什麼是比特幣挖礦？

比特幣挖礦是通過解決難題來創造新比特幣的過程。它由配備專用芯片的計算系統組成，這些計算系統相互競爭，以解決數學難題。第一個解決難題的比特幣礦工（這些系統被稱爲礦工）將獲得比特幣獎勵。挖礦過程還會確認加密貨幣網絡上的交易，並使其值得信賴。

比特幣推出後的短時間內，人們在配備常規中央處理器 (CPU) 的臺式電腦上進行挖礦。但這個過程極其緩慢。如今，這種加密貨幣的產出依賴於遍佈全球的大型礦池。比特幣礦工們會整合各種挖礦系統，消耗大量電力來挖掘這種加密貨幣。

在使用化石燃料發電的地區，比特幣挖礦被認爲對環境有害。因此，許多比特幣礦工已將業務轉移到擁有可再生能源的地方，以減少比特幣對氣候變化的影響。

正如人們使用大型工具和機器從地下開採黃金一樣，比特幣挖礦也需要類似數據中心的大型系統。這些系統解決比特幣算法產生的數學難題，從而產生新的比特幣。

通過解決計算數學問題，比特幣礦工還可以驗證交易信息，從而確保加密貨幣網絡的可信度。他們驗證 1 兆字節 (MB) 的交易數據，即單個區塊的大小。理論上，這些交易可以小到一筆，但通常情況下，交易量可達數千筆，具體取決於每筆交易存儲的數據量。驗證比特幣交易信息的目的是防止雙重支付。對於印刷貨幣，僞造始終是一個問題。但通常情況下，當你在商店消費 20 美元時，這張鈔票就在店員手中。然而，對於數字貨幣，情況就不同了。

數字信息可以相對容易地複製，因此對於比特幣和其他數字貨幣來說，存在這樣的風險：消費者可以複製他們的比特幣並將其發送給另一方，同時仍然持有原件。

比特幣交易被彙總成區塊，並被添加到一個名爲“區塊鏈”的數據庫中。比特幣網絡中的全節點維護區塊鏈的記錄，並驗證其上發生的交易。比特幣礦工下載區塊鏈的全部歷史記錄，並將有效交易組裝成一個區塊。如果組裝好的交易區塊被其他礦工接受並驗證，則礦工將獲得區塊獎勵。

區塊獎勵每 210,000 個區塊（大約每四年）減半一次。2009 年，獎勵爲 50 個區塊。2013 年，獎勵金額降至 25 個區塊，2016 年降至 12.5 個區塊。在比特幣最近的減半事件中，獎勵金額降至 6.25 個區塊。

激勵比特幣礦工參與挖礦的另一個因素是交易費。除了獎勵之外，礦工還會從該區塊中包含的任何交易中獲得手續費。隨着比特幣達到其計劃的2100萬個上限（預計在2140年左右），礦工將獲得由網絡用戶支付的交易處理費作爲獎勵。這些手續費確保了礦工仍然有動力進行挖礦並維持網絡的正常運行。其理念是，這些手續費的競爭將使其在減半事件結束後仍保持在低位。

比特幣挖礦數學難題是什麼？

比特幣挖礦的核心是一個數學難題，礦工需要解決它才能獲得比特幣獎勵。這個難題被稱爲工作量證明 (PoW) ，指的是礦工爲挖取比特幣而付出的計算工作量。雖然挖礦難題通常被認爲很複雜，但實際上相當簡單，可以說是一種猜測。

比特幣網絡中的礦工試圖得出一個 64 位十六進制數，稱爲哈希值，該數小於或等於比特幣工作量證明 (PoW) 算法 SHA256 中的目標哈希值。礦工系統使用大量的暴力破解技術，將多個處理單元堆疊在一起，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)）輸出哈希值，具體取決於所使用的處理單元，猜測所有可能的 64 位數字組合，直到得出答案。猜出小於或等於哈希值的系統將獲得比特幣獎勵。

舉個例子來解釋這個過程。假設你讓朋友們猜一個介於 1 到 100 之間的數字，這個數字你已經想好了，並寫在紙上。你的朋友們不必猜出確切的數字；他們只需要第一個猜出一個小於或等於你數字的數字即可。

如果您想的數字是 19，而您的朋友猜出了 21，那麼他們就輸了，因爲 21 大於 19。但是，如果有人猜 16，而另一個朋友猜 18，那麼後者獲勝，因爲 18 比 16 更接近 19。簡單來說，比特幣挖礦數學難題與上面描述的情況相同，只是使用了 64 位十六進制數和數千個計算系統。

