原標題：《The Power of Bitcoin Mining》
作者： Zach Pandl
編譯：Luffy，bitget交易所
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比特幣之所以能成為一個全球加密貨幣系統(tǒng)，得益于挖礦這一競爭性過程。挖礦機制確保了區(qū)塊鏈正常更新，并協(xié)調(diào)整個網(wǎng)絡的經(jīng)濟激勵。如今，比特幣挖礦網(wǎng)絡規(guī)模龐大，每秒產(chǎn)生的 「哈希值」 超過 700 京（注：1 京=1 千萬億，10^18）次。
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比特幣礦工的收入來自新發(fā)行的比特幣以及網(wǎng)絡交易費用。他們的支出則涵蓋設(shè)備、電力及其他運營成本。許多礦工還在資產(chǎn)負債表上持有比特幣，而且越來越多的礦工正將業(yè)務拓展至人工智能（AI）和高性能計算（HPC）服務領(lǐng)域。
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Grayscale Research 估計，比特幣挖礦占全球用電量的 0.2%；與其他行業(yè)相比，清潔能源在比特幣挖礦所消耗的電力中所占比例更高。比特幣挖礦或許有助于加速實現(xiàn)環(huán)保目標，尤其是在甲烷排放等領(lǐng)域。
比特幣是一個去中心化的計算機網(wǎng)絡，存儲著 2 萬億美元的價值。這一現(xiàn)代奇跡的實現(xiàn)全仰仗于挖礦：網(wǎng)絡參與者競爭將下一個區(qū)塊添加到區(qū)塊鏈上并獲得獎勵的權(quán)利。如今，比特幣挖礦的運營規(guī)模驚人，他們將實際能源轉(zhuǎn)化為數(shù)字安全保障。用于保護比特幣區(qū)塊鏈的計算能力，就如同數(shù)字 「保險庫門」，正是憑借這一機制，一個自治的計算機網(wǎng)絡才能成為一個全球數(shù)字貨幣系統(tǒng)。運營比特幣挖礦設(shè)施所需的專業(yè)技術(shù)、資本支出和持續(xù)運營費用，以及該行業(yè)的高度競爭性，有助于維持比特幣網(wǎng)絡的去中心化，同時使攻擊成本高得令人望而卻步。
投資公開上市的比特幣礦企，能夠從區(qū)塊產(chǎn)出中獲取收益，并且隨著時間推移，還有望從不斷增長的網(wǎng)絡交易費用中獲得收入增長。實際上，大多數(shù)上市的比特幣礦企都采用多樣化的商業(yè)模式，許多企業(yè)會在資產(chǎn)負債表上持有挖到的比特幣，甚至在公開市場購買比特幣。當前，比特幣礦企也已開始涉足人工智能和高性能計算的數(shù)據(jù)中心運營，實現(xiàn)業(yè)務多元化。
現(xiàn)代奇跡
盡管比特幣挖礦在技術(shù)層面十分復雜，但其概念卻很簡單。專用計算機相互競爭，猜測一個隨機數(shù)，最先猜出正確數(shù)字的計算機便贏得更新區(qū)塊鏈（即 「挖出區(qū)塊」）的權(quán)利。獲勝的礦工將獲得該區(qū)塊新發(fā)行的比特幣和交易費用（即 「區(qū)塊獎勵」）。
在這場競賽中沒有捷徑可走，比如不存在能更快找到正確數(shù)字的算法，比特幣礦工只能靠蠻力競爭。這個過程可以看作是一場概率游戲。礦工不斷猜測，直到找到正確答案，就像擲一個多面骰子，直到出現(xiàn)想要的數(shù)字。因此，獲勝的概率取決于礦工每秒能做出的猜測次數(shù)（「擲骰子次數(shù)」）。擁有機器數(shù)量最多和機器效率最高的運營者，猜測次數(shù)也最多，贏得區(qū)塊獎勵的機會也就最大。
從技術(shù)角度講，獲勝結(jié)果并非僅僅是隨機數(shù)，而是這個數(shù)字與其他數(shù)據(jù)結(jié)合后的 「哈希值」。在計算機科學中，哈希函數(shù)是一種數(shù)學運算，它將任意數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一串字符，即哈希值。例如，使用比特幣網(wǎng)絡中的哈希函數(shù)，「Bitcoin」 這個單詞的哈希值為：b4056df6691f8dc72e56302ddad345d65fead3ead9299609a826e2344eb63aa4。
因此，比特幣礦工的任務就是快速生成哈希值：猜測一個隨機數(shù)，計算其哈希值（將隨機數(shù)與其他數(shù)據(jù)結(jié)合），然后檢查是否正確。
