我们看到大型职业化挖掘中心是如何接管了比特币的挖掘工作，我们也看到比特币挖掘与历史上的淘金热有多么类似。 时至今日，金矿开采一直被环保问题所困扰，比特币挖矿虽然还没有达到那个程度，但它已经开始消耗大量能源，这已经成为热门话题。本节中，我们将着重讨论比 特币挖矿的能源消耗问题，以及其对货币系统和地球生态的影响。

热力学限制

根据热力学里的蓝道尔原理（Landauer's principle,蓝道尔是前苏联20世纪60年代天才物理学家），任何一个不可逆转的计算都会消耗一定的能源，逻辑上来说，这种计算也可以被认为是一 种信息丢失的过程。蓝道尔原理特别指出，任何移位运算都会消耗一定量（k Tln 2）的焦耳，其中k代表玻尔兹曼常数（Boltzmann constant,大概等于1.38×10-23J/K），T代表芯片以开尔文为单位的温度，ln 2代表2的自然对数，大约等于0.69。算下来每一个单位数据的运算会消耗一点点热量，这从基础物理学原理上提供了一个能源最低消耗下限。

这里我们不做进一步推导，大概的意思就是每进行一个不可逆的数位运算都会消耗一个最小量的焦耳，能源是永远不会被摧毁的，只会从一种形式转变成另外一种形式，在计算中所消耗的能源大多数都是从高等级的电能转换过来的，然后被转换成可以在环境中最终消失的热能。

作为一种密码学中的哈希函数，SHA-256就是一个不可逆的运算，我们可以回忆一下第1章里所说的，不可 逆转是作为密码学哈希函数的一个基本要求，既然不可逆运算需要消耗能源，那么SHA-256作为比特币挖矿的基本要素也是不可逆的，那么比特币的挖矿过程 必定会消耗能源。蓝道尔原理中描述的能源消耗下限要远低于实际挖矿过程所消耗的电能，虽然我们目前无法使计算的能源消耗达到这个热力学原理中的最优消耗， 但即使我们做到了，比特币挖矿也是要消耗能源的。

比特币挖矿是如何消耗能源的？这个消耗过程分三个部分，其中有些可能还不是很明显：

1.内涵能源。首先，比特币挖掘设备需要被生产出来， 生产时所用的原材料就需要被物理开采出来，然后要把这些材料通过一系列的生产流程转化为比特币挖矿专用的ASIC，这两个过程都需要消耗能源，这被称为内 涵能源。在收到那些矿机的时候，你已经消耗了巨大的能源——当然包括物流过程中产生的能耗——即使这时候你还没有开启这些矿机！

可喜的是，随着越来越少的挖掘容量的出现，内涵能源的消耗就会降低。随着越来越少的人会去购买新的ASIC矿机，这些矿机被淘汰的速度也会减慢，那么相应的内涵能源也会在多年的挖矿中被摊销。

2.电能。当矿机启动开始挖矿时，它就会消耗电能。根据蓝道尔原理，这一步肯定会消耗能源。随着矿机越来越高效，所消耗的电能也随之下降，但是根据蓝道尔原理这个消耗不能降为0，电能消耗将会伴随着矿工的挖矿生涯。

3.冷却。比特币矿机需要被冷却，这是为了防止矿机出 故障。如果在非常寒冷的环境中进行小规模的挖矿运营，冷却成本会微不足道。但即使是在非常寒冷的环境中，一旦在一个很小的空间运行了足够多的ASIC，还 是需要承担额外的冷却成本去解决散热问题。通常冷却挖矿机的耗能形式也是利用电力。

大规模挖矿

内涵能源和电能的消耗（每单位挖矿工作完成）会随着挖矿运营规模的增加而降低，设计和制造运行在大型数据中心的芯片本身单位成本会降低，同时由于不需要很多电源，你可以使得电力输送更加有效。

当讨论冷却问题的时候却恰恰相反，冷却成本会随着规模的增大而上升。如果要进行一个大规模的比特币挖矿运营，需要在一个地方运行大量的矿机，那就意味着空间比较小不易于散热。冷却成本会随着规模化而增加（每单位运算量），除非矿机运行的物理空间同等规模地增加。

能耗预估

整个比特币系统到底需要耗费多少能源？当然，我们无法做到精确统计，因为这是一个去中心化的网络，大量的矿 机分散在各处，并且没有正式记录。但是有两种基本方法可以对比特币矿机所产生的能耗进行估算。根据2015年早期的比特币价格，我们可以进行一个快速的简 单计算，我们必须强调一下，这个数字只是一个大概的估算，因为不管哪种方法，计算过程中所用的参数都是很难估计并且变化很快，这些结果只能是一个数量级上 的估算。

自上而下

第一种是自上而下的方法。现在每一个区块奖励是25个比特币，大约值6 500美元。也就是说，比特币体系平均每秒钟凭空产生11美元给矿工。

现在我们思考一个问题：如果矿工把所有的11美元都用在电费上，他们可以买到多少电？当然，矿工通常并不会 把全部的收入都用于电费，这是用于计算电费的上限。电价在各地的差异非常大，我们可以用美国的工业电价，大约每千瓦时（kwh)10美分的价格来预估，也 就是每百万焦耳(megajoules，简称MJ)大概3美分。如果比特币矿工把所有的每秒11美元收入都用来支付电费，他们可以购买每秒367百万焦 耳，消耗大概367 000千瓦时电力。

