比特币网络的安全性、比特币价格和能源消耗是决定比特币转型的三大要素。

前言

我们经常说,比特币网络的安全性是所有加密货币中最完美的,它的安全性主要依靠工作量证明(PoW)和比特币挖矿所需的巨大挖矿能力(算力),也就是说51%攻击可能不成功。

区块链最著名的攻击方式就是“通过51%攻击进行双花”。即一个恶意行为者或组织试图获取超过50%的交易批准能力(挖矿能力),使他们能够重复发行比特币(一次确认),而其他矿工无法对此采取任何措施,甚至可能还根本没有注意到。

但比特币的PoW系统值得探讨。目前比特币的安全级别可能只有在未来比特币价格大幅上涨时才能维持,且人们也不愿能耗过高。因此本文将深入讨论比特币的总算力、矿工、奖励和挖矿设备。

网络算力

比特币网络的安全性包括比特币网络上的挖矿能力(算力)。算力大小以及比特币网络的安全性取决于矿工的可盈利性。

矿工的盈利和成本取决于多方因素:

1. 比特币价值,比特币的高价格会给矿工带来盈利。

2. 总算力,也就是蛋糕可以分给多少矿工。

3. 每单位时间可挖出的比特币数量。现在每10分钟可挖出12.5枚BTC。但是到2020年5月,比特币区块奖励会调整为每10分钟6.25枚,这就意味着在同一价格上,矿工收益变低。

4. 挖矿设备的算力。算力越高,挖出区块的机会越大,收益也就更高。

5. 矿工需支付的成本。挖矿成本包括能源成本、托管成本和设备折旧成本。该成本与前三点相关,挖矿能力越高通常意味着能源成本、托管成本及设备折旧成本更高。

6. 挖矿设备的效率。挖矿设备越先进,其哈希/能源成本比就越高,也意味着挖矿设备的可盈利性就越高。

一旦矿工对挖矿设备进行投资,那么在重新更换设备之前必须收回成本,因此,第4、5、6点实际上是固定数据。另外第3点也是固定的,因为减半每4年发生一次。

这意味着矿工的利润很大程度上取决于比特币价格和总算力。换句话说,它与价格和算力直接相关,如果比特币价格上涨,那么算力就会增长,反之,价格下跌,算力也会下降。在每个价格水平,矿工数量和价格之间会有一个稳定点。但它一直在变动,因为矿机越来越先进,新矿机能够为矿工带来更多利润,因此变动不可避免。

而且,在不断上涨的市场中,算力发展总是滞后于价格变化。毕竟,购买和安装挖矿设备都需要时间。而关闭挖矿设备只是一瞬间,因此,比特币价格下降总会导致算力直接下降。

图1

我们可以看到,在2017年12月的价格最高峰后,越来越多的矿工加入挖矿行列。矿机供应商之一的比特大陆(Bitmain)一时之间无法应付大量涌入的订单,交货时间为6个月都算十分正常的了,这也是8个月后算力才达到巅峰的原因。而截至目前,比特币的价格始终在下跌,从2018年12月的8000美金暴跌至4000美金,对算力产生了直接影响。而2019年4月至5月,比特币价格再度上涨,而后算力也随之上涨。2019年7月,比特币价格再次达到最高点,而算力直至9月底才达到最高点。除了不断上涨的价格外,不断增长的算力也要归功于新挖矿设备所带来的高效率,下文将进行详细说明。

效率

为了对比各挖矿设备的效率,以下表格已列出了过去及现在在市场上出售的所有挖矿设备。这些都是Asic SHA256矿机。虽然最后两款尚未上市,但我还是将其包含在内。下图效率以达到1 Terahash/s的算力需多少瓦特的功率来表示。

可以看到,为达到1 Terahash/s(TH/s)的网络算力,2014年的矿机需要近800瓦功率。而当下新代矿机则只需约40瓦功率就可达到。这些挖矿设备的效率数据如下图中的蓝点所示。

