比特币挖矿背后的数学难题

我先考你一下。你知道比特币是什么,对吧?我的意思是,不,但很快,它是一种“加密货币”,即一种基本的加密计算机货币。它实际上并没有真正的物理形式,目前1比特币的价值是16000美元。想要得到一个,你必须要么从网上交易购买,要么使用专门的计算机设备去“挖掘”它。最后一个点就是放出怪物的地方。

比特币挖矿背后的数学难题

 

在上周的报道中,加密货币网站称,全球开采比特币使用的电力比塞尔维亚消耗的还要多。这是一个国家。在为Grist写的文章中,Eric Holthaus计算,到2019年七月,比特币P2P网络——还记得BitTorrent(比特流)吗?类似的——所需的电力将比整个美国需要的还要多。甚至到2020年11月,它所使用的电力将比当今整个世界的都多。

 

非常糟糕。这意味着,比特币每年相当于要排放1770万吨的二氧化碳,对地球气候来说这是一个非常大的挑战,对于任何喜欢海岸线、森林和不死于蚊媒疾病的人来说都是如此。通过不同的比喻,比特币P2P网络本质上是一种分布式的超级智能,它完全致力于生成比特币,所以它当然希望宇宙中的所有能量(也就是物质)都转化为比特币。这就是它的工作。如果它必须通过支付虚拟价值来招募贪婪的书呆子,好吧,释放催眠货币。

 

比特币的理念仍然带有一种“天才”的意味——数字货币就像现金一样,既不可追踪又很可靠,它不受国籍和物质的限制,拥有平等原则属性,也拥有内置的哲学和计算固件。然而最近,比特币的价值在过去三个月里显著上升,暴露了这样一个事实,那就是科学学院可能无法团结一致。这并不是说,人们没有在试图解决这个问题。

 

区块链使Bitcoin比特币化,它是所有支付和交易的安全分类账簿。P2P网络的重点工作就是生成和维护这一账簿,而且从技术上讲,任何人都可以去更新它——那些交易记录是链中的块。但是有一个问题。(这是比特币发明者中本聪的精神,无论他是谁,都是“中本聪”。)为了建立一个区块,你还必须解决一下真正困难的数学问题,一个叫做SHA-256的“哈希算法”。

 

系统为了核验一堆交易并进行计算,也许会选择您的块添加到链中;如果添加了,那么你就会赢得一些比特币。这就是所谓的“挖矿”,这种将成本加入“哈希计算”的概念则称之为“工作量证明”。

 

“工作量证明的优点就是,它没有录取步骤,”康奈尔大学的加密货币和智能合约的共同负责人Emin Gün Sirer说。“如果你能进来,并且马上开始破解这些加密的谜题,你就可以对账簿的维护做出贡献。”

 

你不能用你自己的方法来破解这道计算题。为此专门设计的SHA-256算法,让这个本来需要强力计算的题目变得非常困难。你需要尽你最大的努力,去尝试又快又多的计算答案。这就意味着你必须时刻保持电脑处于开机状态,并且要运行排风扇来冷却你计算机那高温、超频的处理器。“能耗是一种安全特性。这是一件好事。”Sirer说。“想要接管这个系统,你必须至少花费同现在系统价值一样多的钱。并且你必须持有51%的哈希总能量。”

 

这是一个特性,而不是一个bug(分布式的超级智能会这么说)。“如果你描述了这个模型,并说,‘节点不仅没有人负责,而且可以随时加入或者离开网络,虽然每个人在区块链上的观点都是一致的,’但计算机科学家认为这是不可能的,”纽约大学的计算机科学家Joseph Bonneau说。“比特币能够做到这一点,实际上是一个巨大的惊喜和创新。成本是它使用了工作量证明,而关键在于这使加入区块链的费用变的高昂。”

 

因此这就是瓦解平等原则的地方。在最开始,加密货币的爱好者们可以在家里的电脑上运行挖矿软件。随着它逐步进化。人们开始意识到在哈希计算中,图形处理器比普通旧的CPU更好用。他们使用了更多的电力,更换了更精细的冷却系统,但状况依然如此。于是人们开始定制可编程的门阵列芯片,或者购买现成的,然后定制用来挖矿。如今,首选的计算机硬件是专用集成电路,该集成电路是按照比特币特定的配置顺序排列的。

 

这不仅使比特币的开采集中起来,而且也使能源的消耗量猛增。目前最先进的比特币矿工每10亿次哈希计算中消耗0.3瓦特,即“千兆次”。反过来讲,就是你每秒每千瓦得到300Gh。因此,大概在每秒13600P(petahashes)的算力下,基本上每笔交易会消耗234千瓦的电量,而比特币网络将消耗你32.71千亿瓦时的电量——即整个世界总耗电量的0.15%。

 

这个问题即使是使用更高效的硬件也解决不了。从2014年到2017年,计算机算力从30万每秒提高到200万每秒,而硬件效率从每焦耳2000超级哈希到1万MH/J,梅诺第大学的计算机科学家David Malone说。因此它大致相互抵消掉了。在2017年,计算机算力达到了将近1200万,Malone说,“但硬件却并没有太大的提高。”

 

因耗电量的上升,比特币矿工就将ASIC云建造在现在电力比较便宜的地方,比如冰岛(那里热能充足)或者中国(那里电力是由政府承包的,比特币是一种无需监管就可以进行投机的好方法)。因此他们可以把更多的服务器带到网上来挖掘更多的比特币。

 

