比特币挖矿是保持比特币系统正常运行和繁荣的支柱。它基于一种称为分布式工作量证明 (PoW)的治理机制，旨在激励参与并促进比特币网络的增长、安全和去中心化。
比特币发行被认定为采矿，因为它让人想起开采黄金和其他矿物，即使没有在地下深处或洞穴中挖掘。简而言之，可以解释为新的比特币进入流通，并向比特币时间链（也称为区块链）添加新交易的过程。
这两个看似简单的表现是可能的，因为一个强大的计算系统按照严格的比特币协议和治理运行，以创建我们今天所知的稳固、去中心化和创新的货币系统。
本文解释了这种技术和经济结构是如何运作的，同时试图用准确的数据和可靠的推理 来揭穿人们对其能源消耗的误解。
比特币挖矿创建新区块并将它们添加到遵守预定义规则的分类帐中。网络的参与者节点必须同意由加密地址公开识别的用户是比特币余额的合法所有者。
矿工为比特币网络执行协调功能，在传统支付系统中，该功能由受信任的中介机构（如银行或任何其他金融机构）执行。
为了消除对受信任第三方的依赖，比特币需要防止资金被双重花费或被其所有者以外的任何人花费。
使用数字签名是 20 世纪 70 年代的密码学发明，可防止未经授权的用户花费他人的钱。私钥-公钥对是所有权的有力证明，只允许私钥持有者花费或移动比特币。
然而，数字签名本身并不能确保作为付款收到的比特币没有在其他地方花费（双重支出问题）。
为了解决这个问题，中本聪使用Adam Back 的基于哈希的 PoW来允许交易按时间顺序排列到块中，并且网络通过追求最长的块链来就分类帐的当前状态达成一致。
这种机制可以保护区块链免受攻击，因为只有在恶意行为者重做所有前面区块的 PoW 时，交易才会变得可逆。鉴于新区块不断添加到链中，这些参与者几乎不可能赶上。
挖矿需要使用类似于数据中心的系统将巨大的努力转化为大量的计算。专用集成电路 (ASIC) 计算机被用来为矿工提供计算能力，他们竞争成为第一个将下一个区块附加到区块链、发行新硬币并使加密货币的网络值得信赖的人。
挖矿通过确保只有当足够的计算能力被提交到包含它们的块时才确认交易来创建信任。链中生成的块越多，创建的信任度就越高。
矿工添加可变数量的交易，这些交易被捆绑在一个区块中。一个区块中没有固定数量的交易，因为它取决于它们存储的数据，因此每个区块可以包含一个到数千个交易。通过每四年发生一次的减半（又名减半）事件，要发行的比特币数量是固定的并随着时间的推移而减少。
就像黄金或任何其他矿物需要艰苦的体力劳动才能开采并进入流通一样，比特币需要艰苦的计算工作才能发行。这种计算工作是确保其安全性的必要步骤。
为什么以及如何？作为时间链中的数字数据，比特币容易被复制、伪造和双重支付。挖掘比特币所需的计算工作成本如此之高且资源密集，以至于恶意行为者更有动力花费这些资源来挖掘比特币，而不是试图破坏它。
而且，这是发行新比特币所需的必要过程。如果挖矿停止，仍有数百万比特币在流通，网络仍将运行。然而，奖励给矿工的经济激励能够实现一个系统，否则该系统将显示为未完成的业务。
比特币依靠数万个节点（计算机）的点对点网络来运行、挖掘和用户节点。这些节点是支付网络的基础，该网络每年在全球范围内转移数万亿美元，而无需中央实体的协调。
当中本聪在 2009 年推出比特币时，运行比特币节点和挖掘比特币之间几乎没有什么不同。因此，节点运营商和矿工被确定为网络中的相同参与者，因为许多在其计算机上运行节点的用户也可以在这些相同的处理器上开采比特币并从中获利。
