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比特币挖矿发展的过去与未来

掘金K • 4 6 月, 2022 2:24 上午 • 7×24快讯

以比特币（BTC）为首的数字货币，近年正式进入主流商业及金融投资世界。对参与市场的机构与散户投资者而言，数字货币的供求关系对交易及投资决定影响重大。在比特币的供应方面，则是以其挖矿（mining）机制最为关键。

以下将探讨比特币挖矿机制的发展历程、以及未来方向。

采用工作量证明（Proof-of-Work，PoW）机制的比特币（BTC），不依赖任何中心组织或机构发行，而是透过大量运算产生，任何人都可以设置挖矿设备、连接网络而进行挖矿— 相当于开采石油、黄金，不过比特币挖矿过程，并非动用大型器械在户外进行，而是透过电脑运算程序进行。

简单而言，比特币挖矿是大家争相用电脑运算，解决一条特殊的数学题。最快算出正确答案，就有权将交易记录到新区块，然后得到比特币作为奖励，比特币就借此机制不断被生产出来。运算力愈高，自然有较大机会可以最快算出正确答案。

值得一提的是，按比特币设计机制，为维持生产区块的时间一致（约10分钟），比特币挖矿的运算「难题」，其难度会因应参与挖矿的运算力而自动调整—愈多运算力参与挖矿，挖矿难度就愈高。

从2009年中本聪使用电脑的中央处理器晶片（CPU），挖出第一批比特币（亦称「创世区块」），到当前主流的数字货币，单一个人矿工的设备基本已经无法挖到，挖矿对于运算力的要求愈来愈高。挖矿由最开始的 CPU 挖矿、过渡到图像处理器（GPU）挖矿，然后演变到最新的专业矿机（ASIC）挖矿时期。

CPU（个人电脑）挖矿

2009年1月3日，中本聪使用个人电脑的中央处理器晶片（CPU），挖出第一批的50枚比特币（亦称创世区块）。在比特币发展初期，挖矿难度较低，大部分矿工使用个人电脑的 CPU 挖矿即可。

在美国电视剧 The Big Bang Theory（《宅男行不行》），角色之一的 Sheldon，早年就曾使用 Howard 的旧笔记簿电脑挖矿比特币。

在此时期，大部分个人电脑直接挖矿的收益都大于成本（包括挖矿产生的电费、机器设备的耗损等）。有报道指，当时大部分人都可以用个人电脑，一周内挖出数百枚比特币。

GPU（个人电脑）挖矿

随着挖矿难度上升，加上比特币奖励减半的设计机制，普通的 CPU 运算速度，已经无法满足难度上升的挖矿算法。于是在2010年，第一款专为使用电脑显示卡挖矿而设计的软件发布面世。

由于 GPU 的运算能力较高，一张显示卡中的图像处理器（GPU）运算力，相当于数十个 CPU 并行运算，挖矿效率将会大幅提高。于是，很多人开始转往用 GPU 挖矿，改变 CPU 挖矿的旧有模式，并且开始自行组装一张或者多张高级显示卡、组成挖矿设备。

FPGA 与 ASIC 专业矿机

随着愈来愈多人加入挖矿行业，比特币整体网络使用的运算力持续创新高，高级插件组装式的挖矿设备就应运而生。 FPGA（Field Programmable Gate Array）挖矿机、与专用集成电路（ASIC）矿机在市场上崛起。中国第一部 FPGA 矿机在2011年出现，由号称「矿机教父」的张楠赓（「南瓜张」）制造、称为「南瓜机」。但是，由于 FPGA 矿机的耗电量太高，此潮流只维持了大约半年，FPGA 矿机便遭市场淘汰。

浅谈无常损失(Impermanent Loss)及其避险方式

那到底什么是无常损失？先来个小测验假设有一个农具ALT（现价1 ALT =100 USD），进Uniswap 流动池后质押LP token 能获得ALT作为奖励。试问：当币价下跌36%后退场，无常损失多少？

2012年，第一间 ASIC 矿机厂商蝴蝶矿机面世，初期，ASIC 矿机的运算力，大约是显示卡挖矿的200倍，但耗电率则相差不大，很快在市场上大行其道。而 ASIC 矿机就迅速发展，成为第3代比特币矿机，并且在挖矿晶片技术方面不断创新进化，晶片由最初110纳米、55纳米、28纳米、一路提升至14纳米。

