重新思考比特币 PoW 机制：它真的浪费能源吗？

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，最后，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，我们发明出了大型机械，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，工业领袖如亨利·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（无可伪造的奢侈浪费）。

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最大数量的比值，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，我们依据制造商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最低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最低价值。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 —— 能量制造商可以按需打开矿机，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最后买家，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制造商开始直接生产 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，整个宇宙是个终极的封闭系统。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 @hassmccook 和他的原创文章：「Economic and Environmental Costs of Bitcoin Mining」。

I 型文明

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 型经济阶段，甚至能让我们更接近 Kardeshev I 型能源文明（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 型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 型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最佳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

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