比特币挖矿是一种 DIY 工作，与近年来发展起来的挖矿业相去甚远，它随着比特币的价格和挖矿的动力而蓬勃发展。
比特币和大多数其他加密货币之间最显着的区别之一是没有预挖比特币（在项目启动之前发行的硬币）。事实上，中本聪在开采比特币之前就启动了网络，因此他无法比任何想参与该系统的人有任何优势。
网络于 2009 年 1 月 3 日启动后，他开采了第一个区块，标识为创世区块或区块 0，其中包含 50 个比特币。作为当时比特币网络上唯一的矿工，中本聪使用普通的个人电脑创建区块。
比特币网络的硬件在短短十年内经历了快速的技术发展。生成新比特币和在区块链上添加新交易所需的采矿设备对网络的成功起着根本性的作用，因为它决定了矿工经营此类业务是否有利可图。
在比特币的早期，节点运营商和矿工使用称为中央处理器（CPU）的类似硬件执行非常相似的操作。创世块几乎可以肯定是由一台使用其 CPU 的计算机开采的。
CPU 控制计算机命令的处理和执行方式，由于比特币早期缺乏矿工竞争，创建新区块和获得挖矿奖励所需的少量计算能力可以在 CPU 设备上轻松执行。
资料来源：Glassnode
一旦比特币在 2011 年开始增值，先是达到 1 美元，然后是每枚硬币 30 美元，挖比特币的竞争变得更加激烈，于是采用了图形处理单元 (GPU) 挖矿。GPU 最初是为游戏应用程序而构建的，设计用于同时进行许多数学计算，并且比 CPU 快得多。
2012 年，现场可编程门阵列 (FPGA)，一种介于快速可编程处理器和专用 ASIC 之间的中间步骤，一直被使用，直到 ASIC 出现并主导比特币挖矿直到现在。
专用集成电路 (ASIC) 于 2013 年开始用于比特币挖矿。它们是为特定应用程序定制的，而在比特币中，这些芯片是定制的，仅用于执行SHA-256 哈希。它们比 GPU 快几个数量级。如今，ASIC 挖矿是唯一经济可行的比特币挖矿技术。
挖矿包括以下步骤，这些步骤在连续循环中执行：
如果找到工作证明问题的解决方案，新块将添加到本地区块链并广播到对等网络。
资料来源：https ://drive.google.com/file/d/1_R1hO8719NLSqUpwPha6Ohs98YTi1fU0/view
工作量证明是比特币网络的核心。没有它，每个网络参与者都可以根据自己的利益修改区块链。没有中央集权机构解决争端，PoW 保证网络继续正常运行。
工作量证明机制有两个目的：它确保每个参与者共享相同的区块链副本，并且资金不会被多次花费，这是没有中央协调实体的支付网络的一个已知问题。
比特币的 PoW 算法采用散列函数，这是一种单向数学运算，可将一串数据转换为固定长度的数字，称为散列。即使是对数据的微小更改（如逗号）也会导致哈希值的完全修改。
比特币依赖于 SHA-256，它输出一个 256 位长的值，由国家安全局于 2001 年创建。因此，它也被认为非常安全。
矿工通常使用以下连续执行的程序搜索可接受的区块：
如果区块头的哈希值不小于目标值，则该区块将被网络拒绝。找到哈希值足够小的区块就是 PoW 问题。
比特币的难度调整和奖励减半是比特币程序化供应体系的基础。平均而言，比特币网络被设计为每十分钟创建一个区块。中本聪特别选择此功能作为快速确认时间与由于链分裂和无效块而浪费的工作量之间的权衡。
这是通过难度调整来处理的，定期调整块的哈希目标值。随着越来越多的矿工加入，区块创建率将会上升。随着块创建率的上升，挖矿难度上升以进行补偿，将块创建率推回其设计的 10 分钟平均值。
资料来源：Glassnode
