比特安魂曲 03（第 1 部分）比特币挖矿的奇观

▐ 作者/苏伟

本期关键词：挖矿，网络算力，算力，PoW，hashcash，挖矿，CPU，GPU，FPGA，ASCI矿机，矿机技术，矿场，电力，矿池，分配机制，2100万，四-年减半、难度调整、交易手续费、UTXO、公私钥体系、地址、BASE58、抗量子计算、椭圆加密曲线标准

️ 师父，你搞电脑干什么？

我想看看我是否可以“挖掘”比特币。

️ 你用什么来“挖”？

用我的电脑！

️哈哈，你个普通办公电脑，十年前恐怕还可以，现在，基本就是痴心妄想了！ 不过也不是说绝对不行，只是用普通电脑挖币的概率甚至没有中彩票大奖的概率高！

你怎么看？

️ 我们可以去一些网站查看当前比特币网络的算力。 比如可以看到一个Hashrate，就是算力，目前是53EH/s。 Hz是频率的单位，1Hz/s表示每秒运行一次，根据1k=1000的近似换算，1M≈1000k，1G≈1000M，1T≈1000G，1P≈1000T，1E≈1000P，可以粗略估算它。

bitcoinwisdom网站上显示的挖矿难度

我电脑的CPU是高端产品！

️即使是现在的高端电脑CPU，主频4GHz，全12线程，你的算力也达不到全网算力的十亿分之一，也就是说你挖比特币的概率不到十亿分之一。 需要注意的是，虽然挖矿的算力和CPU的算力不是完全一样的东西，但是这样估计也没有错，所以奉劝大家彻底放弃幻想吧！

什么！ 就这么没希望了吗？

️ 一开始我也有幻想，你知道的，我怎么能说我也是智能机器人呢！ 然而，当我跟着办案组来到老张的比特币矿场，看到巨大的厂房里整齐排列着比特币矿机时，我惊呆了！

为什么要去老张的比特币矿场？

️因为在正式接触老张和他的公司之前，我们需要对他有一个全面的了解，所以我们决定先去看看他的我的。

既然凶手在行刑前让妻子找到老张，那么老张肯定心存疑虑，而死者恰好是一家数字货币交易所的老板，而老张又恰好是一个矿场老板。 联系起来，有必要去看看老张的矿山。

️ 老张的矿在西边一个小水电站旁边。 我们一路颠簸着山路，差点把我撞散。

什么！ 据说，科幻作家刘慈欣在与世隔绝的深山守卫水电站的同时，创作了不朽巨作《三体》。 但是，为什么非要在这么偏远的地方设矿才能挖比特币呢？

️ 因为电力充足又便宜！

哦，旁边就是山里的水电站，还省去了输电的费用。

️ 大部分矿场都是这样，建在山里的水电站旁边，或者在内蒙古的草原上建在风力发电站旁边。

比特币挖矿非常依赖电力资源。

️当然，根据一份报告，2017年挖矿消耗的电力已经占到全球发电量的0.19%，这已经很惊人了。 这种比特币挖矿机制称为 PoW（工作量证明）。 从功能上来说，PoW除了可以“挖”出比特币外，对人类社会并没有什么实际好处。

那不是浪费资源吗？

比特币矿

️ 这是浪费资源！ 在西北一些偏远地区，为了招商引资，对当地投资兴办企业，特别是对科技含量高的企业，有很多优惠和补贴政策。 “去吧。”然而，大家也逐渐发现，所谓的比特币挖矿并没有产生任何真正的社会价值效益，还是高耗能、高噪音，所以一些地方出台政策，点名禁止设立。地方“矿业”企业。

比特币挖矿，当初不应该这么轰动吗？

️ 最开始的一两年，因为知道和认可比特币的人非常少，整个网络的算力很小，所以当时在家里用个人电脑就可以挖币，本质上是用计算机的 CPU 来执行计算。

那种时光和原始社会一样古老！

️ 后来越来越多的人希望挖比特币，一些极客开始研究，如何比别人的电脑挖的多？ 这时候有人发现，所谓的挖矿就是不断地引入随机数——如果在求解的过程中从1一个一个地枚举出来就太傻了，所以真正的挖矿就是用随机数——然后a 尝试每一个结果，看看哪个能计算出满足要求的哈希值。 这些是一些简单但重复的计算，非常类似于显卡 GPU 所做的...

