挖矿杂谈—-挖矿基础简介

区块百科 blockchain 5个月前 (01-15) 100次浏览 0个评论 扫描二维码

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什么是挖矿

使用 PoW 共识机制的加密货币,需要通过解决谜题来竞争区块的生成权,并随区块的诞生发行新货币。具有代表性的有比特币、莱特币、达世币、以太坊、门罗币等。

求解谜题的过程就叫挖矿,求解谜题参与竞争需要使用的设备就称为矿机,矿机消耗电力,求解谜题,最终生成区块,获得奖励。而运行矿机,获得收益的人群,我们亲切的称他们为矿工。

每种加密货币使用的 PoW 算法不尽相同:

  • 比特币:SHA-256
  • 莱特币:Scrypt
  • 达世币:X11
  • 以太坊:Ethash
  • 门罗币:CryptoNight

矿机

加密货币的挖矿设备分为以下几种:

  • CPU
  • GPU
  • FPGA
  • ASIC

在一种加密货币发展的早期,用户稀少,挖矿竞争并不激烈,使用普通的 CPU 即可挖到区块。

pc
CPU 矿机就是普通的家用电脑或服务器

随着接受人群的增多,矿工间的竞争加剧,比 CPU 更适合挖矿的 GPU,也就是我们常说的显卡开始加入,GPU 的挖矿速度大约是 CPU 的几十倍。

GPU 矿机

GPU 矿机由 6-8 张或者更多显卡组成

CPU 和 GPU 属于通用设备,挖矿程序只能利用芯片的一部分晶体管。

于是,更加专业的 FPGA 被用于挖矿,FPGA 通常被用于信号处理,芯片产量不及 CPU 和 GPU,编程难度较大,设备成本更高。但是,由于 FPGA 减少了 CPU 和 GPU 中那部分挖矿不能利用的晶体管,挖矿速度更快,能耗也更低,总体收益是高于 CPU 和 GPU 的。

fpga
每张电路板上都有 FPGA 芯片,若干张堆在一起,组成矿机
当加密货币的价值变得足够高之后,挖矿设备的终极形态将会出现,也就是 ASIC。

ASIC 的全称是专用集成电路,也就是说,针对加密货币专门从零开始设计一款新的芯片,芯片设计的难度非常大。同时,挖矿芯片的出货量与 CPU、GPU 完全不在一个数量级,有技术实力生产芯片的代工厂,并不愿意把宝贵的产能用于挖矿芯片的生产。这一切都造成了 ASIC 矿机产能低、价格高昂。不过由于 ASIC 矿机的芯片是完全针对 PoW 算法开发,除了挖矿没有任何其他用途,ASIC 矿机的速度非常快,大约又比 FPGA 高一个数量级,单位能耗下完成的挖矿任务也更多。

目前全球最大的 ASIC 矿机生产商是比特大陆,凭借自行研发的挖矿芯片,其生产的蚂蚁矿机几乎垄断了整个市场。

蚂蚁矿机
蚂蚁矿机
比特大陆
比特大陆自行设计的比特币挖矿芯片 BM1387
由于 ASIC 矿机容易垄断,在利益的驱使下,矿机厂商有很强的动力去开发 ASIC 矿机。

总体上说,矿机的技术演进过程为: CPU -> GPU -> FPGA -> ASIC

矿霸

ASIC 矿机一旦出现,CPU、GPU、FPGA 就会陷入挖矿收益低于电费的情况,很快这三者就会销声匿迹。

由于 ASIC 矿机的出现,挖矿的门槛将会极大的提高,挖矿将会变得集中化,最后集中到少数几个寡头手中。目前来看,这并不符合加密货币和区块链去中心化的思想,容易出现“矿霸”。矿霸掌握着大量的算力,对整个电子币生态的发展有着非常大的影响,2017 年比特币的扩容、隔离见证、比特币现金分叉等等事件,无不显示出矿霸的巨大影响力。

为了避免矿霸的出现,减少算力集中化的趋势,比特币之后出现的加密货币在对抗 ASIC 上做出了很多尝试。

  • 莱特币使用的 Scrypt 算法,通过使用大量内存的方式,限制 ASIC 的效率,增大 ASIC 的设计难度。然而,随着莱特币价格的高涨,算法缺陷被找到,ASIC 矿机最终被设计出来。
  • 达世币使用 X11 算法,使用 11 种 Hash 算法的组合,将原来只需要针对一种算法设计 ASIC,变成了需要针对 11 种算法,这进一步提高了 ASIC 的设计难度和成本。最终,ASIC 矿机还是被设计出来。

经过了莱特币和达世币的尝试,加密货币的设计者们慢慢总结经验和教训。

以太坊和门罗币的算法设计相对成功,目前,尚未设计出 ASIC 矿机。

挖矿与能源

我曾不止一次听到这样的说法:挖矿是在做垃圾运算,浪费能源

让我们来计算一下,挖矿将会消耗多少能源。

比特币和比特币现金使用的算法相同,都是 SHA-256,就以他们为例。

总算力约为 20ET=20000000T(数据来源:Bitcoin Hashrate)

比特币挖矿已经被 ASIC 垄断,以使用 BM1387 芯片的蚂蚁矿机 S9 为例,一台算力 13.5T,功率 1.35kw。

共有矿机 20ET/13.5T=1481481 台

总功率 1481481*1.35=2000000kw

年耗电 2000000*24*365=175 亿 kwh

2016 年全球发电量 248163.52 亿 kwh(数据来源:2016 年全球发电量排行榜)

也就是说,比特币挖矿只消耗了全球 175/248163.52=0.07%的电力。

事实上,比特币矿厂主要集中在中国的四川和贵州等水电丰富的地区,使用的是未并网的小水电站的多余电力,这部分电力事实上还没有计入全球发电总量。即使考虑到空调、风扇散热消耗的电力,挖矿的耗电量也不会超过全球发电量的千分之一。

远没有部分人宣传的那么消耗能源,和工业用电比起来,简直小巫见大巫。


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