实际上，对于每 2,016 个区块（通常每两周生成一次，每个区块需要大约 10 分钟的时间来确认），比特币节点会根据挖掘最后 2,016 个区块所花费的时间相应地计算一个新的难度。
创世块的难度仅为 1，这意味着它很可能是立即开采的。相比之下，现在的区块挖矿难度为30 万亿，并且还在增长。这一措施表明，在找到有效区块之前，它需要高度专业化的ASICS 挖矿硬件平均执行超过 30 万亿次哈希才能保持竞争力。
解决 PoW 问题需要大量的计算能力，需要大量的资金。为鼓励参与者将资源投入挖矿，比特币为每个成功挖出的区块提供两种奖励：区块奖励（补贴）和交易手续费。
根据比特币的算法，区块奖励每 210,000 个区块减半（大约每四年一次），目前固定为每个区块 6.25 个比特币。
奖励减半确保比特币的生产在中期稳定，但在长期内完全耗尽，从而保证比特币的供应量最终受到限制。
出于这个原因，比特币通常被认为是世界上“最硬的资产”。自 1900 年以来，即使黄金供应量每年以 1% - 2% 的速度增长，也无法保证其增长率可能会增加或减少，这与比特币的不可变程序化供应量不同。
最终，当到 2140 年达到 2100 万比特币的上限时，奖励将完全下降。之后，块挖掘将仅通过比特币用户支付的交易费用作为奖励，以激励矿工将他们的交易包含在块中。
资料来源：NYDIG，Glassnode
有两种选择可以参与比特币挖矿。你可以在家挖矿，也可以将挖矿外包给公司。这两种选择都有优点和缺点，无论您选择哪种选择，尽可能严格地熟悉比特币挖矿同样重要。
虽然比特币挖矿主要由资金雄厚、拥有装满设备的大型仓库的公司主导，但个人仍有可能在家中成功挖矿。话虽这么说，挖矿是一个专业行业，需要足够的专业知识、负担得起的 ASIC、冷却系统、低成本和稳定的电力来源，以及可靠的互联网。
因此，在开始在家挖矿之前，请确保您已经考虑了所有的优点和缺点，以避免犯下代价高昂的错误。
如果您可以勾选所有必要的方框，您可以考虑在家挖比特币——KYC 免费。如您所知，比特币开采需要大量能源，会产生大量余热。反过来，这些热量可以用来为您的家供暖，这是一个很好的次要好处 - 如果您可以利用它。
阅读更多 >>在家挖比特币指南
当我们考虑在家挖比特币时，有两种方法可供选择——Solo 和 Pooled。
单独挖矿或 DIY 挖矿是指参与者在不加入矿池的情况下使用他们的专用硬件单独搜索区块。与贡献计算能力和资源来开采比特币的联合矿工相比，独立矿工是自给自足的；他们不依赖任何其他方来开采。
独立矿工只有在他们亲自找到一个区块时才会获得报酬，获得奖励总额加上任何交易费用。如今，这一结果绝非易事，因为可能性很大。
只有当难度阈值足够低以至于找到新区块相对容易时，这种类型的挖矿才是有效的。不过，最近，自挖趋势成为新闻，2022 年 1 月，一名独立矿工排除万难，仅用 120 TH 就找到了一个有效区块，当时赚取了价值约 26.5 万美元的比特币。
如今，人们普遍认为单人挖矿对比特币来说是无利可图的，因为它几乎不可能获得区块奖励。不过，例如，在使用 ASIC 机器为您的房屋供暖时，它仍然有助于支付日常开支。此外，单独挖矿是参与非 KYC 比特币的最佳方式。
如果你被设置为独立矿工，但收效甚微，则可以考虑加入矿池。
联合挖矿是个体矿工将他们的哈希算力结合起来进行挖矿的一种方式，就好像他们是一个大矿工一样。