什麼是挖礦難度？

在比特幣挖礦文獻中，你經常會遇到的一個術語是挖礦難度。挖礦難度指的是解決數學難題並生成比特幣的難度。挖礦難度影響着比特幣的生成速度。

挖礦難度每2016個區塊（約兩週）變化一次。下一輪難度取決於礦工在前一輪週期的效率。此外，新加入比特幣網絡的礦工數量也會影響挖礦難度，因爲新礦工的加入會提高哈希率（即用於挖礦的算力）。2013年和2014年，隨着比特幣價格上漲，更多礦工加入了其網絡，發現一個交易區塊的平均時間從10分鐘縮短至9分鐘。

但反之亦然。也就是說，參與競爭的礦工越多，問題就越難解決。如果算力從網絡中移除，難度就會向下調整，使挖礦變得更容易。

2022 年 3 月的挖礦難度爲 27.55 萬億。也就是說，計算機生成低於目標哈希值的概率是 27.55 萬億分之一。換個角度來看，你用一張彩票贏得強力球大獎的概率，比你一次嘗試選出正確哈希值的概率高出 91,655 倍。

比特幣挖礦的經濟效益如何？

歸根結底，比特幣挖礦是一項商業活動。其產出——比特幣——產生的利潤取決於對其投入的投資。

比特幣挖礦的成本主要有三點：

• 電力：這是全天候運行挖礦系統的電力來源。這筆費用可能會相當高昂。考慮到整個挖礦過程的耗電量與某些國家相當，成本可能會相當高昂。
• 挖礦系統：與流行的說法相反，臺式電腦和普通遊戲系統並不適合或無法高效地進行比特幣挖礦。挖礦過程會使這些系統過熱，並導致家庭網絡帶寬問題。專用集成電路 (ASIC) 系統是專門爲比特幣挖礦定製的機器，是比特幣礦工的主要基礎設施投資。這類機器的價格範圍從 4,000 美元到 12,000 美元不等。即使成本如此高昂，一臺配備 ASIC 的系統產出的比特幣也不足一枚。比特幣礦工將數千臺 ASIC 系統組織成全天候運行的礦池，以生成解決哈希難題所需的 64 位十六進制數。
• 網絡基礎設施：網絡速度對比特幣挖礦過程的影響並不顯著。然而，擁有一個全天候不間斷的互聯網連接至關重要。該連接還應考慮附近礦池的延遲。專用網絡可以減少外部依賴，並確保將延遲降至最低。離線並不一定會停止交易同步過程。但它會使該過程耗時，並且在連接恢復後可能容易出錯。

這三種投入的總成本應該小於產出——在本例中是比特幣的價格——這樣礦工才能從他們的投資中獲得利潤。考慮到比特幣價格的飆升，鑄造自己的加密貨幣的想法聽起來可能很有吸引力。

然而，無論比特幣支持者怎麼說，挖礦都絕非一種愛好。它成本高昂，失敗概率極高。正如挖礦難度部分所述，即使投入大量資金和精力，也無法保證一定能獲得比特幣獎勵。整合挖礦系統，開辦一家小型比特幣挖礦企業或許能提供一條出路。然而，即使是這樣的企業，也要受制於加密貨幣價格的波動。如果加密貨幣價格像 2018 年那樣暴跌，那麼運營比特幣挖礦系統將變得無利可圖，小型礦工將被迫停業。每四年獎勵給礦工的比特幣數量下降，使得這項活動更加缺乏吸引力。

鑑於比特幣挖礦本身的經濟難度，目前該活動主要由業務遍及多個大洲的大型挖礦公司主導。全球最大的比特幣挖礦公司AntPool在許多國家運營礦池。許多比特幣挖礦公司也已上市，儘管它們的估值相對較低。

比特幣挖礦電力消耗

比特幣挖礦過程需要消耗多少電？

在比特幣短暫發展的大部分時間裏，其挖礦過程一直是能源密集型過程。在比特幣推出後的十年裏，挖礦主要集中在中國，而中國的大部分電力都依賴煤炭等化石燃料。毫不奇怪，比特幣挖礦天文數字般的能源成本引起了氣候變化活動人士的關注，他們將碳排放上升歸咎於挖礦活動。據估計，這種加密貨幣的挖礦過程消耗的電力相當於整個國家的用電量。但比特幣的支持者發佈的研究報告聲稱，這種加密貨幣主要由可再生能源驅動。

關於這些研究，需要記住的一點是，它們是基於推測和礦池自報的數據。例如，Coinshares 2019 年的一份報告在評估比特幣挖礦生態系統時，對礦工的電力來源做出了一些假設。