2013年，张楠赓推出新 ASIC 矿机名为「阿瓦隆」，其后成立公司嘉楠耘智，专注矿机晶片开发。同年，矿机公司比特大陆（Bitmain）亦正式成立，翌年推出第一代蚂蚁矿机，在2016年推出蚂蚁矿机 S9，内置189枚 ASIC 晶片。比特大陆的蚂蚁矿机，与嘉楠耘智的阿瓦隆，经历比特币其后多年起伏，共同占据矿机市场至今，成为矿机行业龙头。

矿池（Mining Pool）

2010年，首个比特币挖矿矿池 Slush Pool 出现。在比特币挖矿市场，低算力矿工的挖矿优势愈来愈低，集中大批运算力资源的「矿池（Mining Pool）」，往后数年在市场上迅速冒起。相对于算力单薄的个人矿工，矿池成功挖矿的机会率明显较高，矿池的参与者能够分享的收益也就更多。矿池成功挖到一个区块，矿池中所有矿工都可以按算力贡献比例，分得奖励；当然矿池也会在过程中抽取手续费作为收入。

根据Blockchain.com，比特币整个网络动用挖矿的运算力，在2011年至2018年内，七年间录得以亿倍计的升幅；其后单在2018年至2020年两年内，算力再大增约10倍。至今，象征比特币总挖矿运算力的挖矿杂凑值（mining hashrate），达到每秒156 EH（即每秒进行156亿亿次运算）。

比特币挖矿，由最早期是每个人用自己的个人电脑（PC）挖矿，后来随着愈来愈多人参与挖矿、运算力持续上升，单打独斗的挖矿方式收益太低。于是，专业集合运算力的矿池迅速冒起，让矿工将自己的运算力设备接入到矿池联手挖矿。

比特币挖矿的未来发展

矿池

挖矿动用的运算力愈高，每秒就能进行愈多的运算、尝试「撞」中正确答案（一个随机数值），抢先找到正确答案、产产新区块、以及获得比特币奖励的机会也会更高。

近年，大型数字货币挖矿公司，在全球各地寻觅电费低廉的国家及地区，建设大型矿池，以节省挖矿耗电的成本。愈来愈多矿池出现，矿池之间的竞争愈趋激烈，类似于增加运算力的军备竞赛。挖矿自始成为需要专业技术、大规模营运的行业，由大集团寡头垄断。现在，即使拥有数部 ASIC 矿机，都几乎挖不到比特币了。

根据 Blockchain.com 数据，目前全球运算力首五位的矿池分别是：蚂蚁矿池（AntPool）、ViaBTC、币印矿池（Poolin，由原本 BTC.com团队建立）、F2pool、火币矿池（Huobi Pool）。自2017年起，比特币整个网络的挖矿运算力，约70%由位于中国的矿工（或矿池）提供。

云挖矿（Cloud Mining）

为了满足普通人参与挖矿的需求，云挖矿此创新模式，近年在市场上出现。云挖矿是指让用户可以遥距购买并使用，服务供应商的云算力来进行挖矿。用户只需向服务提供商，付费租用所需的运算力资源即可挖矿，毋须自行购买矿机及建立矿场。

GPU（个人电脑）挖矿

散户矿工运用显示卡挖矿，并未被完全淘汰。由于不同币种之间的挖矿演算法存在差异，在比特币以外，不少其他数字货币，在挖矿机制设计上仍然可以让矿工使用显示卡的 GPU 挖矿。于是，市场上仍有不少矿工，采用包括 AMD、NVIDIA 等晶片大厂生产的显示卡进行挖矿，而他们主要转往挖掘包括莱特币（LTC）等其他数字货币。当然，用 ASIC 矿工挖矿的矿工，也有针对其他数字货币调整设计，尝试抢占其他数字货币的挖矿市场份额。

量子电脑？

近年，不少科技及学术界人士提出，量子电脑（Quantum Computers）凭借其强大运算力，将会垄断比特币的挖矿市场，并且攻破其区块链安全技术保障。不过，量子电脑目前尚未达到大举应用的层面，实现之日未知。此外，量子电脑设置成本巨大，本身设计也非用于挖矿，用于挖矿的成本效益存疑 — 量子电脑是否能攻破比特币网络，尚未可知。

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