重新思考比特幣 PoW 機制：它真的浪費能源嗎？

本文發布於以太坊愛好者，原文標題：《觀點 | PoW 有效率》，作者：Dan Held，翻譯：阿劍。

許多人都認為比特幣的工作量證明機制（PoW） 「浪費電力」。我尋思著跟大家解釋一下：其實一切都是能量，貨幣也是能量，對能量的評價是主觀的，最後，PoW 的能量消耗比之現有的管制系統如何。這篇文章混雜了圈內許多人的原創思想 ------ 我所做的不過是匯聚、提煉和組合這些說法 。

工作量（Work）即能量

「功（work）」 被當成能量的單位，要從法國數學家 Gaspard-Gustave de Coriolis 說起：他將能量定義為 「所做的功（work done）」。

很久以前，經濟活動中所做的功完全來自人力，而這些能量都來自食物。

大約 100 萬年前，人類偶然學會了使用火。結果，人類可以驅使的能量就變多了，因為我們不僅可以靠吃東西來維持溫度，還能從烤火中取暖。所以，這種額外的能量消耗提高了我們的生活水平。

幾千年前，我們的能量消耗進一步提高，因為我們開始畜養家畜。動物可以代替人力，前提是這些勞動力也必須有吃的。我們需要大量的食物來滿足這種能量上的需求，但我們的生活也隨之更加繁榮。

在過去的幾百年裡，我們發明出了大型機械，這些機械本身可以做功。一開始，能源來自水流、風力，後來變成了更便宜的東西比如煤炭和天然氣，現在則是核能（核聚變 / 核裂變）。不論是機械還是生物，都是靠消耗能源來做功的。

我們的經濟生活，也不是建立在貨幣之上，而是建立在功和能量之上的。我們生活中的一切，都與能源的價格密切相關。淨化水需要能量；運輸貨物也需要能量；製造產品需要能量；烹飪也不外如是；連冰箱和冰櫃，都需要能量。在自由市場上，每一種商品的單位成本，都反映了製造單位該種產品所需消耗的能量。因為自由市場鼓勵人們產出物美價廉的商品，所以每一種商品在生產製造中的能源消耗都是最小化的。貨幣是生產商品和服務所需要的功的代表，因此也可以認為是存儲起來的能量。

在 20 世紀上半葉，工業領袖如亨利·福特（Henry Ford）和托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）都有志於使用 「能量元」 或 「能量單位」（商品貨幣 / 能量貨幣）來取代黃金和美元。當時這個概念很流行，因為它們也具備健全貨幣的一些特點，包括：可以精確定義出統計單位、易於度量 / 難以偽造、可分割成更小的單位以及同質性（也就是每一單位都與另一單位沒有區別）。不過，能量貨幣也是有缺陷的：難以轉移、難以存儲。

「要讓男人女人們垂涎某個東西，只需讓那個東西難以獲得。」

------ 馬克·吐溫

時間快進到 2008 年 10 月 31 日，中本聰公開發表了比特幣白皮書。比特幣所用的工作量證明（譯者注：按上文，也可以翻為 「做功證明」）的發明初衷是作為抵禦郵件攻擊的手段。只是後來中本聰把它用到了數字貨幣中。PoW 挖礦，一言以蔽之，就是使用專門的機器（如 ASIC）將電能（經由區塊獎勵）轉化為比特幣。機器會重複執行哈希運算（既是猜測也是投票），直到解決一個密碼學難題並收到比特幣（區塊獎勵）。這個密碼學難題的證明了該礦工花費了許多能量（形式是 ASIC 以及電力），證明礦工做了功。比特幣有一個類似資本主義的投票機制，「以真金白銀承擔風險，來獲得投票權」，消耗能量、使用 ASIC 才能生產哈希值（選票）。------ Hugo Nguyen

在中本聰設計 PoW 時，他是在根本上改變人類共識的形成機制，把政治投票轉成無關政治的投票（哈希值），靠的就是能源的轉化。做功證明也是消耗證明，或者說對能量已被消耗的驗證。那它重要在哪？在於，這是在數字世界裡驗證物理世界事物的最簡單也最公平的辦法。PoW 跟物理有關，跟代碼無關。比特幣是一種超級商品，是靠能量鑄造出來的，是整個宇宙的基礎商品。PoW 把電能熔鑄為數字黃金。

