加密货币本质系列：挖矿产业的兴起与发展

原文作者：Chris Dannen、Leo Zhang 和 Martín Beauchamp，均就职于迭代资本（Iterative Capital）

编译：Katt Gu

来源：区块律动

 

本文节选于加密货币管理公司迭代资本（Iterative Capital）撰写的报告「加密货币现象的本质是什么？」。迭代资本是一家专注于挖矿的投资管理公司，并经营北美加密货币 OTC 交易平台 i2 Trading。

与发行通证、风险投资或波动率交易相比，挖矿产业较少出现在资本市场的各类营销中，使其成为最可预测的加密货币投资活动。挖矿的盈利能力受到半导体周期、能源成本和加密货币市场整体表现的营销。虽然矿业投资从本质上来说是一个长期投资，但只要矿工可以优化管理费用并以公平的市场价格购买机器，即可减少挖矿的成本投入。一个矿工购买硬件或支持特定网络的决定受短期市场潮流的影响远小于网络协议的特性和所购买硬件的技术生命周期的影响。矿工考虑的基本因素包括但不限于以下几点：

选择一个可行的网络。

以合理的价格从合适的硬件制造商处购买硬件。

根据硬件周期调整购买时间。

托管设施的能源成本和其他管理费用。

托管设施的安保和人员配备。

流动型奖励管理。

地方法规和税收。

推动挖矿页市场动态的主要因素有两个：哈希率增长和价格波动。从根本上讲，这两个因素是密切相关的。较高的哈希率增强了区块链的安全性，使网络更具价值；反过来，随着相关货币的价格增长，对挖矿设备的需求也将增加，这意味着挖矿硬件供应商之间的竞争会加剧，以获取该需求。

尽管到目前为止，比特币现货价格急剧下跌，但比特币网络的哈希率一直在以惊人的速度增长。自 2018 年 1 月以来，比特币矿工和交易者一直生活在完全独立的世界中：矿工不断对硬件和设施进行再投资，预计核心协议层面的工程进展将会带来下一轮的价格上涨。因为矿工控制着流动性，这几乎就等于一个自我实现的预言。（本文最后给出了讨论关于价格趋势的流行概念的附录。）

图 11：尽管比特币价格下跌，哈希率仍在继续增长。（来源：bitinfocharts.com）

哈希率增长和价格波动之间的不匹配是硬件市场和资本市场不同步的结果。在正常情况下，挖矿难度可以通过半导体生产商台积电（占比特币 ASIC 产量的 90%）的晶圆出货量来预测。代工厂的交付周期（通常为三个月）比比特币价格周期长，这意味着在比特币价格下滑期间已经投入生产的晶圆将导致产能过剩。

图 12：由于不可持续的挖矿利润，对台积电晶圆需求可能下降。（来源：Morgan Stanley Research）

另一方面，由于工作量证明的累积性，更高的哈希值涌入网络会使系统更加安全和可靠。更高的最终性意味着系统在处理交易时会更加稳定，对第三方开发者在系统上进行开发也更加方便。

使用工作量证明的加密货币通过设计将资本市场和分布式网络紧密的联系到了一起。随着比特币价格在过去十年里不断攀升，挖矿产业发展成为一个巨大的行业。2018 年上半年，最大的加密货币 ASIC 制造商 Bitmain 报告了 25 亿美元的收入和 11 亿美元的利润。

图 13：比特币矿工近年的收入。（来源：Frost&Sullivan）

 

专业硬件的兴起

多年来，加密货币的挖矿工具已经从 CPU 发展到 GPU，再到专门的硬件，如 FPGA（现场可编程门阵列）和 ASIC。由于该行业的竞争性，矿工会被激励去购买更高效的硬件，即使这意味着需要为这些机器支付更高的前期成本。随着一些硬件制造商升级到速度更快、效率更高的机器上，其他厂商也被迫升级，设备竞赛应运而生。今天，对于比较有名的网络来说，挖矿主要是通过 ASIC 进行。比特币的 sha256d 相对来说是一个比较简单的计算；比特币 ASIC 的工作是每秒进行数万亿次 SHA256d 哈希函数的计算，这是其他类型的半导体无法做到的。