矿池是由第三方组织和运营的去中心化团体，用于协调来自世界各地矿工的算力，然后根据贡献给矿池的算力按比例分享任何产生的比特币。联合矿工可以赚取相对稳定的收入，而不是希望有一天能赚到巨额的工资。
选择比特币矿池对矿工来说可能很困难。有许多选项可供选择，而且定价历来非常不透明。选择矿池的最佳建议是尝试多种选择并进行一些自己的测试。
下面列出了一些最大的矿池：
阅读全文 >>联合挖矿指南
大型比特币挖矿业务通常是最成功和最有利可图的。您的小型家庭设置可能无法与这些老练的运营商相提并论。这些公司拥有比家庭矿工更多的可用资源——因此您可以考虑投资或购买这些专门从事比特币挖矿的专业公司的算力。
与公司一起挖矿通常有三种选择：
但是，需要权衡取舍，因为您可能需要提供 KYC 信息并收取服务费。此外，您无法控制公司的方向，这使您很容易受到他们糟糕决策的影响——可能使您的投资面临风险。因此，在您考虑投资矿业公司之前，您必须进行研究以权衡您的选择。
矿业公司的一些例子：
比特币开采在全球大多数司法管辖区都是合法的。然而，由于其高强度的电力消耗，一些国家已经禁止开采比特币。在某些情况下，加密货币被认为对政府及其当地货币控制构成威胁。
这些国家包括阿尔及利亚、尼泊尔、俄罗斯、玻利维亚、埃及、摩洛哥、厄瓜多尔、巴基斯坦、孟加拉国、中国、多米尼加共和国、北马其顿、卡塔尔和越南。
比特币挖矿被视为常规业务，因此作为普通收入征税。作为一般规则，如果开采的比特币随着时间的推移以增加的价值出售，也必须支付资本收益。
比特币挖矿通常是有利可图的，尽管其回报在很大程度上取决于一系列因素，例如电力成本、ASIC 挖矿设备的价格和冷却费用。此外，比特币价格下跌可能导致矿工利润率下降。
以美元计算，矿工获得的比特币数量乘以当前价格取决于区块奖励。考虑到 20,000 美元的平均价格和 6.25 个比特币的区块奖励，到 2022 年，矿工每个区块将赚取 125,000 美元。
比特币的挖矿难度越来越大，考虑到比特币推出时的挖矿难度为 1，而目前的难度水平约为 30 万亿。这个数字意味着ASICS 挖矿硬件平均需要执行超过 30 万亿次哈希才能找到有效区块以保持竞争力。
开采 1 个比特币平均需要 10 分钟。然而，目前，随着比特币的开采，另外 5.25 BTC 也将被开采。这是因为比特币是在新区块成功添加到区块链时被开采的，目前区块链产生 6.25 BTC，平均需要 10 分钟。到 2028 年，可能只能通过区块编号 1,050,000 开采接近一个比特币，届时区块奖励预计约为 1.56 BTC。尽管如此，开采该区块平均需要 10 分钟。
说实话，比特币挖矿为电力行业提供了一个新市场，挑战了长期以来通过电网限制发电的概念。这一新机会揭示并激励了全球可再生能源实现重要无碳电力生产的潜力。
很快，比特币开采将成为丰富、清洁能源未来的关键。让我们探讨如何以及为什么。
太阳能和风能发电能力是这一推理的关键，因为比特币网络可以充当此类可再生能源的独特能源买家，促进全球向清洁能源生产和储存的过渡。
随着太阳能和风能变得越来越便宜，比特币矿工倾向于使用它，因为他们通常选择电力更便宜的地方以更具竞争力并确保他们的业务保持盈利。
太阳能和风能成本现在甚至比化石燃料便宜。事实上，它们目前分别为 3-4 美分/千瓦时和 2-5 美分/千瓦时，而煤炭或天然气等化石燃料的成本约为 5-7 美分/千瓦时。
然而，与天然气或核能相比，太阳能和风能间歇性是一个重大缺点。由于只有白天才有阳光，风也变幻莫测，因此它们的能量生产可能非常丰富，也可能微不足道。
