%。图 19：中国的比特币矿区2）美国比特币挖矿统计美国是全球最大的比特币矿区，占比特币全网总算力的 38% 以上。2020 年 1 月至 2022 年 1 月，美国比特币挖矿份额大幅增长，从 4.5% 攀升至 37.8%。乔治亚州的算力份额在全美最高，2021 年 12 月占全国 30.8%。德州以 11.2% 的份额位居第二，肯塔基州以 10.9% 的份额位居第三。图 20：美国各州比特币挖矿份额夏威夷的采矿成本为 54,862.05 美元，利润为 -24,617.20 美元，成为开采比特币最贵的州。下图展示了开采一枚比特币最昂贵的 10 个州。（依次为：夏威夷州、阿拉斯加州、康涅狄格州、罗得岛、马萨诸塞州、加州、新罕布什尔州、佛蒙特州、纽约州、新泽西州，WEEX 注）图 21：美国各州挖矿成本 Top10路易斯安那州成本最低，总成本为 14,955.14 美元，利润为 15,289.71 美元。图 22：美国挖矿成本最低的州3）全球比特币挖矿格局变迁中国矿业的转移改变了全球挖矿布局，导致哈萨克斯坦和俄罗斯等国家成为算力重新分配的主要受益者。根据《世界人口综述》（World Population Review）提供的数据，截至 2023 年，主要比特币矿区的算力占比如下：美国：35.4%哈萨克斯坦：18.1%俄罗斯：11.23%加拿大：9.55%爱尔兰：4.68%马来西亚：4.58%德国：4.48%伊朗：3.1%禁令实施后，许多中国矿工将业务迁至哈萨克斯坦，因为该国距离较近且天然拥有丰富的化石燃料。2019 年，化石燃料占哈萨克斯坦发电量的 84%，水力发电占比 12%，太阳能和风能装置贡献不到 2%。哈萨克斯坦北部地区丰富的煤炭存储为该国 70% 以上的发电厂提供动力。哈萨克斯坦的电力由 155 座不同所有制模式的发电厂提供。截至 2022 年 1 月 1 日，该国发电厂总装机容量达到 23,957 兆瓦，可用容量为 19,004 兆瓦。2019 年 9 月至 2021 年 9 月期间，哈萨克斯坦的全球比特币挖矿份额显着飙升，从 1.3% 飙升至令人注目的 24.3%。由于煤炭的可自足性和能源效率，该国的比特币挖矿业务蓬勃发展。不过，根据俄罗斯媒体《生意人报》（Kommersant）2023 年 4 月的报道，俄罗斯已成为全球第二大比特币矿区，仅次于美国。俄罗斯顶级加密挖矿公司 Bitriver 的数据中心由该国第三大石油生产商 Gazprom Neft 提供支持。为了满足加密挖矿的电力需求，直接用石油液化气发电。图 23：俄罗斯挖矿公司 Bitriver尽管美国以 3-4 吉瓦的供电能力保持显著的挖矿领先地位，但俄罗斯的供电能力在 2023 年 1 月至 3 月已达到了 1 吉瓦。俄罗斯排名的变化恰逢美国在州和联邦层面对加密货币挖矿实施税收和监管措施，从而使得美国挖矿产业面临不太友好的政策环境。比特币挖矿 vs. 其他资源成本由于性能挑战，比特币通常被比作「数字黄金」，而不是支付系统。因此，可以将比特币挖矿和黄金挖矿进行比较。全球每年开采约 3,531 吨黄金，产生的二氧化碳总排放量为 8100 万吨。将比特币开采的碳强度与开采实物黄金的碳强度进行对比，很明显前者超过了后者。不过值得注意的是，此计算包含矿工费（mining fees），而矿工费在实物金矿开采中并不存在。此外，这样进行比较不可取的地方还包括，我们可以停止开采实物黄金，但比特币挖矿一刻也不能停，它是整个比特币网络不可或缺的一部分。图 24：黄金开采与比特币挖矿根据具体资源和提取方法的不同，资源提取的能源成本可能会有很大差异。例如：根据美国地质调查局 (USGS) 的数据，铜矿开采每生产一吨铜 (GJ/t) 的能源消耗为 0.2 至 1.5 吉焦耳，铜的电气用途约占总用量的 3/4；生产一吨铝大约需要 17,000 千瓦时 (kWh) 电力，生产铝所需的电能通常来自火电厂，其最高运行效率约为 30%。2021 年，美国电力公司和独立发电每生产 1 度电 (1 kWh) 的分别需要：1.12 磅煤、7.36 立方英尺天然气、0.08 加仑石油液化气、0.82 磅石油焦（Petroleum coke，石油的减压渣油，经焦化装置，在 500-550℃ 下裂解焦化而生成的黑色固体焦炭，编者注）。