當且僅當比特幣的賬本是難以製造的，它 才是 / 就是 不可篡改的。做功證明 「非常昂貴」，這沒錯，但這是一種特性，而非一個缺點。直到今天為止，「保衛」 一詞仍舊意味著造一堵厚厚的物理圍牆把那個有價值的東西圍起來。密碼學貨幣的新世界不那麼直觀，沒有摸得到的圍牆來保護我們的錢，也沒有門和門鎖。比特幣的公開賬本是靠著其集結起來的哈希算力，也就是它花在造牆上的總能量，來保護的。這一設計昂貴又透明，意味著若要拆除這堵牆，就要付出同樣多的能量（無可偽造的奢侈浪費）。

譯者注：這樣說其實是不嚴謹的。拆除 PoW 的圍牆只需付出同樣多的哈希次數，不一定要付出同樣多的能量，因為機器的運算效率（單位能量投入所產生的哈希次數）會越來越高。

能源消耗

密碼學貨幣的批評者總是說：比特幣的 PoW 是垃圾，要不了幾年（比如 2020），世界就會被比特幣毀掉！你可能也注意到了，大部分宣揚 「世界末日」 的文章都基於 Alex De Vries 的一個分析。此人是一位 「金融經濟學家和區塊鏈專家」，供職於普華永道荷蘭公司，是 Digiconomist 網站的作者。他的預估已經受到了許多公正的批評，要點正在於其糟糕的能源消耗計算公式。他所選擇的關鍵指標 「單筆交易的平均電力消耗量」 也是有意誤導讀者的，原因如下：

• 能源消耗是以區塊數為單位的，而一個區塊內有多少筆交易是不確定的。打包更多交易並不意味著需要消耗更多能量

• 單筆比特幣交易的經濟密度（economic density，或可譯為 「經濟價值」）也在不斷提高（有批處理交易、Segwit 技術、閃電網絡，等等）。因為比特幣日益成為一個結算網絡，每一單位的能量所保護的經濟價值也在成倍增長

• 單筆交易的平均能量消耗不足以衡量比特幣的 PoW 機制的效率，應該根據經濟歷史的安全性來定義。能源消耗保護了已經挖出的比特幣，而隨著通脹率的下降，這個比例會越來越低（譯者注：不確定此處的 「比例」 指的是什麼，如果說是已挖出的比特幣數量與其理論最大數量的比值，應該是不斷提高的）。一枚比特幣 「累積」 了所有區塊在挖出時所花費的能量。一位研究員 LaurentMT 通過實證研究證明：比特幣的 PoW 會變得越來越高效，因為增加的成本會被系統所保護的總價值的更大增長抵消。

現在我們知道了能源消耗的 ROI （投資回報率）的正確 KPI 應該是什麼。我們來看看比特幣的 PoW 的能源成本的變動趨勢。

ASIC 效率的增長幅度在放緩。因為效率增長緩慢，我們依據製造商之間的競爭會變得更激烈，因為利潤在減少。

UCSD.edu

bloomberg.com

挖礦的總成本將持續從 ASIC 設備的前期獲得成本（資本支出）轉向持續付出的能源支出（運營成本）。因為挖礦中心的物理位置對比特幣網絡來說無關緊要（礦場是可以遷徙的），礦工會遷移到能夠以最低的邊際成本生產額外電力的地區。從長期來看，這有可能會創造出更高效的世界能源市場，因為比特幣礦工會在全球範圍內做電力價格的套利。比特幣的挖礦的成本會變成超額電力的最低價值。這也有望解決可再生能源（比如氫能和沼氣）的一個問題：功率是可預測的，而且如果不立即使用就會浪費掉。在未來，比特幣挖礦可以幫助可變輸出功率的可再生能源 ------ 能量製造商可以按需打開礦機，將額外的功率轉化為比特幣。

鋁在以前也是有具有富餘可再生能源的國家（比如冰島） 「出口」 電力的常用手段。冶煉鋁土礦（bauxite，也即是鋁礦石）需要消耗巨大的能量，而且這種轉化是單向的（是不是跟哈希函數很像？）。圍繞著鋁的 「反常的」 能源消耗，同樣的擔憂已經持續有 40 年了，從 1979 年就開始了（也包括對中心化的擔憂）。但所有此類企業都在這颗星球上不斷尋找便宜的能源和優惠政策。因為鋁製造業已經發展了幾十年了，所以每千克鋁所消耗的電力度數也在不斷降低。

energy.gov

「這張全球的能源網絡解放了閒置的資產，並使新的資產得以出現。想像一張 3D 打印的世界地圖，其中能源價格較低的地方地勢就低，而能源昂貴的地方地勢就高。在我看來，比特幣挖礦就像是把一杯水倒在這張地圖表面，水會在低谷和縫隙間流淌，直到各處成一水平。」

