重新思考比特币 PoW 机制：它真的浪费能源吗？

一个每年能结算 1.38 万亿美元的支付系统，花费 45 亿美元在挖矿上，不值得吗？

原文标题：《观点 | PoW 有效率》
撰文：Dan Held
翻译：阿剑

许多人都认为比特币的工作量证明机制（PoW） 「浪费电力」。我寻思着跟大家解释一下：其实一切都是能量，货币也是能量，对能量的评价是主观的，**，PoW 的能量消耗比之现有的管制系统如何。这篇文章混杂了圈内许多人的原创思想 —— 我所做的不过是汇聚、提炼和组合这些说法 。

工作量（Work）即能量

「功（work）」 被当成能量的单位，要从法国数学家 Gaspard-Gustave de Coriolis 说起：他将能量定义为 「所做的功（work done）」。

很久以前，经济活动中所做的功完全来自人力，而这些能量都来自食物。

大约 100 万年前，人类偶然学会了使用火。结果，人类可以驱使的能量就变多了，因为我们不仅可以靠吃东西来维持温度，还能从烤火中取暖。所以，这种额外的能量消耗提高了我们的生活水平。

几千年前，我们的能量消耗进一步提高，因为我们开始畜养家畜。动物可以代替人力，前提是这些劳动力也必须有吃的。我们需要大量的食物来满足这种能量上的需求，但我们的生活也随之更加繁荣。

在过去的几百年里，我们发明出了大机械，这些机械本身可以做功。一开始，能源来自水流、风力，后来变成了更便宜的东西比如煤炭和天然气，现在则是核能（核聚变 / 核裂变）。不论是机械还是生物，都是靠消耗能源来做功的。

我们的经济生活，也不是建立在货币之上，而是建立在功和能量之上的。我们生活中的一切，都与能源的价格密切相关。净化水需要能量；运输货物也需要能量；制造产品需要能量；烹饪也不外如是；连冰箱和冰柜，都需要能量。在自由市场上，每一种商品的单位成本，都反映了制造单位该种产品所需消耗的能量。因为自由市场鼓励人们产出物美价廉的商品，所以每一种商品在生产制造中的能源消耗都是最小化的。货币是生产商品和服务所需要的功的代表，因此也可以认为是存储起来的能量。

在 20 世纪上半叶，工业**如亨利·福特（Henry Ford）和托马斯·爱迪生（Thomas Edison）都有志于使用 「能量元」 或 「能量单位」（商品货币 / 能量货币）来取代黄金和美元。当时这个概念很流行，因为它们也具备健全货币的一些特点，包括：可以精确定义出统计单位、易于度量 / 难以伪造、可分割成更小的单位以及同质性（也就是每一单位都与另一单位没有区别）。不过，能量货币也是有缺陷的：难以转移、难以存储。

「要让男人女人们垂涎某个东西，只需让那个东西难以获得。」

—— 马克·吐温

时间快进到 2008 年 10 月 31 日，中本聪公开发表了比特币白皮书。比特币所用的工作量证明（译者注：按上文，也可以翻为 「做功证明」）的发明初衷是作为抵御邮件攻击的手段。只是后来中本聪把它用到了数字货币中。PoW 挖矿，一言以蔽之，就是使用专门的机器（如 ASIC）将电能（经由区块奖励）转化为比特币。机器会重复执行哈希运算（既是猜测也是投票），直到解决一个密码学难题并收到比特币（区块奖励）。这个密码学难题的证明了该矿工花费了许多能量（形式是 ASIC 以及电力），证明矿工做了功。比特币有一个类似资本主义的投票机制，「以真金白银承担风险，来获得投票权」，消耗能量、使用 ASIC 才能生产哈希值（选票）。—— Hugo Nguyen

在中本聪设计 PoW 时，他是在根本上改变人类共识的形成机制，把政治投票转成无关政治的投票（哈希值），靠的就是能源的转化。做功证明也是消耗证明，或者说对能量已被消耗的验证。那它重要在哪？在于，这是在数字世界里验证物理世界事物的最简单也最公平的办法。PoW 跟物理有关，跟代码无关。比特币是一种超级商品，是靠能量铸造出来的，是整个宇宙的基础商品。PoW 把电能熔铸为数字黄金。