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挖矿原理

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在比特币的P2P网络中，有一类节点，它们时刻不停地进行计算，试图把新的交易打包成新的区块并附加到区块链上，这类节点就是矿工。因为每打包一个新的区块，打包该区块的矿工就可以获得一笔比特币作为奖励。所以，打包新区块就被称为挖矿。

比特币的挖矿原理就是一种工作量证明机制。工作量证明POW是英文Proof of Work的缩写。

在讨论POW之前，我们先思考一个问题：在一个新区块中，凭什么是小明得到50个币的奖励，而不是小红或者小军？

当小明成功地打包了一个区块后，除了用户的交易，小明会在第一笔交易记录里写上一笔“挖矿”奖励的交易，从而给自己的地址添加50个比特币。为什么比特币的P2P网络会承认小明打包的区块，并且认可小明得到的区块奖励呢？

因为比特币的挖矿使用了工作量证明机制，小明的区块被认可，是因为他在打包区块的时候，做了一定的工作，而P2P网络的其他节点可以验证小明的工作量。

工作量证明

什么是工作量证明？工作量证明是指，证明自己做了一定的工作量。例如，在驾校学习了50个小时。而其他人可以简单地验证该工作量。例如，出示驾照，表示自己确实在驾校学习了一段时间：

比特币的工作量证明需要归结为计算机计算，也就是数学问题。如何构造一个数学问题来实现工作量证明？我们来看一个简单的例子。

假设某个学校的一个班里，只有一个女生叫小红，其他都是男生。每个男生都想约小红看电影，但是，能实现愿望的只能有一个男生。

到底选哪个男生呢？本着公平原则，小红需要考察每个男生的诚意，考察的方法是，出一道数学题，比如说解方程，谁第一个解出这个方程，谁就有资格陪小红看电影：

因为解高次方程没有固定的公式，需要进行大量的计算，才能算出正确的结果，这个计算过程就需要一定的工作量。假设小明率先计算出了结果x＝2.5，小红可以简单地验证这个结果是否正确：

可以看出，解方程很困难，但是，验证结果却比较简单。所以，一个有效的工作量证明在于：计算过程非常复杂，需要消耗一定的时间，但是，验证过程相对简单，几乎可以瞬间完成。

现在出现了另一个问题：如果其他人偷看了小明的答案并且抢答了怎么办？

要解决这个问题也很容易，小红可以按照男生的编号，给不同的男生发送不同的方程，方程的第一项的系数就是编号。这样，每个人要解的方程都是不一样的。小明解出的x＝2.5对于小军来说是无效的，因为小军的编号是3，用小明的结果验证小军的方程是无法通过验证的。

事实上如果某个方程被验证通过了，小红可以直接从方程的第一项系数得知是谁解出的方程。所以，窃取别人的工作量证明的结果是没有用的。

通过工作量证明，可以有效地验证每个人确实都必须花费一定时间做了计算。

在比特币网络中，矿工的挖矿也是一种工作量证明，但是，不能用解多项式方程来实现，因为解多项式方程对人来说很难计算，对计算机来说非常容易，可以在1秒钟以内完成。

要让计算机实现工作量证明，必须找到一种工作量算法，让计算机无法在短时间内算出来。这种算法就是哈希算法。

通过改变区块头部的一个nonce字段的值，计算机可以计算出不同的区块哈希值：

直到计算出某个特定的哈希值的时候，计算结束。这个哈希和其他的哈希相比，它的特点是前面有好几个0：

hash256(block data, nonce=0) = 291656f37cdcf493c4bb7b926e46fee5c14f9b76aff28f9d00f5cca0e54f376f

hash256(block data, nonce=1) = f7b2c15c4de7f482edee9e8db7287a6c5def1c99354108ef33947f34d891ea8d

hash256(block data, nonce=2) = b6eebc5faa4c44d9f5232631f39ddf4211443d819208da110229b644d2a99e12

hash256(block data, nonce=3) = 00aeaaf01166a93a2217fe01021395b066dd3a81daffcd16626c308c644c5246

hash256(block data, nonce=4) = 26d33671119c9180594a91a2f1f0eb08bdd0b595e3724050acb68703dc99f9b5

hash256(block data, nonce=5) = 4e8a3dcab619a7ce5c68e8f4abdc49f98de1a71e58f0ce9a0d95e024cce7c81a

hash256(block data, nonce=6) = 185f634d50b17eba93b260a911ba6dbe9427b72f74f8248774930c0d8588c193

hash256(block data, nonce=7) = 09b19f3d32e3e5771bddc5f0e1ee3c1bac1ba4a85e7b2cc30833a120e41272ed