比特币挖矿是一种可行的技术解决方案，可提供更高的传输和能量存储容量以克服间歇性。通往无碳能源生产的道路已经成型，新的采矿设施落户在自然资源广泛可用的地方。
例如，西德克萨斯州提供了过多的风能和太阳能，这已经促使比特币矿工涌入该地区以利用巨大的机会。
水电是比特币矿工开发的另一种基本自然资源，水电资源丰富。例如，在挪威，该国 100% 的电力来自可再生能源，这为比特币矿工提供了理想的地点，他们可以享受具有成本效益的电费和适合设备冷却的气候。
根据剑桥替代金融中心 (CCAF) 的数据，比特币目前每年消耗大约 87 太瓦时，相当于全球电力生产的 0.55%，或马来西亚和瑞典等小国每年的能源消耗。
虽然这可能会引起比特币批评者的警觉，但整体注意力应该集中在碳排放水平而不是消费上。这是一个关键的区别，因为比特币可以消耗全球的电力，但如果它 100% 来自可再生能源，它对碳排放的影响可以忽略不计。
确定比特币耗电量很容易估算，只需查看其在规定时期内 的哈希率即可。
另一方面，主要问题是确定比特币挖矿的碳排放量，一些因素使得这项任务在不知道所使用的确切能源组合的情况下更难执行。
由于各种原因，矿工在提供挖矿数据方面具有典型的沉默寡言。由于比特币节点的匿名性，我们通常甚至没有关于世界某些地区矿工存在的数据。当我们知道时，我们可以根据该地区的能源资源猜测他们的碳影响。
由于数据如此不准确，对使用可再生能源进行比特币挖矿的百分比的估计可能会有很大差异。
比特币矿业委员会估计，2022 年第二季度全球采矿业的可持续电力结构为 59.5%，从 2021 年第二季度到 2022 年第二季度同比增长约 6%。
2019 年，Coinshare 发布了一份报告，表明比特币 73% 的能源消耗是碳中性的，这主要是由于中国西南部和斯堪的纳维亚半岛等主要采矿中心拥有丰富的水电。
2020 年，CCAF 估计这一数字接近 39%，这表明仅考虑能源消耗很难成为确定比特币碳排放量的可靠方法。
对辩论更有好处的是，我们是否认为开采比特币是一项有价值的活动来利用能源。根据对比特币所代表的替代货币体系的升值程度，这里的大门可以展开广泛的、有时甚至是激烈的讨论。
我们已经提到，必须明确区分开采和使用比特币的能源与比特币实际消耗能源的方式。
许多比特币批评者可能会提到比特币的每笔交易能源成本非常高，尤其是与其他支付系统交易相比。
实际上，他们毫无头绪，那只是攻击比特币的另一种方式。比特币的绝大部分能源消耗发生在挖矿过程中。一旦发行了硬币，验证交易所需的能量就很少了。
许多人通过将其除以交易数量来计算迄今为止比特币的总能耗。然而，这并不能提供准确的观点，因为大部分能源都用于开采比特币，而不是用于支持交易。
我们可以向前迈出一步，声称比特币是最终的“现金”结算层，不需要可信方。流行的支付网络，如 PayPal 或 Visa，不提供银行间的即时不可逆结算。
所有传统的零售支付系统都基于一个复杂的多层结构，可能需要长达六个月的时间才能完成交易除了冗长之外，在这么长的时间内浪费了多少能源？这就是为什么比较不能被视为有效的原因。
将比特币挖矿从“环境灾难”叙述转变为减少二氧化碳排放的有益援助的机会是真实存在的，并且已经展现在我们眼前。
不断探索新出现的方法和自然资源，例如释放海洋能源，以 2 至 8 太瓦的持续清洁能源造福全球多达 10 亿人。
页面更新：2024-05-13
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