比特幣挖礦的歷史

兩項發展促成了比特幣挖礦的演變和構成，使其發展到如今的水平。首先是定製比特幣礦機的製造。由於比特幣挖礦本質上是一種猜測，因此能否在其他礦工之前獲得正確答案几乎完全取決於計算機生成哈希值的速度。在比特幣早期，搭載普通CPU的臺式電腦主導着比特幣挖礦。但隨着算法難度的不斷提升，它們開始需要很長時間才能在加密貨幣網絡上發現交易。據估計，在2015年初的難度級別下，使用CPU平均需要“數十萬年”才能找到一個有效區塊。

隨着時間的推移，礦工們意識到顯卡（也稱爲圖形處理單元 (GPU)）在挖礦方面效率更高、速度更快。但它們會爲那些並非真正需要挖礦的硬件系統消耗大量電力。現場可編程門陣列 (FPGA)，一種 GPU，是一種改進，但它們也存在與 GPU 相同的缺點。

如今，礦工們使用定製的礦機，即 ASIC 礦機，這些礦機配備了專用芯片，可以更快、更高效地進行比特幣挖礦。它們的價格從幾百美元到幾萬美元不等。如今，比特幣挖礦競爭異常激烈，只有使用最新的 ASIC 礦機才能盈利。使用臺式電腦、GPU 或老款 ASIC 礦機時，能源消耗成本實際上超過了收益。即使擁有最新的設備，一臺電腦也很難與礦池（礦池由一羣礦工組成，他們將自己的算力整合起來，然後瓜分挖出的比特幣）競爭。

比特幣分叉也影響了比特幣礦工網絡的構成。由於16萬億分之一的概率、不斷擴展的難度級別以及龐大的交易驗證用戶網絡，大約每10分鐘就會驗證一個交易區塊。但重要的是要記住，10分鐘是一個目標，而不是規則。

目前，比特幣網絡每秒處理的交易量略低於4筆，每10分鐘就會有一筆交易被記錄到區塊鏈上。相比之下，Visa每秒處理的交易量約爲6.5萬筆。然而，隨着比特幣用戶網絡的不斷增長，10分鐘內的交易量最終將超過其可處理的交易量。屆時，除非比特幣協議做出改變，否則交易等待時間將開始持續增長。

比特幣協議的核心問題被稱爲擴容。儘管比特幣礦工普遍認爲必須採取措施解決擴容問題，但對於具體措施卻缺乏共識。目前已提出了兩種主要解決方案來解決擴容問題。開發人員建議，要麼創建一個比特幣的二級“鏈下”層，以便更快地進行交易，並稍後由區塊鏈進行驗證；要麼增加每個區塊可存儲的交易數量。由於每個區塊需要驗證的數據更少，第一種解決方案可以加快交易速度，並降低礦工的交易成本。第二種解決方案是通過增加區塊大小，允許每10分鐘處理更多信息來解決擴容問題。

2017 年 7 月，代表比特幣網絡約 80% 至 90% 計算能力的比特幣礦工和挖礦公司投票決定納入一項計劃，以減少驗證每個區塊所需的數據量。

礦工投票決定添加到比特幣協議中的程序稱爲隔離見證（SegWit）。該術語由“segregated”（意爲分離）和“witness”（指比特幣交易的簽名）兩個詞組合而成。隔離見證是指將交易簽名從區塊中分離出來，並將其附加爲擴展區塊。雖然在比特幣協議中添加一個程序似乎並非什麼解決方案，但據估計，簽名數據佔每個交易區塊處理數據的 65%。

不到一個月後，也就是2017年8月，一羣礦工和開發者發起了一次硬分叉，讓比特幣網絡使用與比特幣相同的代碼庫創建一種新的貨幣。儘管這羣人認同需要解決擴容問題，但他們擔心採用隔離見證技術無法完全解決擴容問題。

於是，他們選擇了第二種解決方案，即增加每個區塊可存儲的交易數量。最終，他們開發出了一種名爲比特幣現金 (Bitcoin Cash)的貨幣，將區塊大小增加到 8MB，以加快驗證過程，從而實現每天約 200 萬筆交易的處理能力。

結論

比特幣挖礦是一個耗能過程，需要定製的挖礦系統來競爭解決數學難題。第一個解決難題的礦工將獲得比特幣獎勵。比特幣挖礦過程還會確認加密貨幣網絡上的交易，並確保其可信。

儘管使用臺式機的個人礦工在加密貨幣早期也發揮了一定作用，但比特幣挖礦生態系統主要由大型挖礦公司主導，這些公司運營着遍佈全球的礦池。比特幣挖礦也因其耗能巨大而備受爭議。隨着人們對氣候變化認識的不斷提高，一些礦工已將業務轉移到使用可再生能源發電的地區。

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