Bitcoin Mining

比特币挖矿发展的过去与未来

比特币(Bitcoin) (BTC)为首的加密货币,近年正式进入主流商业及金融投资世界。对参与市场的机构与散户投资者而言,加密货币的供求关系对交易及投资决定影响重大。在比特币的供应方面,则是以其挖矿(mining)机制最为关键。 

以下将探讨比特币挖矿机制的发展历程、以及未来方向。

 

采用工作量证明(Proof-of-Work,PoW)机制的比特币(BTC),不依赖任何中心组织或机构发行,而是透过大量运算产生,任何人都可以设置挖矿设备、连接网络而进行挖矿— 相当于开采石油、黄金,不过比特币挖矿过程,并非动用大型器械在户外进行,而是透过电脑运算程式进行。

 

简单而言,比特币挖矿是大家争相用电脑运算,解决一条特殊的数学题。最快算出正确答案,就有权将交易记录到新区块,然后得到比特币作为奖励,比特币就借此机制不断被生产出来。运算力愈高,自然有较大机会可以最快算出正确答案。

 

值得一提的是,按比特币设计机制,为维持生产区块的时间一致(约10分钟),比特币挖矿的运算「难题」,其难度会因应参与挖矿的运算力而自动调整—愈多运算力参与挖矿,挖矿难度就愈高。

 

从2009年中本聪使用电脑的中央处理器晶片(CPU),挖出第一批比特币(亦称「创世区块」),到当前主流的加密货币,单一个人矿工的设备基本已经无法挖到,挖矿对于运算力的要求愈来愈高。挖矿由最开始的 CPU 挖矿、过渡到图像处理器(GPU)挖矿,然后演变到最新的专业矿机(ASIC)挖矿时期。 

CPU(个人电脑)挖矿

2009年1月3日,中本聪使用个人电脑的中央处理器晶片(CPU),挖出第一批的50枚比特币(亦称「创世区块」)。在比特币发展初期,挖矿难度较低,大部分矿工使用个人电脑的 CPU 挖矿即可。

 

在美国电视剧 The Big Bang Theory(《宅男行不行》),角色之一的 Sheldon,早年就曾使用 Howard 的旧笔记簿电脑挖矿比特币。 

 

在此时期,大部分个人电脑直接挖矿的收益都大于成本(包括挖矿产生的电费、机器设备的耗损等)。有报道指,当时大部分人都可以用个人电脑,一周内挖出数百枚比特币。

GPU(个人电脑)挖矿

随着挖矿难度上升,加上比特币奖励减半的设计机制,普通的 CPU 运算速度,已经无法满足难度上升的挖矿算法。于是在2010年,第一款专为使用电脑显示卡挖矿而设计的软件发布面世。

 

由于 GPU 的运算能力较高,一张显示卡中的图像处理器(GPU)运算力,相当于数十个 CPU 并行运算,挖矿效率将会大幅提高。于是,很多人开始转往用 GPU 挖矿,改变 CPU 挖矿的旧有模式,并且开始自行组装一张或者多张高级显示卡、组成挖矿设备。 

FPGA 与 ASIC 专业矿机

随着愈来愈多人加入挖矿行业,比特币整体网络使用的运算力持续创新高,高级插件组装式的挖矿设备就应运而生。 FPGA(Field Programmable Gate Array)挖矿机、与专用集成电路(ASIC)矿机在市场上崛起。中国第一部 FPGA 矿机在2011年出现,由号称「矿机教父」的张楠赓(「南瓜张」)制造、称为「南瓜机」。但是,由于 FPGA 矿机的耗电量太高,此潮流只维持了大约半年,FPGA 矿机便遭市场淘汰。

 

2012年,第一间 ASIC 矿机厂商蝴蝶矿机面世,初期,ASIC 矿机的运算力,大约是显示卡挖矿的200倍,但耗电率则相差不大,很快在市场上大行其道。而 ASIC 矿机就迅速发展,成为第3代比特币矿机,并且在挖矿晶片技术方面不断创新进化,晶片由最初110纳米、55纳米、28纳米、一路提升至14纳米。

 