自下而上

第二种是自下而上的方法，通过观测每个区块的难度，了解矿工计算的哈希数量，并以此来进行估计。假设所有的矿工都使用最高效的矿机，我们可以推导出一个最低电耗。

目前，最好的商业化矿机的功效数值差不多是3GH/s/W[1]。那就是，这样的ASIC矿机每消耗1瓦特的电力，可以进行每秒30亿次哈希函数运算。目前全网算力是350PH/s，也就是350 000 000GH/s。[2]根据这两个参数计算，我们就可以知道目前基于这种矿机效率，每秒钟全网的矿机需要消耗117MW的电力。当然这个数值还没有包括所有冷却需要消耗的能耗以及芯片本身的内涵能耗。因为只是做一个能耗的下限估计，这么算是可行的。

结合上述两种方法，可以推导出比特币挖矿大概所耗电力，这是几百万瓦特（megawatt，简称MW）的数量级。

100万瓦特究竟是多少？为了便于直观理解，可以对比一下大型发电厂产生多少电力。世界上最大的发电厂之 一，中国的三峡水电站的发电总量是10 000 MW，一个普通的大型水力发电厂的发电总量一般是1 000MW。世界上最大的核电站日本柏崎刹羽核电站（Kashiwazaki-Kariwa）的发电总量是7 000MW，而平均来说核电站的发电量为4 000MW，而火电电厂的发电总量一般为2 000MW。

根据我们的估算，整个比特币网络大概消耗了一个大型电厂总发电量的10%。虽然这个数字已经相当惊人，但是和地球上其他的用电“大户”比起来，这个还算是小的。

比特币挖矿在浪费能源吗

比特币这种“浪费”能源的形式经常被人诟病，因为SHA-256的运算没有其他任何用处。但是我们必须认识 到任何一种支付系统都需要能源和电力的消耗。就拿传统的货币来说，纸币印刷、ATM机器的运行、硬币分类机器、点钞机、支付服务系统以及运送现钞和金条的 武装押运车，无一不在消耗各种能源。你也可以一样说这些能源的消耗除了维护整个货币体系之外，也没有任何其他用处。所以，如果我们认可比特币作为一个有用 的货币体系，那么支持比特币体系的能耗就不能认为是浪费。

当然，如果我们可以用更加节省能源的解谜算法来代替现在的比特币挖矿，同时确保货币的安全性，那自然更好。我们将在第8章讨论这个问题，然而我们并不知道这种可能性是否存在。

能源的循环使用

另一种使比特币更加环保的主意是，把挖矿过程中产生的热能进行二次利用，而不是让热能无谓地耗散在空气中。 这种收集计算机运算所产生的热能的模式被称为“数据火炉”（data furnace）。这个想法的原理是使比特币矿机挖矿产生的热能经过一种特殊供暖装置的转换，用来进行家庭供热，而不需要传统的电取暖器。这部分热能供给 就成了比特币挖矿的副产品。这么做的效率其实并不比购买一个传统的电取暖器差。也许对于家庭消费者来说，使用一个“数据火炉”并不会比将供暖设备连上网络 和电源插座更复杂。

这种方案也有一些问题。虽然矿机发热的效率和电取暖器差不多，但是它们本身比用天然气供暖的效率差很多。另 外如果在夏天每个人都把矿机关闭（至少在北半球），那么比特币的全网算力将会伴随人类取暖需求而产生季节性变动。如果数据火炉方案真的推广开来，将会给比 特币的共识机制带来很有有趣的影响。

矿机的所有权也不明确。如果买了比特币数据火炉用于取暖，你是否拥有挖矿所获得的收入呢？还是出售设备的公 司获取这部分收入？大多数人对比特币挖矿完全不感兴趣——有可能永远没兴趣——所以由出售这些设备的公司来获取这部分挖矿收入更合理。这也就意味着取暖器 会以略微亏损的价格出售。这样一来，一些有创造性的用户可能会在购买了这些取暖器之后，对设备进行改造以使得他们自己可以获取这部分挖矿收入。这可能会引 发令人难堪的数据所有权管理之争。

将电力转换成现金

长远来看，比特币产生的另一个问题是：它可以最有效率地把电力转换成现金。想象一下，如果比特币ASIC矿机是一个很容易购买到的商品，并且主要的挖矿成本是电力，这便意味着，提供免费的或低成本的电力将会面临被滥用的风险。

在很多国家，政府都有用电补贴，特别是对工业用电进行补贴。这么做的原因是政府希望吸引工业投资留在本国。 但是由于比特币提供了一种很好地把电力转换为现金的途径，这可能使得政府要重新考虑用电补贴的模式，以防它们补贴的电力全部被转换成了比特币。政府用电补 贴的意图是，希望可以吸引那些对国家经济和人民就业有帮助的企业，但是补贴比特币挖矿也许并不能对这两点有所帮助。

更大的问题是全球有数以亿计的“免费”插座，分布在家、学校、酒店、机场以及办公大楼等。有人可能把挖矿设 备接在这些地方挖矿，因为别人会为此支付电费。事实上，他们还可能会用过时的设备而压根不考虑升级，反正电费又不是他们支付。在全世界范围内监控这些用于 比特币挖矿的“偷电”行为，是一个异常艰巨的任务。

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