于 20 世纪 80 年代首次推出市场，ASIC 改变了芯片行业。在加密货币世界中，ASIC 制造商（如比特大陆）会基于给定网络的特定哈希算法设计芯片结构。经过多次迭代和测试后，作为所谓的「流片」过程的一部分，电路光掩模的设计图会被发送到诸如台积电和英特尔这样的代工厂。直到芯片从代工厂返回后，才能知道芯片的实际性能。此时，ASIC 制造商需要在产品准备好投入生产使用之前，对散列板上的散热设计和芯片对准进行优化。

特定于应用程序的硬件的兴起是不可避免的，也是计算硬件周期中的必然趋势。与黄金开采和石油钻探技术随着基础商品价值的不断提高而不断发展的情况类似，随着加密货币变得越来越重要，加密货币的应用特定型硬件也在迅速改进。虽然短期价格行为主要是由投机驱动的，并且已经观察到与哈希率不相关，但从长远来看，这两个因素形成了良性反馈循环。

图 14：2012-2020 年全球区块链硬件市场的市场规模，按收入和增长率划分。（来源：Frost&Sullivan）

图 15：2013-2020 年中国区块链硬件市场规模，按收入和增长率划分。（来源：Frost&Sullivan）

 

ASIC 制造的过去，现在和未来

加密货币矿机是一种异构计算系统，即使用多种处理器的系统。随着摩尔定律减慢，异构计算变得越来越普遍。同名定律的创始人 Gordon Moore 预测，半导体制造业中的晶体管密度将产生连续且可预测的硬件改进，但这些改进在达到基本物理极限之前只有 10-20 年的时间。

第一代比特币 ASIC 包括中国的烤猫矿机、瑞典的 KNC 以及和美国的 Butterfly Labsh 和 Cointerra。特定于应用程序的硬件很快就显示出了它们的前景。第一批阿瓦隆矿机于 2013 年 2 月上市。到 5 月，大约三分之一的网络得到了它们无与伦比的计算能力的支持。

集成电路竞争的关键在于一家公司能够以多快的速度迭代产品并实现规模经济。在没有足够的硬件制造经验的情况下，由于延迟和一系列关键技术错误，烤猫很快失去了市场份额。

大约在 2013 年的同一时期，吴忌寒和詹克团创立了 Bitmain。在比特币 ASIC 的早期，只需要改进上一代芯片的密度（即技术节点）就可以提供了一个即时有效的升级。从代工厂获得先进的技术节点总是很昂贵，所以挑战不在于优越的技术设计，而在于筹集资金的能力。在 Bitmain 成立后不久，该公司使用台积电的 55nm 芯片推出了 AntminerS1。

2014 年，加密货币市场进入长期熊市，比特币价格下跌近 90%。到 2015 年市场复苏时，Antminer S5（Bitmain 当时最新的机器）是唯一一款仍在生产的产品。Bitmain 很快确立了其统治地位。随后，来自烤猫的工程师加入 Bitmain，开发了 S7 和 S9。这两台机器后来成为迄今为止销售最成功的加密货币 ASIC 产品。

半导体工业发展迅速。竞争加剧、生产创新和规模经济意味着芯片价格将不断下降。对于大型 ASIC 矿业公司来说，为了维持其利润率，他们必须不懈地寻求更多的设计改进。

 

硬件产业的变化

过去，生产更快的芯片只需要将晶体管放在芯片基板上更近的位置。晶体管之间的距离是以纳米为单位测量的。随着芯片设计人员开始使用晶体管距离低至 10nm 或 7nm 的尖端技术节点，芯片性能的提高可能与晶体管之间距离的减少不成正比。据报道，截至 2018 年 3 月，Bitmain 已尝试在 16nm、12nm 和 10nm 下流片新的比特币 ASIC 芯片。据称，所有这些芯片的流片都出现了问题，导致该公司损失了近 5 亿美元。