什么！ GPU除了应用于人工智能的深度学习领域，还是“挖矿”神器！

️ 电脑屏幕的本质是一个个像素点组成的矩阵。 要同时在屏幕上显示像素，GPU 必须擅长并发重复计算，这与 CPU 擅长逻辑运算的架构有着根本的区别。

嗯，GPU 擅长做大量的重复计算，我们在去年的苏微录中讨论过。

显卡GPU挖矿

️ 于是，极客们赶紧写了个程序用GPU挖矿。 效果好到CPU挖矿逐渐降温。

智检创新研究院的区块链实验室不是有两块1080TI GPU吗，大家来挖一挖！

️主人，如果你想出错，你可以使用公共算力和能量来挖矿！

哈哈，我怎么不知道这是违纪甚至犯罪！ 网上已经有一些报道。 早年，当地政府机房承建商在bitcointalk论坛发帖，求方案建一套普通设备，里面其实是挖矿设备； 我也亲眼看到了。 挖矿程序在网站服务器上私下运行； 还有人偷电挖矿，你去百度搜“偷电挖矿”比特币挖矿2011年，一堆案例……

️ 不仅在中国，在国外也曾出现过哈佛大学研究人员使用超级计算机挖矿等丑闻。 利益很容易压倒人心，让人去冒险！ 早年有人在网页中植入挖矿脚本木马，访问网页时调用你的电脑资源帮助挖矿...

真是绞尽脑汁，奇思妙想！ 不过，我只是好奇，我们自己电脑的显卡也不错，准备试试。

️ 不幸的是，GPU 挖矿也已经过时了。 要知道，面对全网如此庞大的算力，即使对GPU超频，也只是沧海一粟。

这么大的网络算力是怎么出来的？

️因为，很快有人在挖矿领域使用了FPGA。

什么是 FPGA？

️FPGA即Field Programmable Gate Array，中文翻译为“现场可编程逻辑门阵列”。

...

️我知道你不明白，你把它理解成类似于乐高积木的编程电子元件，包括与门、非门、或门、选择器等。

用这个挖矿？

️ 是的！ 不可能吗？ 当你使用GPU挖矿的时候，其实是要打开一台电脑，而且整台电脑都是开着的，除了用来挖矿的部分，其余大部分耗能的部件，比如内存、硬盘也都是开着的。打开。 都是耗电，很不经济。 如果直接用可编程电子元器件组成矿机，从资源管理的角度来说是一个很大的优化，资源的利用率自然会提高。

FPGA矿机

你说什么？ 矿机是“矿机”吗？

️ 是的，在2011年底，有人用FPGA制造出了第一台比特币矿机。 当然，FPGA矿机的算力并不比GPU强多少，但整体功耗要低很多。 对电费敏感的矿工一度对他们青睐有加。

然而？ 嘻嘻~

️ 然而，群众的智慧是无穷的！ 有人认为，与其像乐高积木那样组装电路，还不如设计专门的集成电路芯片！ 因此，发明了ASIC矿机。 ASIC是Application Specific Integrated Circuit的缩写。

惊人的！

️还有更厉害的。 早期的矿机体积比较大，功耗也比较高。 为了散热，噪音也很大。 因此，针对这些问题，ASIC矿机厂商不断改进工艺，其中一项重要的项目就是不断缩小的集成电路线宽，从最初的55纳米，到40、28、14纳米，现在是 7 纳米。

为什么线宽要越来越小？

️ 做同样的计算，线宽越小，需要的功率越少。

啊？

️ 芯片的本质是电流，电流的本质是电子的传导。 同一根导体，一粗一细，通过导体传输相同的信息。 粗导体需要更多的电子，而细导体需要较少的电子。 显然，更细的导体需要更少的功率。

