比特币耗能隐患背后的数学

也许你们都听过，比特币是一种非实体的加密的虚拟货币。2017年年底是比特币价值疯狂飙涨的阶段，一度突破两万美元。要想获得一个比特币，要么从在线交易平台处购买，或使用专门的计算机硬件来对其进行“挖矿”。前一种方法属于个人对市场预测下的经济行为，我们不多做赘述，而后一种方法就相当有意思了，因为获取比特币只是其很小一部分的功能，而其真正的意义在于使整个比特币的区块链系统得以正常地工作。

在评价比特币之前，我们先花点时间来大致了解下比特币及其背后整个区块链的运作流程。和银行不同，比特币不属于任何户头，而只属于一个比特币地址（bitcoin address）。比特币的交易也是从一个地址转到另一个地址。在比特币交易的时候，比特币给予者和接受者会各自随机生成一个256位的私钥（private key），并通过Base58Checking 加密算法转化成ASCII格式的私钥。该256位的私钥通过Elliptic Curve DSA算法转化成521位的公钥（public key）。该公钥由SHA-256算法转化成160位后，通过Base58Checking 加密算法算法生成ASCII 格式的地址。而这个地址就是比特币地址，具体关系如图所示。

比特币密钥与地址是如何关联的。|图片来源：Ken Shrriffs

在如下图所示的交易过程中，以从B到C的交易为例（中间一格的交易），首先B的公钥要和上一段从A到B交易中B的地址相匹配，以此来确定B作为上一段交易比特币接受方的合法性。然后在该次从B到C的交易中，B的私钥需要匹配B的公钥，以此来确定这一段交易比特币给予方的合法性。而该段交易作为接受方的C，也需要做同样的两次匹配。双方匹配成功后开始进行比特币交易。

比特币交易是如何成链的。| 图片来源：Satoshi Nakamoto/Bitcoin.org

而比特币挖矿则是保证整套系统正常运作的关键。比特币的交易并不是立即生效的，而是需要被纳入到新的区块之后才能生效。而挖矿的主要目的并不是挖比特币，而是通过对一套哈希算法求解来获得新的区块。矿工在获得新的区块后可以随意将还没有纳入新的区块的交易纳入该区块，并将其加入到整个区块链中，使得所有用户都能够看到这些交易，并使其生效。每一个区块可以容纳1MB的交易量。矿工在挖矿的时候会得到两方面的收益。首先是系统给出的奖励，在每获得新的区块时获得一定的系统奖励。该奖励从最开始的每次25个比特币以每4年减半的速度分发。其次是每次比特币交易的时候交易双方都会上交“手续费”，手续费多少由交易双方共同确定。该手续费将由拥有新区块的矿工所得。而手续费高的交易会优先被矿工纳入自己新获取的区块中。也就是说如果你打算不出手续费进行交易，你的交易可能永远没办法生效。

从以上我们可以看出，比特币挖矿的重要作用其实是获得新的区块，将区块放入区块链中使得交易生效。矿工会在维护比特币区块链系统正常运作的同时得到来自系统和交易双方给予的报酬。而比特币挖矿的系统，因为安全性的需要，被特别的设计成需要相当大的计算能力才能解出（但很容易验证）的SHA-256.1的散列（哈希）算法。解答这种哈希算术除了在比特币系统中获得新区块之外没有任何实际意义。我们称之为“工作量证明”（proof-of-work)。

基于上述原因，工作量证明的方法在能源消耗上是一个很大的问题。据加密货币网站Digiconomics的一份报告显示，全球因比特币挖矿所耗费的电量比塞尔维亚一个国家的用电量还要多。根据计算预测，到2019年7月，比特币的对等网络（P2P）如BitTorrent，所用的电力将超过美国；到了2020年11月份，所需的电力消耗量将超过全球目前的用电量。

这也未免太糟糕。这意味着挖比特币每年能排放1770万吨的二氧化碳，对地球气候和人类来说无疑是场灾难。比特币P2P网络本质上是一个完全致力于生成比特币的分布式运算模式，没有什么能够阻止它将宇宙中的所有能量（和物质）都转换成比特币，这是它的实际工作。

但是比特币的概念仍有其天才之处。它作为一种数字货币，与现金一样不可追踪并值得信赖，同时还不受国籍和所在地的限制，平等主义和获取途径被融入其哲学和技术中。但是比特币在过去三个月内显示的价值上涨暴露出的现实与科学可能并不一致。

康奈尔大学加密货币与智能合约计划的联合主编 Emin Gün Sirer 说：“工作量证明的好处是，这个过程中没有任何入场步骤。如果你能进来突然开始解决这些密码谜题的核心，你就能参与维护分类账。” 在数学问题的解决方面，不存在任何捷径可走，SHA-256算法是被故意设计成非常难，以至于需靠蛮力计算。你需要尽可能多、尽可能快地尝试不同的计算方案。这意味着你必须始终保持计算机的开机状态，并打开风扇来冷却过热的超频处理器。Sirer 说：“如此大的能源消耗是一个安全特性。想要接管这个系统，必须至少再花系统现已花费的时间。你必须拥有至少所有散列功率的51％。”

对于这种特定的分布式计算模式，这是一个性能（feature），而不是一个漏洞（bug）。纽约大学的计算机科学家 Joseph Bonneau 说：“一个既没有人负责、节点可以随时加入或离开网络，且每个人都在区块链上建立一致的观点的运算模式，计算机科学家认为是不可行之事。而比特币能够做到这一点是一个很大的惊喜和创新。它的代价是使用工作量证明，且重点在于让区块链的添加变得更加昂贵。”