2017 年牛市之后，许多新的原始设备制造商（OEM）正在进入比特币 ASIC 领域。虽然在规模和产品销售方面，Bitmain 仍然是绝对的领导者，但该公司在核心产品的性能方面明显落后。InnoSilicon、Canaan、Whatsminer、Bitfury 和其他公司正在迅速赶上，压缩了市场中所有玩家的利润。

随着技术节点改进速度减慢，ASIC 性能越来越依赖于公司的架构设计能力。因此，拥有一支经验丰富的团队来实施完全定制的芯片设计对于 ASIC 制造商将来的成功至关重要。从长远来看，ASIC 的设计会变得更加开源也更易访问，从而实现商品化。

图 16：挖矿硬件与挖矿难度（来源：「The evolution of bitcoin hardware」）

 

比特币挖矿一开始只是业余爱好者的活动，可以通过笔记本电脑完成。从上面的图表中，我们可以看到工业化采矿的加速发展。如今，工业化矿业集团、云挖矿提供商和硬件制造商已不再在车库或地下室中运行挖矿设备，而是专门为加密货币挖矿建立或翻新数据中心。在电力充足的地方，如四川、内蒙古、魁北克、加拿大和美国华盛顿州，拥有数千台机器的大型设施全天候运作，全年无休。

在残酷的挖矿游戏中，持续不断的基础设施升级要求运营商快速做出部署决策。工业矿工会在超频、维护和更换直接与矿机制造商合作。他们托管矿机的设施经过优化，能够以最大可能的运行时间满负荷运行机器。同时，大型矿工会与一些发电厂签订长期合同，以获取廉价电力。这是一个双赢的局面；矿工可以接近零的电价获得大量电力，发电厂可获得对电网电力的稳定需求。

随着时间的推移，加密货币网络会像进化中的有机体一样，不断寻找廉价和未充分利用的能源，并提高现有工业中心以外存在的遥远设施的效用。使用工作量证明的加密货币依赖于将新的区块添加到区块链中以保持共识。.

多年来，许多人对比特币生产过程中消耗的大量能源表示担忧。中本聪本人在 2010 年就回应了这个问题，他说：

「这与黄金和金矿开采的情况相同。金矿开采的边际成本往往接近黄金价格。开采金矿是一种浪费，但这种浪费远远低于利用黄金作为交换媒介的效用。我想比特币的情况也是一样。比特币所实现的交易的效用大大超过了其用电成本。因此，没有比特币将是净浪费。」

 

矿工统治时的「微妙的恐怖平衡」

在比特币等非许可的加密货币系统中，大型矿工也是潜在的攻击者。他们与网络的合作是以盈利为前提的；如果攻击变得有利可图，那么大矿主很可能会尝试进行攻击。那些关注比特币近年发展的人都知道，对于矿工垄断这个话题是存在争议的。

一些参与者认为 ASIC 会以各种方式破坏网络的健康。在哈希率集中的情况下，社区害怕矿工们会联合起来发动所谓的 51% 攻击，即占大部分哈希率的矿工可以使用这种计算能力来重写交易，获将同一笔资金花费两次。这种攻击在较小的网络中很常见，因为在这些网络中实现 51% 的哈希率的成本较低。

任何拥有超过 51% 哈希率的矿池（或矿池联盟）都拥有网络中的「核武器」。这实际上是利用哈希率将社区扣为人质。这一情景让人想起冷战时期的核战略家 Albert Wohlsetter 关于微妙的恐怖平衡的观点：

