什么是比特币挖矿？

比特币挖矿是通过解决难题来创造新比特币的过程。它由配备专用芯片的计算系统组成，这些计算系统相互竞争，以解决数学难题。第一个解决难题的比特币矿工（这些系统被称为矿工）将获得比特币奖励。挖矿过程还会确认加密货币网络上的交易，并使其值得信赖。

比特币推出后的短时间内，人们在配备常规中央处理器 (CPU) 的台式电脑上进行挖矿。但这个过程极其缓慢。如今，这种加密货币的产出依赖于遍布全球的大型矿池。比特币矿工们会整合各种挖矿系统，消耗大量电力来挖掘这种加密货币。

在使用化石燃料发电的地区，比特币挖矿被认为对环境有害。因此，许多比特币矿工已将业务转移到拥有可再生能源的地方，以减少比特币对气候变化的影响。

正如人们使用大型工具和机器从地下开采黄金一样，比特币挖矿也需要类似数据中心的大型系统。这些系统解决比特币算法产生的数学难题，从而产生新的比特币。

通过解决计算数学问题，比特币矿工还可以验证交易信息，从而确保加密货币网络的可信度。他们验证 1 兆字节 (MB) 的交易数据，即单个区块的大小。理论上，这些交易可以小到一笔，但通常情况下，交易量可达数千笔，具体取决于每笔交易存储的数据量。验证比特币交易信息的目的是防止双重支付。对于印刷货币，伪造始终是一个问题。但通常情况下，当你在商店消费 20 美元时，这张钞票就在店员手中。然而，对于数字货币，情况就不同了。

数字信息可以相对容易地复制，因此对于比特币和其他数字货币来说，存在这样的风险：消费者可以复制他们的比特币并将其发送给另一方，同时仍然持有原件。

比特币交易被汇总成区块，并被添加到一个名为“区块链”的数据库中。比特币网络中的全节点维护区块链的记录，并验证其上发生的交易。比特币矿工下载区块链的全部历史记录，并将有效交易组装成一个区块。如果组装好的交易区块被其他矿工接受并验证，则矿工将获得区块奖励。

区块奖励每 210,000 个区块（大约每四年）减半一次。2009 年，奖励为 50 个区块。2013 年，奖励金额降至 25 个区块，2016 年降至 12.5 个区块。在比特币最近的减半事件中，奖励金额降至 6.25 个区块。

激励比特币矿工参与挖矿的另一个因素是交易费。除了奖励之外，矿工还会从该区块中包含的任何交易中获得手续费。随着比特币达到其计划的2100万个上限（预计在2140年左右），矿工将获得由网络用户支付的交易处理费作为奖励。这些手续费确保了矿工仍然有动力进行挖矿并维持网络的正常运行。其理念是，这些手续费的竞争将使其在减半事件结束后仍保持在低位。

比特币挖矿数学难题是什么？

比特币挖矿的核心是一个数学难题，矿工需要解决它才能获得比特币奖励。这个难题被称为工作量证明 (PoW) ，指的是矿工为挖取比特币而付出的计算工作量。虽然挖矿难题通常被认为很复杂，但实际上相当简单，可以说是一种猜测。

比特币网络中的矿工试图得出一个 64 位十六进制数，称为哈希值，该数小于或等于比特币工作量证明 (PoW) 算法 SHA256 中的目标哈希值。矿工系统使用大量的暴力破解技术，将多个处理单元堆叠在一起，以不同的速率（兆哈希/秒 (MH/s)、千兆哈希/秒 (GH/s) 或太哈希/秒 (TH/s)）输出哈希值，具体取决于所使用的处理单元，猜测所有可能的 64 位数字组合，直到得出答案。猜出小于或等于哈希值的系统将获得比特币奖励。

举个例子来解释这个过程。假设你让朋友们猜一个介于 1 到 100 之间的数字，这个数字你已经想好了，并写在纸上。你的朋友们不必猜出确切的数字；他们只需要第一个猜出一个小于或等于你数字的数字即可。

如果您想的数字是 19，而您的朋友猜出了 21，那么他们就输了，因为 21 大于 19。但是，如果有人猜 16，而另一个朋友猜 18，那么后者获胜，因为 18 比 16 更接近 19。简单来说，比特币挖矿数学难题与上面描述的情况相同，只是使用了 64 位十六进制数和数千个计算系统。