当且仅当比特币的账本是难以制造的，它 才是 / 就是 不可篡改的。做功证明 「非常昂贵」，这没错，但这是一种特性，而非一个缺点。直到今天为止，「保卫」 一词仍旧意味着造一堵厚厚的物理围墙把那个有价值的东西围起来。密码学货币的新世界不那么直观，没有摸得到的围墙来保护我们的钱，也没有门和门锁。比特币的公开账本是靠着其集结起来的哈希算力，也就是它花在造墙上的总能量，来保护的。这一设计昂贵又透明，意味着若要拆除这堵墙，就要付出同样多的能量（无可伪造的**浪费）。

译者注：这样说其实是不严谨的。拆除 PoW 的围墙只需付出同样多的哈希次数，不一定要付出同样多的能量，因为机器的运算效率（单位能量投入所产生的哈希次数）会越来越高。

能源消耗

密码学货币的批评者总是说：比特币的 PoW 是垃圾，要不了几年（比如 2020），世界就会被比特币毁掉！你可能也注意到了，大部分宣扬 「世界末日」 的文章都基于 Alex De Vries 的一个分析。此人是一位 「金融经济学家和区块链专家」，供职于普华永道荷兰公司，是 Digiconomist 网站的作者。他的预估已经受到了许多公正的批评，要点正在于其糟糕的能源消耗计算公式。他所选择的关键指标 「单笔交易的平均电力消耗量」 也是有意误导读者的，原因如下：

• 能源消耗是以区块数为单位的，而一个区块内有多少笔交易是不确定的。打包更多交易并不意味着需要消耗更多能量

• 单笔比特币交易的经济密度（economic density，或可译为 「经济价值」）也在不断提高（有批处理交易、Segwit 技术、闪电网络，等等）。因为比特币日益成为一个结算网络，每一单位的能量所保护的经济价值也在成倍增长

• 单笔交易的平均能量消耗不足以衡量比特币的 PoW 机制的效率，应该根据经济历史的安全性来定义。能源消耗保护了已经挖出的比特币，而随着通胀率的下降，这个比例会越来越低（译者注：不确定此处的 「比例」 指的是什么，如果说是已挖出的比特币数量与其理论**数量的比值，应该是不断提高的）。一枚比特币 「累积」 了所有区块在挖出时所花费的能量。一位研究员 LaurentMT 通过实证研究证明：比特币的 PoW 会变得越来越高效，因为增加的成本会被系统所保护的总价值的更大增长抵消。

现在我们知道了能源消耗的 ROI （投资回报率）的正确 KPI 应该是什么。我们来看看比特币的 PoW 的能源成本的变动趋势。

ASIC 效率的增长幅度在放缓。因为效率增长缓慢，我们依据Maker之间的竞争会变得更激烈，因为利润在减少。

UCSD.edu

bloomberg.com

挖矿的总成本将持续从 ASIC 设备的前期获得成本（资本支出）转向持续付出的能源支出（运营成本）。因为挖矿中心的物理位置对比特币网络来说无关紧要（矿场是可以迁徙的），矿工会迁移到能够以**的边际成本生产额外电力的地区。从长期来看，这有可能会创造出更高效的世界能源市场，因为比特币矿工会在全球范围内做电力价格的套利。比特币的挖矿的成本会变成超额电力的***值。这也有望解决可再生能源（比如氢能和沼气）的一个问题：功率是可预测的，而且如果不立即使用就会浪费掉。在未来，比特币挖矿可以帮助可变输出功率的可再生能源 —— 能量Maker可以按需打开矿机，将额外的功率转化为比特币。

铝在以前也是有具有富余可再生能源的国家（比如冰岛） 「出口」 电力的常用手段。冶炼铝土矿（bauxite，也即是铝矿石）需要消耗巨大的能量，而且这种转化是单向的（是不是跟哈希函数很像？）。围绕着铝的 「反常的」 能源消耗，同样的担忧已经持续有 40 年了，从 1979 年就开始了（也包括对中心化的担忧）。但所有此类企业都在这颗星球上不断寻找便宜的能源和优惠政策。因为铝制造业已经发展了几十年了，所以每千克铝所消耗的电力度数也在不断降低。

energy.gov

「这张全球的能源网络解放了闲置的资产，并使新的资产得以出现。想象一张 3D 打印的世界地图，其中能源价格较低的地方地势就低，而能源昂贵的地方地势就高。在我看来，比特币挖矿就像是把一杯水倒在这张地图表面，水会在低谷和缝隙间流淌，直到各处成一水平。」