而这就是平等主义崩坏之处。一开始，加密货币的爱好者可以在家用电脑上运行挖掘软件，然后第一个意识到图形处理单元在散列运算上比普通的老式CPU要好的人出现。他们使用更多的能量，用更精细的冷却。再然后，人们开始定制可编程门阵列芯片（FPGA) 进行定制挖掘。时至今日，挖矿首选硬件是特定用途集成电路（ASIC），专门用于指令比特币配置和安装专门的数据中心。

这不仅通过让比特币挖掘集中化极大提高了比特币挖掘的门槛，而且还搅乱了能源的使用。现在最先进的比特币挖矿，每10亿次散列计算需消耗0.3瓦电量。反过来算也就是说，每千瓦时得到300千兆赫每秒。因此基本上每秒进行的13600千兆散列计算，消耗的电量为234 kWh，这意味着比特币网络消耗的能源总量为32.71太瓦时，占全球电力消耗总量的0.15％。Sirer 说：“约一年前，将使用任何其他机制来追踪资产、进行协调、确保书籍订购有序的能源消耗，和运行现金经济、印钞票、处理现金，将正在流通的纸币回收、印制新币所造成的能源消耗进行比较式，发现这两种消耗大约相当。” 然而，数字经济做出的估计是，比特币挖掘的能耗约是整个Visa信用卡网络的耗能的三千倍（这并未考虑Visa办公过程使用的电力）。但与比特币不同的是，Visa是可实际用来进行购买消费的。

更高效的硬件也不能解决这个问题。爱尔兰梅努斯大学的计算机科学家 David Malone 表示，在2014年到2017年之间，哈希率（散列计算的频率）从每秒30万上升到了200万，硬件效率从每焦耳2000兆次散列计算上升到10000兆次上下。所以它大致抵消达到平衡。而到2017年，哈希率已经接近1200万，但是硬件方面并没有得到太大的改善。华盛顿大学的计算机科学家 Michael Taylor 说：“比特币的价值越大，人们愿意为此花费的电费也就越多。而SHA-256采矿硬件的能源利用率提高只会让人们以相同的运营成本部署更多的比特币挖掘机。因此，电力消耗不减反增。”比特币挖掘机现在正在电力便宜的地方建造ASIC云，例如冰岛和中国。在这些国家更多的服务器可被用以挖掘更多的比特币。

用工作量证明的方法挖矿有一个大的问题就是能源消耗问题，因此也许我们应该想办法摆脱它。加密货币的研究人员正在考虑研发其他方法。一个是资源节约型挖掘，可以降低工作量，但需使用可信任的硬件来完成；另一个是权益证明，是将计算工作交换预先价值。Bonneau 说：“让人们按照他们所持有的货币的比例来创建区块，这样大的货币持有者就可以占据大部分区块。”换句话说，与其让挖掘的计算变得昂贵，不如直接让挖掘本身变昂贵。Bonneau 说：“这可能能把功耗降低到几乎为零，但事实上却还没能做到，有几个研究小组正在研究这个问题。”

与此同时，既然解答散列算法是无用的工作，我们是否可以采取不同的办法，让它做一些有用的事情呢？这是一个进行协作计算的P2P网络。如果让去它寻找从外星人发出的信号，或弄清楚如何使蛋白质对医学科学有用，或解决现实世界的解码问题和素数因子的分解岂不是一举两得？Taylor 说：“其中一个好的短期解决方案就是回收余热用以供暖。”例如，斯德哥尔摩正在努力利用数据中心排放废气来为民居供暖。比起用燃烧化石燃料达到供暖的效果，这是一个可以创造更多价值的更环保的解决方案。但事实上这些事情并没有发生。 “这是不正常的，”Sirer说。 “如果比特币是通过做一些有用的东西而被开采出来的，那么在有用的工作和你得到的比特币数量之间就会有一个对应的关系。这至少能无形的在人们心中对比特币的价格作出新的，有实物参考的定位。”

如果数学和物理学起不到什么作用，也许经济学可以。比特币挖掘机只在挖到的比特币足够支付挖掘所耗的电费时才运行硬件。如果比特币的价值下跌或电力价格上涨，服务器则会关闭。散列问题也成倍地增加，而且每四年奖励的数额便减半。现在每个区块的比特币数量是12.5个，Taylor 说：“下一个下跌将发生在2020年6月份。随着比特币的价格趋于稳定，区块奖励将导致全球净能源开始减少而不是增加。”

不断下滑的奖励为世界上所有的比特币总数设定了上限，这个数字是2100万。从目前的趋势来看，或许到2032年，99%的比特币将被全部挖掘完。一旦发生这种情况，交易产生的“手续费”将成为系统中唯一的奖励。而其他的一些或许更节能的加密货币，将开始变得更具竞争力。目前来看，比特币似乎更像是一种投机工具，而非一种可行的主流货币。而数学、物理、经济学等学科都认同的一条科学规律是：泡沫终会破裂。

编译：小绵泡

编辑：孙鹏

参考链接：

[1] http://www.righto.com/2014/02/bitcoins-hard-way-using-raw-bitcoin.html

[2] https://www.wired.com/story/bitcoin-global-warming/