“现在,让我们公平对待比特币,而不是将问题最小化,”Sirer说。“利用任何其他机制来记录、调解资产,确保其井然有序所消耗的能源成本,或是运行一个现金经济,印刷钞票,处理现金,把钞票从流通中抽出来,再印刷新的钞票所消耗的能源成本——再我一年前看来,他们相较而言是差不多的。”所以或许吧。估算整个Visa信用网络所消耗的能量大约是比特币消耗总能量的三分之一。这还是没有考虑Visa办公室的电力使用的情况,但从另一方面看,它跟比特币不同的,你可以用Visa来购物。哦,谷歌——所有的谷歌,整个谷歌——在2015年仅仅只消耗了5.7TWh的电量,而在2017年谷歌就已经使用上了完全可再生的能源。

 

矿工们利用上了更快、更高效的硬件,这不仅没有降低电耗,反而是要开采得更多。这就是人们总是部署更节能技术的方式。蒸汽时代是这样。石油时代是这样。LED时代也是这样——他们的能源效率确实变得更高,但这些技术的采用并没有减少照明的总功率。人们仅仅是安装了更多、更亮的灯而已。“比特币的价值越大,人们就愿意花更多的电力来争夺它,”华盛顿大学的计算机科学家Michael Taylor说。“提高比特币——SHA-256挖矿硬件的能源效率,带来的帮助只是次线性的,因为提高能效仅仅只是意味着人们可以用同样的运营成本来部署更多的矿工而已。”

 

工作量证明是一个难题。所以也许你有可能把它解决掉。加密货币研究人员正在考虑其他途径。一种是高效的资源开发,降低工作负载,但是这需要使用可靠的硬件去完成。另一种是权益证明,计算交易工作的优先价值。Bonnneau说:“你只是让人们按他们持有的货币比例来创建区块,所以大的货币持有者制造了最多的区块。”换句话说,你只是让它变得昂贵,而不是在计算上花费昂贵。“这可能会把电力的消耗降到几乎为零,但我们并没有真正的——”他在这里停顿了一下——“有几个研究团队在研究这个问题,”Bonneau说。

 

不过,比特币贵族阶层听起来不错对吗?Bonneau说:“不清楚的是,比给任意乐于燃烧最多电力的人赋予创造区块的能力相比更糟的是。”他说,“是在中国的运营商放弃获得补贴的权力,或者是在世界上的其他地方。”

 

好了,让我们换个策略。现在,假设哈希算法是毫无用处的。这是焚烧。让它做一些有用的事情怎么样?它是一个进行协作计算的P2P网络。如何让它找到来自外星人的信号,或者弄清楚如何使蛋白质对医学科学有用,或者解决现实世界的密码和质因数分解问题?但是没有。“我要告诉你为什么没有,这是不正常的,”Sirer说。“如果比特币是通过做一些有用的事情而被挖掘出来的,那么在有用的工作和你得到的比特币数量之间就会有一种对应的关系。这在人们的头脑中产生了一个心理锚点,让人们知道比特币应该花多少钱。”

 

现在看来,比特币的价格是随机浮动的。这是社会决定的。是的,因为人们不希望国际货币有一个合乎逻辑的汇率。因为…等一下。货币必须与其他货币有兑换率!这就是一种赚钱方式。而且跨国P2P网络计算工作不仅仅是扯淡,对吧?“我最初认为它应该更有用,结果你却这样,”Sirer说。“为什么要把你的命运和某些东西像蛋白质折叠一样结合起来呢?当通过其他方式手段让蛋白质折叠变得简单时,会发生什么呢?你最终将你的新系统与其他技术的命运缠绕在一起了。”

 

你不能摆脱工作量证明。你也不能使这项工作有用。(或者,如果这两件事情你都做到了,你可能会拥有其他的加密货币,但你将不会有比特币。)提高硬件的效率并没有什么帮助。但是来吧。不要说比特币不能。让我们高呼比特币可以。

 

如果目标是减少能源负载,那么在硬件上做一些更有趣的事情如何呢?“回收废热来取暖将会是一个好的短期解决方案,”Taylor说。例如,他指出,斯德哥尔摩试图用数据中心的废气来给家庭供暖。从某种程度上说,对于一个过去打算燃烧化石燃料来供暖的城市来讲,这是一个更有价值的,并且对环境友好的解决方案。

 

没错,但它也有一些让物理学家抓狂的不劳而获的氛围。虽然大家都知道挖矿硬件在改善,它仍然需要在ASIC云周围建设一个全新的基础设施。事实是,自于气候变化引起的化石燃料是最便宜、密度最高的能源,而比特币的挖矿系统则却能激励最便宜的能源。我有点喜欢这个想法,把热电偶粘在比特币挖矿系统的外面,然后把热量直接转化为电能,就像一个红外线炉子,但仍然是热力学所说的,等价交换。

 

如果数学和物理没有帮助,也许经济学会。比特币矿工们只要能支付挖矿的电费,就能运行计算机硬件。如果比特币的价值下跌,或者电费上涨,那就切断服务器吧。哈希问题的难度以指数方式递增,而每四年,奖励的规模就会减半。目前,每个区块是12.5比特币,而“下一个下跌时间是2020年6月,”Taylor说。“随着比特币价格的逐步稳定,然后全球净能量会由于区块报酬的下跌开始减少,而不是增加。”

 

不断降低的报酬给这个世界上的比特币总量设定了一个上限。是2100万,目前的趋势看它们将会在2032年前后被开采完毕。这种情况一旦发生,交易费用将会是系统中固定的唯一的奖励。其他的一些加密货币,也许是更高效节能的货币,将开始变得更具竞争力。目前,比特币看起来越来越像是一种投机工具,而不是一种流行的主流货币。而数学、物理学和经济学的一个相通科学定律就是:泡沫破裂

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文章作者: Chase 我要纠错
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