图2

此图还加上了一条指数趋势线,这样我们就可以对未来的变化趋势有所了解。据图表显示,到2021年1月,如果挖矿技术继续以当前速度向前发展,那么挖矿效率将实现1TH/s只需30瓦功率。

通过观察以上数据,挖矿设备的装机容量以及与之相关的能耗情况一目了然。不过有一点需要说明,设备先进的矿机不会一直运行,由于为了控制折旧成本,这些设备在购买后只会使用一段时间。该计算基于以下假设:挖矿设备在2年内折旧,因此整个挖矿园区中的设备平均使用1年。这样我们就可以对整体挖矿园区的每日装机容量进行大概估计。功率值如下图所示。

图3

从上图可以看出,近几个月功率的增长速度没有图1算力的增长速度快。这是因为挖矿设备效率逐渐提高。我们还可以看到,上图最后一月的水平较低。这可能是因为比特币价格始终处于压力位,并呈消极趋势。

能耗及成本

从图3也可清晰看出比特币的能耗情况。目前比特币的装机容量为70亿瓦,每天需消耗168千兆瓦时,则每年消耗61320千兆瓦时。这些数字与其他研究数据(如知名数码经济学家的计算结果)大致相同。

相比之下,一台3兆瓦的现代大型风力发电机每年消耗的电力为6000兆瓦时。这就意味着,为维持比特币区块链的运行,必须得同时运作约1万台风力发电机。从社会和环境的角度来看,这太荒谬了。

再说到挖矿成本,能源成本是其中最重要的因素,其次是折旧成本和托管成本。

成本肯定是不能超过收入的,因为挖矿就是为了牟利。挖矿日收益为144个区块*每区块12.5个BTC=1800个BTC。以当前8000美元价格计算,总价值则为1440万美元。另外,一天的挖矿能耗为168千兆瓦时。如果我们以每千瓦时0.1美元计算,那么每日挖矿的电力成本为1680万美元,最终亏损240万美元,我们甚至还没有计算其他成本。换句话说,要靠挖比特币盈利,目前只能去电价远低于每千瓦时0.1美元的地方。比如在中国和加拿大(每千瓦时为0.05美元)。盈亏平衡点大约是每千瓦时0.055美元。

1个BTC的成本为7333美元。

如今1笔的交易成本大家也都知道。现在一个区块最多可以处理3000笔交易,挖一个区块的成本为91666美元。每笔交易的成本就是30美元多一点。

这成本实在是太高了,所以比特币急需改变。

奖励减半

如果2020年5月比特币奖励减半,情况会有所好转吗?从原则上来说,很多设备较旧的矿工会自觉退出。从理论上讲,算力也会减半。实际上,下降幅度会小一些,因为挖矿效率最高的矿工会留下来。另外,由于市场上可挖的BTC供给量将减少,比特币价格可能会有一波小涨幅。最终消极趋势将再次被积极趋势推动。当然,人们都知道减半即将到来,且可预料。换句话说,这都是对未来的预测。这是一个相互依赖的复杂关系。

实际上,我们不应将网络安全性与算力联系起来,而应将其与挖矿能耗成本相关来奶。毕竟是能耗成本决定算力大小。

更简单来说就是,由于挖矿能耗成本与挖矿收益成正比,因此挖矿收益是区块奖励和价格的乘积。

因此,我们可以得出以下定理:

比特币网络的安全性由区块奖励与价格来决定。

假设挖矿在边缘地带进行。总会有些小情况,特别是对于那些设备较旧的矿工来说,挖矿将处于亏损状态。这就是比特币网络的困难所在。假设比特币价格暴跌,从当前的8000美元跌至3000美元不等。那么许多矿工就会关掉设备。这就会造成市场上挖矿设备过剩,恶意参与者就可以以极其低廉的价格购买或租用这些挖矿设备,以尝试执行51%攻击。也许这个推测有些牵强,但墨菲定律也适用于此。

结语

比特币需消耗大量能源。

我们急需采取些措施来大幅减少生态足迹。除了PoW,我们还需其他无需消耗大量能源的系统来保证网络安全。此外,为降低比特币交易费用,每秒交易处理数量也需大幅增加。

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