...

hash256(block data, nonce=124709132) = 00000000fba7277ef31c8ecd1f3fef071cf993485fe5eab08e4f7647f47be95c

比特币挖矿的工作量证明原理就是，不断尝试计算区块的哈希，直到计算出一个特定的哈希值，它比难度值要小。

比特币使用的SHA-256算法可以看作对随机输入产生随机输出，例如，我们对字符串Hello再加上一个数字计算两次SHA-256，根据数字的不同，得到的哈希是完全无规律的256位随机数：

hash256("Hello?") = ????????????????????????????????????????????????????????????????

大约计算16次，我们可以在得到的哈希中找到首位是0的哈希值，因为首位是0出现的概率是1/16：

hash256("Hello1") = ffb7a43d629d363026b3309586233ab7ffc1054c4f56f43a92f0054870e7ddc9

hash256("Hello2") = e085bf19353eb3bd1021661a17cee97181b0b369d8e16c10ffb7b01287a77173

hash256("Hello3") = c5061965d37b8ed989529bf42eaf8a90c28fa00c3853c7eec586aa8b3922d404

hash256("Hello4") = 42c3104987afc18677179a4a1a984dbfc77e183b414bc6efb00c43b41b213537

hash256("Hello5") = 652dcd7b75d499bcdc61d0c4eda96012e3830557de01426da5b01e214b95cd7a

hash256("Hello6") = 4cc0fbe28abb820085f390d66880ece06297d74d13a6ddbbab3b664582a7a582

hash256("Hello7") = c3eef05b531b56e79ca38e5f46e6c04f21b0078212a1d8c3500aa38366d9786d

hash256("Hello8") = cf17d3f38036206cfce464cdcb44d9ccea3f005b7059cff1322c0dd8bf398830

hash256("Hello9") = 1f22981824c821d4e83246e71f207d0e49ad57755889874d43def42af693a077

hash256("Hello10") = 8a1e475d67cfbcea4bcf72d1eee65f15680515f65294c68b203725a9113fa6bf

hash256("Hello11") = 769987b3833f082e31476db0f645f60635fa774d2b92bf0bab00e0a539a2dede

hash256("Hello12") = c2acd1bb160b1d1e66d769a403e596b174ffab9a39aa7c44d1e670feaa67ab2d

hash256("Hello13") = dab8b9746f1c0bcf5750e0d878fc17940db446638a477070cf8dca8c3643618a

hash256("Hello14") = 51a575773fccbb5278929c08e788c1ce87e5f44ab356b8760776fd816357f6ff

hash256("Hello15") = 0442e1c38b810f5d3c022fc2820b1d7999149460b83dc680abdebc9c7bd65cae

如果我们要找出前两位是0的哈希值，理论上需要计算256次，因为00出现的概率是162=256，实际计算44次：

hash256("Hello44") = 00e477f95283a544ffac7a8efc7decb887f5c073e0f3b43b3797b5dafabb49b5

如果我们要找出前3位是0的哈希值，理论上需要计算163=4096次，实际计算6591次：

hash256("Hello6591") = 0008a883dacb7094d6da1a6cefc6e7cbc13635d024ac15152c4eadba7af8d11c

如果我们要找出前4位是0的哈希值，理论上需要计算164=6万5千多次，实际计算6万7千多次：

hash256("Hello67859") = 00002e4af0b80d706ae749d22247d91d9b1c2e91547d888e5e7a91bcc0982b87

如果我们要找出前5位是0的哈希值，理论上需要计算165=104万次，实际计算158万次：

hash256("Hello1580969") = 00000ca640d95329f965bde016b866e75a3e29e1971cf55ffd1344cdb457930e

如果我们要找出前6位是0的哈希值，理论上需要计算166=1677万次，实际计算1558万次：

hash256("Hello15583041") = 0000009becc5cf8c9e6ba81b1968575a1d15a93112d3bd67f4546f6172ef7e76

对于给定难度的SHA-256：假设我们用难度1表示必须算出首位1个0，难度2表示必须算出首位两个0，难度N表示必须算出首位N个0，那么，每增加一个难度，计算量将增加16倍。