「平衡不会自动产生。首先，由于热核武器为侵略者提供了巨大的优势，因此在任何给定的核技术水平上，都需要极大的智慧和现实性来设计一个稳定的平衡。其次，这项技术本身正以惊人的速度发生变化。威慑需要紧急和持续的努力。」

虽然大型矿工理论上可以发起攻击，将共识历史扭转到对他们有利的方向，但他们也可能将市场推向至一个对他们不利的境地，导致通证价格突然暴跌。这样的价格暴跌会使矿工的硬件投资和过去赚来长期持有的货币变得一文不值。在制造高度集中的情况下，秘密的 51% 攻击会更容易实现。

图 17：矿池的矿工集中度（来源：blockchain.com）

在过去的几年里, bitmain 以哈希率集中和制造集中的形式主导了市场。在撰写本文时，Sanford C. Bernstein＆Co. 的分析师估计，Bitmain 控制着加密货币挖矿芯片市场的 85％。

 

核心开发人员统治下的「无结构暴政」

虽然恶意矿工会对非许可的加密货币系统构成持续的威胁，但核心软件开发人员的支配地位可能同样不利于系统的完整性。在由少数精英技术人员控制的网络中，运行代码的矿工和全节点运营者可能无法轻易检测到对代码的虚假更改。

社区采取了各种方法来对抗矿工的巨大影响。Siacoin 的团队在得知 Bitmain 的 Sia 矿机后决定生产自己的 Asic 矿机。Zcash 等社区对 ASIC 持谨慎的欢迎态度。GRIN 等新项目将其哈希算法设计成了 RAM（随机存取存储器）密集型，从而提高了 ASIC 的制造成本。一些像 Monero 这样的项目采取了更为强硬的措施，改变了其哈希算法只是为了让一个制造商的 ASIC 机器不能工作。这里的根本分歧不在于「去中心化」，而在于哪个派系控制着市场所重视的生成 coinbase 奖励的方式；这是一场争夺对「金鹅」控制权的斗争。

由于去中心化网络的高度动态性，迅速对矿工周围的权力集中采取行动可能会导致相反的极端: 头部开发商周围的权力集中。这两种权利的集中都是十分危险的。后一种极端可造导致无结构的暴政，即在没有正式权力等级的错误前提下，社区会以个人崇拜中的方式崇拜主要提交者。这个词来自社会理论家 JoFreeman，他在 1972 年写道：

「只要群体的结构是非正式的，如何作出决策的规则就只为少数人所知，并且对权力的认识也仅限于那些知道规则的人。那些不知道规则，也没有被选为启蒙者的人，必须保持困惑，或陷入一些他们不太清楚的事情正在发生的偏执妄想中。」

缺乏正式的结构会成为新进贡献者看不见的障碍。在加密货币的背景下，这意味着尽管存在为团队带来更多的开发人才的动机（从而加快项目开发速度，提高网络的价值），我们在上一节中讨论的开放式分配治理系统仍可能会出错。

矿工或开发者的支配地位可能导致开发路线图的改变，这可能会破坏整个系统。其中一个例子是那些「大区块党」们做出的错误决定。由于一些矿工一意孤行的支持更大的区块容量，比特币网络在 2017 年 8 月 1 日分裂成了两个，从而导致全节点运营者的成本增加。而对于使用工作量证明的区块链来说，这些运营者在执行其规则方面发挥着至关重要的作用。较高的成本可能意味着网络上的全节点运营者的数量会减少，这反过来又使矿工们更容易为自身的利益而破坏权力平衡。

另一个失衡的例子是以太坊基金会。虽然以太坊拥有一个由 DAPP（分布式应用）开发人员组成的强大社区，但核心协议仅由一小部分项目领导者确定。为了准备以太坊的君士坦丁堡硬分叉，开发人员决定在不询问矿工意见的情况下将挖矿奖励降低了 33%。随着时间的推移，疏远矿工会使网络失去一个主要利益相关者群体（矿工本身）的支持，并为矿工攻击网络牟利或报复创造了新的动机。