电力似乎是挖矿成本控制中最重要的部分。

️ 没错，人们挖矿就是为了赚钱。 如果挖出的币值连电费都不够，就没人挖了，所以必须严格控制电费成本。 芯片线宽越来越细。 同样的计算，传导的电子越少，损失越少，也提高了能量效率。 损耗其实是电能转化为热能的过程，所以损耗少就意味着对散热的需求少，就不用拿着更大的风扇咯吱咯吱地吹了。

记得早年有个案例，挖矿产生噪音，隔壁邻居受不了噪音，拿刀捅了矿工。

️ 嗯，噪音的主要来源其实是散热风扇。

原来控制噪音就是控制散热； 而控制散热其实就是减少损耗； 为了减少损耗，必须使线宽变细。 改进矿机流程的逻辑就是这样一系列。

️ 不仅仅是矿机，而是包括家用电脑在内的所有电子产品的流程改进逻辑。

话虽如此，一纳米到底有多宽？

️ 1 纳米 = 10^-9 米，即 0.000000001 米，大约是 4 个原子的长度。 举个形象的例子，1纳米相当于一根头发丝直径的千分之一。

我好听话，已经是人肉眼看不见的了，徒手也摸不着。 芯片行业都混进来了，那我们个体玩家怎么办呢~

专用集成电路矿机

️ 不会吧，你忘了我刚才说的老矿井里那层出不穷、排列整齐的比特币矿机了吗？ 这数百台矿机并不是孤军奋战，它们是作为一个集团军在参战！

哦，我明白了，有些A算出来的数，B可以忘记，比如你算奇数，我算偶数，分工合作，如果算出来，就是大家的共同贡献。 是对的吗？

️就是这样！

这不是我说的，大家都组建了一支拥有现代化武器的军队，而我们个体玩家还挥舞着刀枪，这也太过霸道了。

️个人玩家和个人矿工的机会就是加入“团军”！

哦，对了，我可以加入，我的机器可以和矿场里的几百台机器一起“挖矿”，如果我得到一个“矿”，我还能分一杯羹，那么，我加入的那个，这个机制叫什么？

️矿池。 不仅你的机器可以和矿场里的机器一起挖矿，全世界所有的机器都可以加入某个矿池，如果你是矿场的主人，你也可以选择带着你的“团队”加入大矿池，只要你觉得矿池分配方式合理就行。

我的机器是贡献算力的，所以我这次一定要客观的用这个算力帮助矿池挖矿。 我贡献了一段时间的算力，矿池挖了矿，我可以分享一些收益吗？

️ 矿池的运营和分配是一门科学，有PPLNS、PPS、DGM、SLUSH等多种模式，如果分配机制不科学，谁也不会带“团队”加入。 对于专业挖矿的人来说，如果你加入的矿池分配方式不对，收益可能会差很多！ 但是我们不是专业挖矿的，没必要研究那么深。

所以，也就是说，即使你是矿场，即使你有上百台专业矿机，算力也只是整个网络的沧海一粟。 为了保证收益，必须加入一定的矿池。

️ 是这样的。

2018年比特币矿池算力分布图，来源btc.com/stats/

工作量证明 PoW 机制如此耗费精力，简直就是浪费！

️ 然而，PoW 机制最初被发明出来，却是一个创举。 最早的 PoW 是为了抵抗垃圾邮件而发明的。

嗯？ 这很奇怪。

️ 这种方法叫做HashCash，hash cash算法机制，是Adam Back在1997年发明的：为了解决垃圾邮件问题，需要有一种方法可以有效的识别哪些是正常邮件，简而言之，有“工作量”是普通邮件。