对于比特币挖矿来说，就是先给定一个难度值，然后不断变换nonce，计算Block Hash，直到找到一个比给定难度值低的Block Hash，就算成功挖矿。

我们用简化的方法来说明难度，例如，必须计算出连续17个0开头的哈希值，矿工先确定Prev Hash，Merkle Hash，Timestamp，bits，然后，不断变化nonce来计算哈希，直到找出连续17个0开头的哈希值。我们可以大致推算一下，17个十六进制的0相当于计算了1617次，大约需要计算2.9万亿亿次。

17个0 = 1617 = 295147905179352825856 = 2.9万亿亿次

实际的难度是根据bits由一个公式计算出来，比特币协议要求计算出的区块的哈希值比难度值要小，这个区块才算有效：

Difficulty = 402937298

= 0x18 0455d2

= 0x0455d2 * 28 * (0x18 - 3)

= 106299667504289830835845558415962632664710558339861315584

= 0x00000000000000000455d2000000000000000000000000000000000000000000

注意，难度值的数值越小，说明哈希值前面的0越多，计算的难度越大。

比特币网络的难度是不断变化的，它的难度保证大约每10分钟产生一个区块，而难度值在每2015个区块调整一次：如果区块平均生成时间小于10分钟，说明全网算力增加，难度也会增加，如果区块平均生成时间大于10分钟，说明全网算力减少，难度也会减少。因此，难度随着全网算力的增减会动态调整。

比特币设计时本来打算每2016个区块调整一次难度，也就是两周一次，但是由于第一版代码的一个bug，实际调整周期是2015个区块。

根据比特币每个区块的难度值和产出时间，就可以推算出整个比特币网络的全网算力。

比特币网络的全网算力一直在迅速增加。目前，全网算力已经超过了100EH/每秒，也就是大约每秒钟计算1万亿亿次哈希：

所以比特币的工作量证明被通俗地称之为挖矿。在同一时间，所有矿工都在努力计算下一个区块的哈希。而挖矿难度取决于全网总算力的百分比。举个例子，假设小明拥有全网总算力的百分之一，那么他挖到下一个区块的可能性就是1%，或者说，每挖出100个区块，大约有1个就是小明挖的。

由于目前全网算力超过了100EH/s，而单机CPU算力不过几M，GPU算力也不过1G，所以，单机挖矿的成功率几乎等于0。比特币挖矿已经从早期的CPU、GPU发展到专用的ASIC芯片构建的矿池挖矿。

当某个矿工成功找到特定哈希的新区块后，他会立刻向全网广播该区块。其他矿工在收到新区块后，会对新区块进行验证，如果有效，就把它添加到区块链的尾部。同时说明，在本轮工作量证明的竞争中，这个矿工胜出，而其他矿工都失败了。失败的矿工会抛弃自己当前正在计算还没有算完的区块，转而开始计算下一个区块，进行下一轮工作量证明的竞争。

为什么区块可以安全广播？因为Merkle Hash锁定了该区块的所有交易，而该区块的第一个coinbase交易输出地址是该矿工地址。每个矿工在挖矿时产生的区块数据都是不同的，所以无法窃取别人的工作量。

比特币总量被限制为约2100万个比特币，初始挖矿奖励为每个区块50个比特币，以后每4年减半。

共识算法

如果两个矿工在同一时间各自找到了有效区块，注意，这两个区块是不同的，因为coinbase交易不同，所以Merkle Hash不同，区块哈希也不同。但它们只要符合难度值，就都是有效的。这个时候，网络上的其他矿工应该接收哪个区块并添加到区块链的末尾呢？答案是，都有可能。

通常，矿工接收先收到的有效区块，由于P2P网络广播的顺序是不确定的，不同的矿工先收到的区块是有可能的不同的。这个时候，我们说区块发生了分叉：

在分叉的情况下，有的矿工在绿色的分叉上继续挖矿，有的矿工在蓝色的分叉上继续挖矿：

但是最终，总有一个分叉首先挖到后续区块，这个时候，由于比特币网络采用最长分叉的共识算法，绿色分叉胜出，蓝色分叉被废弃，整个网络上的所有矿工又会继续在最长的链上继续挖矿。

由于区块链虽然最终会保持数据一致，但是，一个交易可能被打包到一个后续被孤立的区块中。所以，要确认一个交易被永久记录到区块链中，需要对交易进行确认。如果后续的区块被追加到区块链上，实际上就会对原有的交易进行确认，因为链越长，修改的难度越大。一般来说，经过6个区块确认的交易几乎是不可能被修改的。

小结

比特币挖矿是一种带经济激励的工作量证明机制；

工作量证明保证了修改区块链需要极高的成本，从而使得区块链的不可篡改特性得到保护；

比特币的网络安全实际上就是依靠强大的算力保障的。

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