------ Nic Carter

比特幣是所有電力的最後買家，這會創造一個平台，激勵大家圍繞未被利用起來的能源開發新的利用方案；這些能源，倘無比特幣，本身就不會被開發。

「什麼時候，用於生產 PoW 的能量不會再增長呢？準確來說，那就是有足夠多的能量製造商開始直接生產 PoW，而運行 PoW 的每度電的邊際回報 = 向電網出售一度電的邊際收益時 ------ 也就是 PoW 的 '溢價' 降到 0。我把這個均衡點稱為 '中本聰' 點。我估計，當 PoW 的電力消耗占到全世界的 1～10% 時，這個均衡點就會到來。」

------ Dhruv Bansal

一些人抱怨比特幣挖礦就沒 「幹點有用的事」，比如尋找質數。雖然給做功的人加入次要獎勵項目聽起來是個好主意，但卻引入了一種安全風險。把獎勵分割開來可能導致一種情況，就是 「為次要功能做功比為主要功能做工可得到更大的價值」（Dergigi）。即使次要功能是無害的（比如發熱），每 X 次哈希運算預期不僅能得到 100 美元，還能得到額外的 5 美元（因為你提供了熱量），這一 「挖礦暖爐」 也不過是提高了硬件效率，導致出塊難度的提高和單位區塊所用能源的提高。好在，比特幣永遠不會遇到這個問題，因為其安全性是由純粹的工作量證明算法來保護的。

注意：比特幣已經在給這個社會提供非常有用的東西了（如果沒有，那挖礦也不會賺到錢），而要求礦工完全出於利他心去挖礦，也是不理性的。

相對成本

不管幹什麼，都要消耗能量（熱力學第一定律）。你要說能量的某種用途更多或更少浪費，這完全是自以為是，因為所有用戶都要支付同樣的價格才能使用電力。

「只要人們發現了值得付出電價的用途，電力就不算是浪費。那些付出電力的人獲得了比特幣作為回報。」 ------ Saifedean Ammous

從熱力學來看，整個宇宙是個終極的封閉系統。比特幣造成的額外電力消耗比現有的法幣系統消耗的要少得多；法幣系統不僅需要銀行基礎設施，還需要暴力和政治機器。而利用電力來保護金融系統的骨架是一個 「正和」 的結果。在下面，我粗略地比較了現有的金融、軍隊和政治系統（註釋在文章底部）。

圖表的靈感來自 @hassmccook 和他的原創文章：「Economic and Environmental Costs of Bitcoin Mining」。

I 型文明

在追逐便宜能源的路上，我們將為世界創造更大的富足。比特幣，通過利用這些新的、完全不同的能源，不僅能把我們帶到 Kardeshev I 型經濟階段，甚至能讓我們更接近 Kardeshev I 型能源文明（我們已經實現了約 0.72 的 Kardeshev 指數）（譯者注：Kardeshev 是一位前蘇聯的天文學家，提出以文明可以利用的能源量級來評價其先進程度。I 型文明可以利用所在故鄉行星的所有可用能量。）有了比特幣挖礦作為激勵，我們實現 I 型文明所需的時間可能從 200 年縮短到幾十年。而一旦抵達了 I 階段，就更不需要約束能源消耗的增長了，每個人都能享受到更高的生活水平。

尋找便宜電力的壓力會推動人們建造核聚變反應堆。大自然為我們指明了方向，行星正是以恆星的核聚變為能源來源。人類已經走在建造核聚變反應堆來模仿自然的路上，預計還需要投入幾十年、800 億美元的研究經費，才能解鎖核聚變科技。而核聚變的燃料（主要是氘）在大海中隨處可得，可以滿足地球的能源需要達幾百萬年。核聚變具有可再生能源的許多特點，比如可以作為長期的能源供應，而且不會造成溫室效應和空氣污染。核聚變可以提供非常高的發電密度和不間斷的電力傳輸。另一方面，核聚變的生產成本也不會受到規模不經濟的制約。水力和風能都會因為最佳的位置被開發而必須逐步鋪設到不那麼理想的環境中去。但即使大量製造聚變站，生產成本也不會增加太多，因為原材料（海水）非常富足而且到處都有。

「水啊水，全是水，可是沒有一滴能喝。」

------ Samuel Taylor Coleridge

核能和其它便宜能源會解決許多人道主義問題比如潔淨水的短缺。我們周圍都是海水，但淡化海水需要付出巨額的能量。淡化海水的成本現在高於使用淡水、地下水、水循環和節水技術。

人類不會停止探索，上至高山，下至海底，微小至原子，博大至時空；要成長，不要被能量束縛。我們要摘星攬月。

一個每年能結算 1.38 萬億美元支付額的系統，還能給我們所有人帶來更便宜的能源，難道還不值得大家在挖礦上花費 45 億美元嗎？我認為答案是肯定的。