Adam Back，HashCash 的发明者

欣赏更多细节。

️ 系统会要求在发送邮件时，将邮件内容、收件人地址、当前时间戳等数据进行哈希计算，得到的哈希值可用于判断是否为垃圾邮件。 如果是普通用户，计算hash值需要几秒，基本没有成本； 如果是垃圾邮件发送者发邮件，每封邮件都需要几秒钟的时间，时间成本是无法承受的。 而且同时发送数千封邮件，对于同时进行这么多哈希运算的机器来说也是一种考验。 简而言之，HashCash 方法增加了发送垃圾邮件的成本。

很酷的算法机制！

️不仅如此，HashCash方法还可以用来防止拒绝服务攻击，即DoS，Denial of Service。

呵呵，做过网站，知道拒绝服务攻击：网站服务器只能承受有限数量的终端同时访问，黑客会使用大量机器冒充访客，阻塞服务通道，导致网站无法正常访问。

️ 是的，这就像竞争对手在高峰时段派人到您的餐厅占满所有座位而不吃饭。

如果使用HashCash方式处理这个问题，可以要求占座者提供身份信息，至少是手机号，这样可以有效避免被“拒绝服务攻击”。 哈哈~

️ 好像有些餐厅是这样做的。

然而，像HashCash这种优雅的东西，用在比特币里面比特币挖矿2011年，变成了PoW机制，却感觉已经被攻破了。 为什么你对比特币挖矿如此兴奋？

️ 因为稀缺！ 从经济学上讲，稀缺就是价值。 比特币一共有2100万枚，就挖矿而言，大概的周期是每四年减半产量：比如2012年11月之前，每挖出一个区块可以得到50个币，但是之后就有了每个区块只有 25 个硬币。 2016年7月以后，每个区块只有12.5个币……估计到2140年，所有原生比特币都会被挖完。

为什么每四年产量减半？

️ 这就是比特币的发行机制。 它是用比特币软件代码编写的。 代码是开源的，也就是说代码是公开的。 你可以参考一下。 当然，并不是像你想象的那样直接写出2100万，而是一套计算公式……

等等，你刚才说每四年减半，从2012年11月到2016年7月，连四年都没有！

️ 我正要说这个问题呢！ 所谓“四年减半”只是笼统的说法。 真正的比特币发行规则和程序设置是：每21万个区块，产量减半。 210,000 个区块的初始奖励为 50 个比特币，210,001-420,000 个区块的奖励为 25，目前处于 420,001-630,000 个区块之间，因此奖励为 12.5。

也就是说，总发行量是这样累积起来的：210000×50+ 210000×25+ 210000×12.5+ 210000×6.25+ 210000×3.125+…… 最后，好像无限接近2100万了！

️ 嗯，比特币的数量是可以精确到小数点后8位的，所以，根据这个减半规则，最终准确的流通量其实是20999999.97690000，为了描述方便，一般说成21百万。

比特币生产时间表

每21万个区块收益减半，难怪大家抢着挖。 随着近几年专业矿机和矿池的出现，算力比以前个人电脑挖矿的时代翻了这么多倍。 很快？

️ 计算的速度越来越快，但是随着计算能力的提升，题目会变得越来越难。

题目不是hash(hash(a+b+c+X))=N吗，会变吗？

️你忘了N是一串hash值前面加了几个0吗？ 得到前面有10个零的哈希值比得到前面有9个零的哈希值难一个数量级！

比特币网络是如何增加难度的？ 如何决定hash值需要多少个0开始？

️ 每两周，比特币网络都会做出判断。 判断逻辑是这样的：如果两周内产生了超过2016个区块，也就是20160分钟，那么说明这个区块相对于全网来说是比较大的。 在计算能力方面，如果难度低，则需要增加难度； 如果两周内出块少于2016个，说明难度高于全网算力，需要适当降低难度。

哦，平均保持 10 分钟生成一个块。

️ 是的，这样的调整最终可以把一个区块的生成时间控制在10分钟左右，那么，21万个区块的生成时间应该是整整四年左右。

比特币设计得非常好。 然而，提出一个令人担忧的问题：如果所有比特币都被“开采”了怎么办？ 2140之后怎么办？

️ 这个问题已经考虑过了！

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