重新思考比特币 PoW：真的是浪费能源吗？

一个支付系统，每年结算 1.38 万亿美元，在挖矿上花费 45 亿美元，不值得吗？

原标题：《观点 | PoW 有效性》

作者：丹·赫尔德

译文：阿健

许多人认为比特币的工作量证明 (PoW) “浪费了电力”。我想了想给大家解释一下：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 的能耗与现有的控制系统相比如何。这篇文章融合了圈内许多人的原创想法——我所做的只是汇总、提炼和组合这些主张。

工作就是能量

“功”被认为是能量的单位，从法国数学家Gaspard-Gustave de Coriolis开始：他将energy定义为“完成的功”。

很久以前，经济活动所做的工作完全来自人力，而能源来自食物。

大约 100 万年前，人类偶然学会了使用火。因此，人类可以驱动更多的能量，因为我们不仅可以吃东西来保持温度，还可以从火中取暖。因此，这种额外的能量消耗提高了我们的生活水平。

数千年前，随着我们开始饲养牲畜，我们的能源消耗进一步增加。动物可以代替人类劳动力，前提是劳动力也必须有食物。我们需要大量的食物来满足这种精力充沛的需求，但有了它，我们的生活更加繁荣。

在过去的几百年里，我们发明了可以自行工作的大型机器。一开始，能源来自水流、风，后来变成煤、天然气等更便宜的东西，现在是核能（核聚变/核裂变）。无论是机械还是生物，都是靠消耗能量来做功的。

我们的经济生活不是建立在金钱上，而是建立在工作和精力上。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；运输货物需要能源；生产产品需要能源；做饭需要能量；甚至冰箱和冰柜也需要能源。在自由市场中，每种商品的单位成本反映了制造该产品单位所需的能源。因为自由市场鼓励人们生产优质而廉价的商品，制造过程中每种商品的能源消耗被最小化。金钱是生产商品和服务所需工作的代表，因此也可以被认为是储存的能量。

20世纪上半叶，亨利·福特、托马斯·爱迪生等工业领袖以“元”或“能源单位”（商品货币/能源货币）来代替黄金和美元。这一概念在当时很流行因为它们还具有健全货币的一些特征，包括：统计单位可以精确定义、易于测量/难以伪造、可分割成更小的单位、同质化（即每个单位与其他单位没有区别） . 然而，能源币也有缺陷：难以转移、难以储存。

“对于男人和女人来说，渴望某样东西，你只需要让它变得难以得到。”

——马克吐温

时间快进到 2008 年 10 月 31 日，中本聪发表了比特币白皮书。比特币中使用的工作量证明最初是作为防御电子邮件攻击的一种手段而发明的。直到后来中本聪才将其用于数字货币。简而言之，PoW 挖矿是使用专用机器（如 ASIC）将电能（通过区块奖励）转换为比特币。机器重复哈希操作（猜测和投票），直到它解决密码难题并收到比特币（块奖励）。这个密码学难题的证明是矿工花费了大量的能量（以 ASIC 和电力的形式），证明矿工确实工作了。比特币具有类似资本家的投票机制，“用真钱冒险获得投票权”，消耗能源并使用 ASIC 生成哈希（投票）。 —— 阮雨果

中本聪在设计 PoW 时，从根本上改变了人类共识的形成机制，将政治选票变成了不相关的选票（哈希值），依靠能量转化。工作证明也是消耗的证明，或能源已被消耗的验证。那么重要的地方在哪里呢？问题是，这是在数字世界中验证物理世界中事物的最简单和最公平的方式。 PoW 是关于物理的，而不是代码。比特币是一种超级商品，由能源铸造而成，是整个宇宙的基础商品。 PoW 将电力转化为数字黄金。

当且仅当比特币的账本难以制造时，比特币是/是不可变的。工作量证明“非常昂贵”，是的，但它是一个功能，而不是一个缺点。直到今天，“保卫”这个词仍然意味着围绕着那个有价值的东西建造一堵厚厚的物理墙。加密货币的新世界不那么直观，没有明显的墙壁来保护我们的钱，也没有门和锁。比特币的公共分类账受到其积累的哈希算力的保护，这是它用于建造隔离墙的总能量。昂贵且透明的设计意味着拆除墙壁需要相同数量的能量（不可伪造的奢侈）。

译者注：这其实并不严谨。拆除 PoW 墙只需要相同数量的哈希，不一定需要相同的能量，因为机器的计算效率（单位能量输入产生的哈希数量）会越来越高。

能源消耗

加密货币的批评者总是说：比特币的 PoW 是垃圾，再过几年（像 2020），世界将被毁灭）比特币就毁了！您可能已经注意到，大多数宣传“世界末日”的文章都是基于荷兰普华永道的“金融经济学家和区块链专家”、Digiconomist 网站的作者 Alex De Vries 的分析。他的估计受到了很多公正的批评，主要是因为他们的能耗计算公式很糟糕。他选择的关键指标“每笔交易的平均用电量”也是故意误导读者，原因如下：