據(jù)估計，如今約有 500 - 600 萬臺比特幣礦機以驚人的規(guī)模生成哈希值（見圖 1）。在過去 90 天里，比特幣礦工共同生成哈希值的平均速率為 765 EH/s（每秒 765 京次哈希運算）。也就是說，比特幣礦工平均每秒猜測隨機數(shù)并計算其哈希值的次數(shù)超過 700 京次。為了讓這個數(shù)字更直觀，據(jù)估算，地球上大約有 7.5 京粒沙子和 10 京只昆蟲。
圖 1：比特幣礦工以龐大的規(guī)模生成哈希值
生成如此大量哈希值成本高昂，但這正是關(guān)鍵所在。為了競爭獎勵，挖礦運營者需要購置專門的機器和其他硬件，并支付持續(xù)的電力和維護成本。因此，通過生成正確的哈希值，礦工提供了一種 「工作量證明」，表明他們已投入經(jīng)濟資源，并且可以被信任來更新區(qū)塊鏈。
攻擊比特幣意味著要打敗現(xiàn)有的比特幣挖礦行業(yè)。理論上，如果惡意行為者控制了網(wǎng)絡 51% 的哈希率，從而能夠挖出大多數(shù)區(qū)塊，就可以擾亂網(wǎng)絡（例如，雙花比特幣或?qū)彶槟承┙灰祝Ｔ谝黄撐闹校芯咳藛T估計，截至 2024 年 2 月，對比特幣網(wǎng)絡發(fā)動一次持續(xù)一小時的 51% 攻擊，成本在 50 億至 200 億美元之間。實際上，沒有任何行為者有經(jīng)濟動機投入這些資源，而且，比特幣網(wǎng)絡除了挖礦之外還有其他防御機制。
比特幣挖礦的商業(yè)模式
比特幣礦工的收入等于挖礦新獲得的區(qū)塊獎勵，而他們的運營支出則來自運行機器和生成哈希值所消耗的電力（可能還包括維護、礦池費用等其他運營費用）。因此，比特幣礦工的目標是以盡可能低的成本每秒生成最多的哈希值。
2024 年，礦工們總共獲得了約 23 萬枚比特幣，按當時價格計算價值近 150 億美元。與 2014 年相比增長了約 19 倍，復合年化增長率為 34%（見圖 2）。每四年，新發(fā)行比特幣的速率會在一個被稱為 「比特幣減半」 的事件中下降。盡管以比特幣數(shù)量計算，發(fā)行量有所下降，但由于比特幣以美元計價的價格上漲，挖礦收入隨時間推移仍有所增加。未來，挖礦收入的增長可能來自比特幣價格上漲和網(wǎng)絡交易費用的增長。
圖 2：比特幣挖礦收入隨時間增長
礦工們承擔的運營費用，主要形式是運行機器所消耗的電力。每個運營者都會協(xié)商自己的電力購買協(xié)議，而這些協(xié)議在世界各地差異很大。為了便于說明，我們可以通過假設(shè)一個電費成本，并忽略其他成本，來構(gòu)建一個簡化的比特幣礦工總體經(jīng)濟狀況圖。例如，圖 3 將比特幣礦工的收入與假設(shè)電價為每千瓦時 0.05 美元時的總電力成本估算值進行了比較。收入與電力成本之間的差額可以被視為礦工運營利潤率的一個簡化衡量指標。當區(qū)塊獎勵的美元價值增加時，礦工受益；而當生成哈希值的美元成本上升時，礦工則會受到損害。
圖 3：礦工運營利潤率反映了區(qū)塊獎勵與電力成本之間的差距
鑒于全球礦工面臨的電力成本各不相同，一個更直觀的衡量指標可能是每消耗一定電量所獲得的美元價值，例如每兆瓦時（MWh）的礦工收入。挖礦行業(yè)參與者經(jīng)常提到與之密切相關(guān)的 「哈希價格」 概念，它是通過每日礦工收入與網(wǎng)絡哈希率的比率計算得出的。盡管概念非常相似，但隨著礦工效率的提高，哈希價格往往會呈下降趨勢。因此，相對于電力消耗的礦工收入可能更準確地反映礦工經(jīng)濟狀況隨時間的變化。圖 4 顯示了每日每兆瓦時的比特幣礦工收入。在過去兩年中，盡管在 2024 年減半前后波動較大，這一估計值大致保持穩(wěn)定。
圖 4：過去兩年，每兆瓦時的礦工收入大致穩(wěn)定
投資比特幣礦企
投資公開上市礦企的股票，可以通過證券市場涉足比特幣經(jīng)濟。比特幣礦企的商業(yè)模式可能日益多樣化，但它們都涉及生成哈希值、挖掘區(qū)塊和獲取區(qū)塊獎勵的核心業(yè)務。由于電力成本、非電力運營費用及其他因素的差異，每個礦企獲取區(qū)塊獎勵的實際成本各不相同。2024 年第三季度，最大的幾家上市礦企生產(chǎn)比特幣的平均成本在 3.4 萬美元至 5.9 萬美元之間（見圖 5）。而該季度比特幣的平均價格為 6.1 萬美元。
圖 5：不同礦企的生產(chǎn)成本各異
比特幣礦企在資產(chǎn)負債表上持有比特幣的方式也有所不同。一些礦企會立即清算區(qū)塊獎勵，一些會保留區(qū)塊獎勵，還有一些甚至會在公開市場購買更多比特幣。自然地，當比特幣價格發(fā)生變化時，資產(chǎn)負債表政策的差異可能會對上市礦企的財務表現(xiàn)產(chǎn)生重大影響（見圖 6）。話雖如此，許多因素都會影響單個礦企的風險狀況，資產(chǎn)負債表上比特幣持有量相對較高的礦企，并不一定比清算區(qū)塊獎勵的礦企風險更高。