2013年,张楠赓推出新 ASIC 矿机名为 「 阿瓦隆」,其后成立公司嘉楠耘智,专注矿机晶片开发。同年,矿机公司比特大陆(Bitmain)亦正式成立,翌年推出第一代蚂蚁矿机,在2016年推出蚂蚁矿机 S9,内置189枚 ASIC 晶片。比特大陆的蚂蚁矿机,与嘉楠耘智的阿瓦隆,经历比特币其后多年起伏,共同占据矿机市场至今,成为矿机行业龙头。

矿池(Mining Pool)

2010年,首个比特币挖矿矿池 Slush Pool 出现。在比特币挖矿市场,低算力矿工的挖矿优势愈来愈低,集中大批运算力资源的「矿池(Mining Pool)」,往后数年在市场上迅速冒起。相对于算力单薄的个人矿工,矿池成功挖矿的机会率明显较高,矿池的参与者能够分享的收益也就更多。矿池成功挖到一个区块,矿池中所有矿工都可以按算力贡献比例,分得奖励;当然矿池也会在过程中抽取手续费作为收入。

 

根据Blockchain.com,比特币整个网络动用挖矿的运算力,在2011年至2018年内,七年间录得以亿倍计的升幅;其后单在2018年至2020年两年内,算力再大增约10倍。至今,象征比特币总挖矿运算力的挖矿杂凑值(mining hashrate),达到每秒156 EH(即每秒进行156亿亿次运算)。

比特币挖矿,由最早期是每个人用自己的个人电脑(PC)挖矿,后来随着愈来愈多人参与挖矿、运算力持续上升,「单打独斗」的挖矿方式收益太低。于是,专业集合运算力的矿池迅速冒起,让矿工将自己的运算力设备接入到矿池联手挖矿。

比特币挖矿的未来发展

矿池

挖矿动用的运算力愈高,每秒就能进行愈多的运算、尝试「撞」中正确答案(一个随机数值),抢先找到正确答案、产产新区块、以及获得比特币奖励的机会也会更高。

 

近年,大型加密货币挖矿公司,在全球各地寻觅电费低廉的国家及地区,建设大型矿池,以节省挖矿耗电的成本。愈来愈多矿池出现,矿池之间的竞争愈趋激烈,类似于增加运算力的「军备竞赛」。挖矿自始成为需要专业技术、大规模营运的行业,由大集团寡头垄断。现在,即使拥有数部 ASIC 矿机,都几乎挖不到比特币了。

 

根据 Blockchain.com 数据,目前全球运算力首五位的矿池分别是:蚂蚁矿池(AntPool)、ViaBTC、币印矿池(Poolin,由原本 BTC.com 团队建立)、F2pool、火币矿池(Huobi Pool)。自2017年起,比特币整个网络的挖矿运算力,约70%由位于中国的矿工(或矿池)提供。

云端挖矿(Cloud Mining)

为了满足普通人参与挖矿的需求,云端挖矿此创新模式,近年在市场上出现。云端挖矿是指让用户可以遥距购买并使用,服务供应商的云端算力来进行挖矿。用户只需向服务提供商,付费租用所需的运算力资源即可挖矿,毋须自行购买矿机及建立矿场。

GPU(个人电脑)挖矿

散户矿工运用显示卡挖矿,并未被完全淘汰。由于不同币种之间的挖矿演算法存在差异,在比特币以外,不少其他加密货币,在挖矿机制设计上仍然可以让矿工使用显示卡的 GPU 挖矿。于是,市场上仍有不少矿工,采用包括 AMD、NVIDIA 等晶片大厂生产的显示卡进行挖矿,而他们主要转往挖掘包括莱特币(LTC)等其他加密货币。当然,用 ASIC 矿工挖矿的矿工,也有针对其他加密货币调整设计,尝试抢占其他加密货币的挖矿市场份额。

量子电脑?

近年,不少科技及学术界人士提出,量子电脑(Quantum Computers)凭借其强大运算力,将会垄断比特币的挖矿市场,并且攻破其区块链安全技术保障。不过,量子电脑目前尚未达到大举应用的层面,实现之日未知。此外,量子电脑设置成本巨大,本身设计也非用于挖矿,用于挖矿的成本效益存疑 — 量子电脑是否能攻破比特币网络,尚未可知。

深入拆解比特币挖矿:行业发展及营运分析

想知更多关于比特币挖矿的深入分析?绿色比特币挖矿公司 Pow.re 创办人 SJ Oh,与 Genesis Block 代表 John Keh,最近就深入探讨比特币挖矿技术与发展的过去、现在与未来:

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