现在我们知道能源消耗的 ROI（投资回报率）的正确 KPI 应该是多少。我们来看看比特币PoW的能源成本趋势。

ASIC 效率的增长速度正在放缓。由于效率增长缓慢，我们认为由于利润在萎缩，制造商之间的竞争会更加激烈。

UCSD.edu

bloomberg.com

采矿的总成本将继续从 ASIC 增加设备的前期购置成本（资本支出）转向持续的能源支出（运营成本）。由于挖矿中心的物理位置与比特币网络无关（矿场可以迁移），矿工将迁移到以最低边际成本产生额外电力的区域。随着比特币矿工在全球范围内套利电价，从长远来看，这有可能创造一个更高效的世界能源市场。开采比特币的成本将成为过剩电力的最小值。这也有望解决可再生能源（如氢气和沼气）的问题：电力是可预测的，如果不立即使用就会浪费。未来，比特币开采可再生能源有助于实现可变输出功率——能源制造商可以按需开启矿机，将额外的电力转化为比特币。

铝业在过去也是可再生能源过剩的国家（如冰岛）“输出”电力的常用手段。冶炼铝土矿（也称为铝矿石）需要大量的能量，而且这种转换是单向的（类似于哈希函数？）。从 1979 年开始，围绕铝的“异常”能源消耗，同样的担忧已经持续了 40 年（包括对集中化的担忧）。但所有这些企业都在不断地在地球上寻找廉价能源和优惠政策。由于铝制造已经存在了几十年，每公斤铝消耗的电量也在减少。

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“这个全球能源网络解放了闲置资产，并使新资产得以涌现。想象一张 3D 打印的世界地图，其中能源便宜的地方地势较低，能源昂贵的地方地势较高。在我看来，比特币挖矿就像在这张地图的表面上倒了一杯水，水会流过山谷和缝隙，直到到处都是水平的。 ”

——尼克卡特

比特币是所有电力的最后购买者，它将创建一个平台，激励每个人围绕未开发的能源开发新的利用解决方案；如果没有比特币，这些能源就不会自行开发。

“用于生产 PoW 的能量何时不再增长？准确地说比特币交易需要电力吗，就是当足够多的能源厂商开始直接生产 PoW 时，运行 PoW 的每千瓦时的利润为 Return = 当向电网出售一千瓦时的电力的边际收益时——即“溢价” PoW 降至 0。我将这种平衡称为“Satoshi”点。我估计，当 PoW 的用电量占全球比特币的 1-10% 时，平衡点就会到来。”

——杜鲁夫班萨尔

有些人抱怨比特币挖矿并没有“做一些有用的事情”，比如寻找素数。虽然向工作人员添加二级奖励计划听起来是个好主意，但它会带来安全风险。拆分奖励可能会导致“在次要功能上的工作比在主要功能上的工作更有价值”（Dergigi）。即使次要功能是无害的（如热量），预计不仅每个 X 哈希 100 美元，而且额外的 5 美元（因为您提供热量），这个“矿炉”不过是提高硬件效率，从而导致产生块的难度增加和单位块使用的能量增加。幸运的是，比特币从来没有遇到过这个问题，因为它的安全性受到纯工作量证明算法的保护。

注意：比特币已经为这个社会提供了非常有用的东西（如果没有，那么挖矿就不会赚钱），并且要求矿工纯粹出于利他主义进行挖矿，也是不合理的。

相对成本

您所做的任何事情都会消耗能量（热力学第一定律）。说某些能源的使用或多或少是浪费是完全自命不凡的，因为所有用户都为用电支付相同的价格。

“只要人们发现值得花钱的用途比特币交易需要电力吗，电力就不会被浪费。那些支付电费的人会得到比特币作为回报。” — Saifedean Ammous

从热力学看，整个宇宙是一个终极封闭系统。比特币带来的额外用电量远低于现有法币系统；法定货币体系不仅需要银行基础设施，还需要暴力和政治机器。而使用电力来保护金融体系的支柱是一个“正和”的结果。下面，我对现有的金融、军事和政治系统进行了粗略的比较（注释在文章的底部）。

图表灵感来自@hassmccook 和他的原创文章：“比特币挖矿的经济和环境成本”。

第一类文明

在追求廉价能源的同时，我们将为世界创造更大的富足。比特币通过利用这些新的、不同的能源，不仅可以将我们带入卡尔德雪夫 I 型经济阶段，甚至可以让我们更接近卡尔德雪夫 I 型能源文明（我们已经实现了大约 0.72 卡尔德雪夫指数）以挖币为激励，我们实现I型文明所需的时间可以从200年缩短到几十年。而一旦达到I阶段，就不需要限制能源消耗的增长，大家都可以享受更高的生活水平。

寻找廉价电力的压力将促使人们建造聚变反应堆。大自然为我们指明了道路，行星利用恒星的核聚变作为能源。人类已经在建造聚变反应堆以模仿自然的道路上，预计需要数十年和 800 亿美元的研究资金来解锁聚变技术。核聚变的燃料（主要是氘）在海洋中随处可见，可以满足地球数百万年的能源需求。核聚变具有可再生能源长期供能等诸多特点，不会造成温室效应和空气污染。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，核聚变的生产成本不会受到规模不经济的限制。随着最佳位置的开发，水电和风电都必须逐渐安装在不太理想的环境中。但即使聚变站量产，生产成本也不会增加多少，因为原材料（海水）丰富，随处可得。

“水，水，所有的水，但不能喝一滴水。”

——塞缪尔·泰勒·柯勒律治

核能和其他廉价能源将解决许多问题 清洁水短缺等人道主义问题。我们被海水包围，但海水淡化需要大量能源。现在海水淡化的成本高于使用淡水、地下水、水循环和节水技术。

人类不会停止探索，上山下海，小如原子，大如时空；成长，不要被能量束缚。我们要摘星星和月亮。