圖 6：一些礦企在資產(chǎn)負債表上持有比特幣
最近，比特幣礦企開始涉足人工智能和高性能計算（HPC）服務等領(lǐng)域，這些領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的需求迅速增長。例如，高盛的研究估計，2023 年至 2030 年間，數(shù)據(jù)中心的電力需求（不包括加密貨幣相關(guān)部分）可能會增長 160%。比特幣礦企在向人工智能 / 高性能計算市場供貨方面可能具有競爭優(yōu)勢，因為它們能夠獲得低成本電力及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施。2024 年初，市值第三的上市礦企 Core Scientific，宣布與專門的人工智能基礎(chǔ)設(shè)施服務提供商 CoreWeave 簽訂了一份長期合同。自 2024 年 6 月 Core Scientific 與 CoreWeave 的交易宣布以來，其他幾家上市礦企也已采取措施，向人工智能 / 高性能計算領(lǐng)域拓展業(yè)務。
比特幣挖礦與可持續(xù)性
比特幣挖礦消耗實際的經(jīng)濟資源 —— 電力，來創(chuàng)建去中心化的數(shù)字安全保障。比特幣作為數(shù)字貨幣系統(tǒng)的成功，意味著挖礦如今消耗了大量電力。比特幣是一種獨特的能源消耗者，它已經(jīng)使用了相當比例的清潔能源資源。Grayscale Research 認為，隨著時間推移，挖礦可能會對綠色能源轉(zhuǎn)型做出積極貢獻。
根據(jù) Coin Metrics 的數(shù)據(jù)，我們估計在過去 12 個月里，比特幣網(wǎng)絡的電力消耗速率約為 175 太瓦時（TWh，注：1TWh=1 百萬 KWh）。這與劍橋替代金融中心的估計相當（見圖 7）。根據(jù) 2023 年（最新可得年份）的數(shù)據(jù)，比特幣的能源消耗占全球總用電量的 0.2%（已考慮輸電過程中的電力損耗）。據(jù)劍橋替代金融中心稱，數(shù)據(jù)中心每年消耗約 200 太瓦時的電力，并且預計由于人工智能模型的使用，數(shù)據(jù)中心的能源消耗可能會上升。
圖 7：比特幣挖礦消耗電力以創(chuàng)建數(shù)字安全保障
與典型的住宅或商業(yè)用戶相比，比特幣是一種獨特的能源消耗者。比特幣挖礦具有模塊化、可移動、不受地理位置限制、可中斷且對電價變化高度敏感的特點。因此，礦工通常可以在擁有低成本清潔能源資源的地方開展業(yè)務。據(jù)估計，比特幣挖礦行業(yè)所使用的電力中，大約 50% - 60% 來自可持續(xù)能源（包括核能）。就美國和全球范圍而言，可持續(xù)能源在發(fā)電中所占比例約為 40%。使用 2023 年的數(shù)據(jù)，并假設(shè)比特幣電力消耗中可持續(xù)能源占比為 50% - 60%，我們估計比特幣挖礦占全球與發(fā)電相關(guān)的二氧化碳排放量的 0.2% - 0.3%。
灰度研究認為，未來幾年比特幣挖礦有助于加速可再生能源生產(chǎn)的應用。由于其獨特的屬性，比特幣挖礦激勵對可再生能源基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)的投資，特別是在那些沒有輸電線路連接到主要人口中心的地區(qū)。比特幣挖礦還可以幫助穩(wěn)定電網(wǎng)需求，否則由于消費模式和天氣原因，電網(wǎng)需求會出現(xiàn)波動，就如它在德克薩斯州電力可靠性委員會系統(tǒng)中所起到的作用一樣。另外，像 Sustainable Bitcoin Protocol 這樣的初創(chuàng)企業(yè)，已經(jīng)創(chuàng)建了市場機制，以激勵清潔能源的使用，并獎勵減少甲烷排放。解決甲烷排放問題，可能成為比特幣礦工為實現(xiàn)環(huán)保目標做出貢獻的一個特別重要的途徑。還有，像 Crusoe Energy 這樣的公司，已經(jīng)開發(fā)出利用多余天然氣而非將其排放的方法，它們將天然氣轉(zhuǎn)化為電力，提供給比特幣礦工。
未來幾年，技術(shù)應用的增長將對電力產(chǎn)生巨大需求，來自數(shù)字資產(chǎn)、人工智能及其他行業(yè)皆是如此。Grayscale 認為，比特幣有助于全球電力基礎(chǔ)設(shè)施的健康運行，并且與許多其他行業(yè)相比，比特幣在加速向可再生能源轉(zhuǎn)型方面具有獨特的優(yōu)勢。
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