—— Nic Carter

比特币是所有电力的**买家，这会创造一个平台，激励大家围绕未被利用起来的能源开发新的利用方案；这些能源，倘无比特币，本身就不会被开发。

「什么时候，用于生产 PoW 的能量不会再增长呢？准确来说，那就是有足够多的能量Maker开始直接生产 PoW，而运行 PoW 的每度电的边际回报 = 向电网出售一度电的边际收益时 —— 也就是 PoW 的 ‘溢价’ 降到 0。我把这个均衡点称为 ‘中本聪’ 点。我估计，当 PoW 的电力消耗占到全世界的 1～10% 时，这个均衡点就会到来。」

—— Dhruv Bansal

一些人抱怨比特币挖矿就没 「干点有用的事」，比如寻找质数。虽然给做功的人加入次要奖励项目听起来是个好主意，但却引入了一种安全风险。把奖励分割开来可能导致一种情况，就是 「为次要功能做功比为主要功能做工可得到更大的价值」（Dergigi）。即使次要功能是无害的（比如发热），每 X 次哈希运算预期不仅能得到 100 美元，还能得到额外的 5 美元（因为你提供了热量），这一 「挖矿暖炉」 也不过是提高了硬件效率，导致出块难度的提高和单位区块所用能源的提高。好在，比特币永远不会遇到这个问题，因为其安全性是由纯粹的工作量证明算法来保护的。

注意：比特币已经在给这个社会提供非常有用的东西了（如果没有，那挖矿也不会赚到钱），而要求矿工完全出于利他心去挖矿，也是不理性的。

相对成本

不管干什么，都要消耗能量（热力学第一定律）。你要说能量的某种用途更多或更少浪费，这完全是自以为是，因为所有用户都要支付同样的价格才能使用电力。

「只要人们发现了值得付出电价的用途，电力就不算是浪费。那些付出电力的人获得了比特币作为回报。」 —— Saifedean Ammous

从热力学来看，整个宇宙是个**的封闭系统。比特币造成的额外电力消耗比现有的法币系统消耗的要少得多；法币系统不仅需要银行基础设施，还需要暴力和政治机器。而利用电力来保护金融系统的骨架是一个 「正和」 的结果。在下面，我粗略地比较了现有的金融、军队和政治系统（注释在文章底部）。

图表的灵感来自 @hasccook 和他的原创文章：「Economic and Environmental Costs of Bitcoin Mining」。

I 文明

在追逐便宜能源的路上，我们将为世界创造更大的富足。比特币，通过利用这些新的、完全不同的能源，不仅能把我们带到 Kardeshev I 经济阶段，甚至能让我们更接近 Kardeshev I 能源文明（我们已经实现了约 0.72 的 Kardeshev 指数）（译者注：Kardeshev 是一位前苏联的天文学家，提出以文明可以利用的能源量级来评价其先进程度。I 文明可以利用所在故乡行星的所有可用能量。）有了比特币挖矿作为激励，我们实现 I 文明所需的时间可能从 200 年缩短到几十年。而一旦抵达了 I 阶段，就更不需要约束能源消耗的增长了，每个人都能享受到更高的生活水平。

寻找便宜电力的压力会推动人们建造核聚变反应堆。大自然为我们指明了方向，行星正是以恒星的核聚变为能量来源。人类已经走在建造核聚变反应堆来模仿自然的路上，预计还需要投入几十年、800 亿美元的研究经费，才能解锁核聚变科技。而核聚变的燃料（主要是氘）在大海中随处可得，可以满足地球的能源需要达几百万年。核聚变具有可再生能源的许多特点，比如可以作为长期的能源供应，而且不会造成温室效应和空气污染。核聚变可以提供非常高的发电密度和不间断的电力传输。另一方面，核聚变的生产成本也不会受到规模不经济的制约。水力和风能都会因为**的位置被开发而必须逐步铺设到不那么理想的环境中去。但即使大量制造聚变站，生产成本也不会增加太多，因为原材料（海水）非常富足而且到处都有。

「水啊水，全是水，可是没有一滴能喝。」

—— Samuel Taylor Coleridge

核能和其它便宜能源会解决许多人道主义问题比如洁净水的短缺。我们周围都是海水，但淡化海水需要付出巨额的能量。淡化海水的成本现在高于使用淡水、地下水、水循环和节水技术。

人类不会停止探索，上至高山，下至海底，微小至原子，博大至时空；要成长，不要被能量束缚。我们要摘星揽月。

一个每年能结算 1.38 万亿美元支付额的系统，还能给我们所有人带来更便宜的能源，难道还不值得大家在挖矿上花费 45 亿美元吗？我认为答案是肯定的。

来源链接：www.danheld.com