什么是挖矿难度？

在比特币挖矿文献中，你经常会遇到的一个术语是挖矿难度。挖矿难度指的是解决数学难题并生成比特币的难度。挖矿难度影响着比特币的生成速度。

挖矿难度每2016个区块（约两周）变化一次。下一轮难度取决于矿工在前一轮周期的效率。此外，新加入比特币网络的矿工数量也会影响挖矿难度，因为新矿工的加入会提高哈希率（即用于挖矿的算力）。2013年和2014年，随着比特币价格上涨，更多矿工加入了其网络，发现一个交易区块的平均时间从10分钟缩短至9分钟。

但反之亦然。也就是说，参与竞争的矿工越多，问题就越难解决。如果算力从网络中移除，难度就会向下调整，使挖矿变得更容易。

2022 年 3 月的挖矿难度为 27.55 万亿。也就是说，计算机生成低于目标哈希值的概率是 27.55 万亿分之一。换个角度来看，你用一张彩票赢得强力球大奖的概率，比你一次尝试选出正确哈希值的概率高出 91,655 倍。

比特币挖矿的经济效益如何？

归根结底，比特币挖矿是一项商业活动。其产出——比特币——产生的利润取决于对其投入的投资。

比特币挖矿的成本主要有三点：

• 电力：这是全天候运行挖矿系统的电力来源。这笔费用可能会相当高昂。考虑到整个挖矿过程的耗电量与某些国家相当，成本可能会相当高昂。
• 挖矿系统：与流行的说法相反，台式电脑和普通游戏系统并不适合或无法高效地进行比特币挖矿。挖矿过程会使这些系统过热，并导致家庭网络带宽问题。专用集成电路 (ASIC) 系统是专门为比特币挖矿定制的机器，是比特币矿工的主要基础设施投资。这类机器的价格范围从 4,000 美元到 12,000 美元不等。即使成本如此高昂，一台配备 ASIC 的系统产出的比特币也不足一枚。比特币矿工将数千台 ASIC 系统组织成全天候运行的矿池，以生成解决哈希难题所需的 64 位十六进制数。
• 网络基础设施：网络速度对比特币挖矿过程的影响并不显著。然而，拥有一个全天候不间断的互联网连接至关重要。该连接还应考虑附近矿池的延迟。专用网络可以减少外部依赖，并确保将延迟降至最低。离线并不一定会停止交易同步过程。但它会使该过程耗时，并且在连接恢复后可能容易出错。

这三种投入的总成本应该小于产出——在本例中是比特币的价格——这样矿工才能从他们的投资中获得利润。考虑到比特币价格的飙升，铸造自己的加密货币的想法听起来可能很有吸引力。

然而，无论比特币支持者怎么说，挖矿都绝非一种爱好。它成本高昂，失败概率极高。正如挖矿难度部分所述，即使投入大量资金和精力，也无法保证一定能获得比特币奖励。整合挖矿系统，开办一家小型比特币挖矿企业或许能提供一条出路。然而，即使是这样的企业，也要受制于加密货币价格的波动。如果加密货币价格像 2018 年那样暴跌，那么运营比特币挖矿系统将变得无利可图，小型矿工将被迫停业。每四年奖励给矿工的比特币数量下降，使得这项活动更加缺乏吸引力。

鉴于比特币挖矿本身的经济难度，目前该活动主要由业务遍及多个大洲的大型挖矿公司主导。全球最大的比特币挖矿公司AntPool在许多国家运营矿池。许多比特币挖矿公司也已上市，尽管它们的估值相对较低。

比特币挖矿电力消耗

比特币挖矿过程需要消耗多少电？

在比特币短暂发展的大部分时间里，其挖矿过程一直是能源密集型过程。在比特币推出后的十年里，挖矿主要集中在中国，而中国的大部分电力都依赖煤炭等化石燃料。毫不奇怪，比特币挖矿天文数字般的能源成本引起了气候变化活动人士的关注，他们将碳排放上升归咎于挖矿活动。据估计，这种加密货币的挖矿过程消耗的电力相当于整个国家的用电量。但比特币的支持者发布的研究报告声称，这种加密货币主要由可再生能源驱动。

关于这些研究，需要记住的一点是，它们是基于推测和矿池自报的数据。例如，Coinshares 2019 年的一份报告在评估比特币挖矿生态系统时，对矿工的电力来源做出了一些假设。

比特币挖矿的历史

两项发展促成了比特币挖矿的演变和构成，使其发展到如今的水平。首先是定制比特币矿机的制造。由于比特币挖矿本质上是一种猜测，因此能否在其他矿工之前获得正确答案几乎完全取决于计算机生成哈希值的速度。在比特币早期，搭载普通CPU的台式电脑主导着比特币挖矿。但随着算法难度的不断提升，它们开始需要很长时间才能在加密货币网络上发现交易。据估计，在2015年初的难度级别下，使用CPU平均需要“数十万年”才能找到一个有效区块。

随着时间的推移，矿工们意识到显卡（也称为图形处理单元 (GPU)）在挖矿方面效率更高、速度更快。但它们会为那些并非真正需要挖矿的硬件系统消耗大量电力。现场可编程门阵列 (FPGA)，一种 GPU，是一种改进，但它们也存在与 GPU 相同的缺点。

如今，矿工们使用定制的矿机，即 ASIC 矿机，这些矿机配备了专用芯片，可以更快、更高效地进行比特币挖矿。它们的价格从几百美元到几万美元不等。如今，比特币挖矿竞争异常激烈，只有使用最新的 ASIC 矿机才能盈利。使用台式电脑、GPU 或老款 ASIC 矿机时，能源消耗成本实际上超过了收益。即使拥有最新的设备，一台电脑也很难与矿池（矿池由一群矿工组成，他们将自己的算力整合起来，然后瓜分挖出的比特币）竞争。

比特币分叉也影响了比特币矿工网络的构成。由于16万亿分之一的概率、不断扩展的难度级别以及庞大的交易验证用户网络，大约每10分钟就会验证一个交易区块。但重要的是要记住，10分钟是一个目标，而不是规则。

目前，比特币网络每秒处理的交易量略低于4笔，每10分钟就会有一笔交易被记录到区块链上。相比之下，Visa每秒处理的交易量约为6.5万笔。然而，随着比特币用户网络的不断增长，10分钟内的交易量最终将超过其可处理的交易量。届时，除非比特币协议做出改变，否则交易等待时间将开始持续增长。

比特币协议的核心问题被称为扩容。尽管比特币矿工普遍认为必须采取措施解决扩容问题，但对于具体措施却缺乏共识。目前已提出了两种主要解决方案来解决扩容问题。开发人员建议，要么创建一个比特币的二级“链下”层，以便更快地进行交易，并稍后由区块链进行验证；要么增加每个区块可存储的交易数量。由于每个区块需要验证的数据更少，第一种解决方案可以加快交易速度，并降低矿工的交易成本。第二种解决方案是通过增加区块大小，允许每10分钟处理更多信息来解决扩容问题。

2017 年 7 月，代表比特币网络约 80% 至 90% 计算能力的比特币矿工和挖矿公司投票决定纳入一项计划，以减少验证每个区块所需的数据量。

矿工投票决定添加到比特币协议中的程序称为隔离见证（SegWit）。该术语由“segregated”（意为分离）和“witness”（指比特币交易的签名）两个词组合而成。隔离见证是指将交易签名从区块中分离出来，并将其附加为扩展区块。虽然在比特币协议中添加一个程序似乎并非什么解决方案，但据估计，签名数据占每个交易区块处理数据的 65%。

不到一个月后，也就是2017年8月，一群矿工和开发者发起了一次硬分叉，让比特币网络使用与比特币相同的代码库创建一种新的货币。尽管这群人认同需要解决扩容问题，但他们担心采用隔离见证技术无法完全解决扩容问题。

于是，他们选择了第二种解决方案，即增加每个区块可存储的交易数量。最终，他们开发出了一种名为比特币现金 (Bitcoin Cash)的货币，将区块大小增加到 8MB，以加快验证过程，从而实现每天约 200 万笔交易的处理能力。

综述

比特币挖矿是一个耗能过程，需要定制的挖矿系统来竞争解决数学难题。第一个解决难题的矿工将获得比特币奖励。比特币挖矿过程还会确认加密货币网络上的交易，并确保其可信。

尽管使用台式机的个人矿工在加密货币早期也发挥了一定作用，但比特币挖矿生态系统主要由大型挖矿公司主导，这些公司运营着遍布全球的矿池。比特币挖矿也因其耗能巨大而备受争议。随着人们对气候变化认识的不断提高，一些矿工已将业务转移到使用可再生能源发电的地区。

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