浅析比特币挖矿原理和矿场运营背后的经济学

雷锋网AI金融评论按：本文作者为中国信息通信研究院（工信部电信研究院）专家敖萌博士，雷锋网（公众号：雷锋网）独家特约文章，雷锋网与信通院联合首发。未来，敖萌博士原创的区块链系列文章还将继续刊出，雷锋网与信通院相关平台同步更新，敬请关注！

比特币最迷人的地方就是挖矿了。为什么挖矿这么迷人？因为挖矿能获得比特币呗。我写这篇文章的时候比特币的价格是3900美元，如果能挖到一个区块，就能获得48750美元的挖矿收入和约6000美元的交易手续费收入，这不是非常迷人吗？

那么到底什么是挖矿呢？矿工又如何通过挖矿获得比特币的呢？这就需要从比特币区块链系统采用的PoW（工作量证明）共识机制说起了。

先讲一个故事：

有一个村子，这个村子里很多事情都需要大家一起决策。比如某天，村长需要全体村民一起决策今天中午村里的大食堂是包饺子还是擀面条。通常，我们能想到的方法就是投票----每个村民一票，少数服从多数。但是有些村民并不想在食堂吃饭，所以他可能就会把票送给别人，这样就有可能会导致不公平，在食堂吃饭的大多数人可能没有实现他们的愿望。

于是村长换了一种办法，他在10点50的时候，用大喇叭给全体村民广播：“大家来选择食堂中午是做饺子还是做面条，想来食堂吃饭的人，就去食堂门口推那个巨大的石头，到了11点整，石头被推到了大门东边，中午就吃饺子；推到了大门西边，中午就吃面条。”

于是想去食堂吃饭的人，就跑去推石头了。出力多的人群最终实现了自己的愿望，出力少的人群也心甘情愿，因为村里一直都是这样的规矩。

这个故事讲了一种实现人群共识的方式，我们可以叫它“工作量证明机制”。利用出力的多少，来证明自己的选择意愿。

在这个系列的第一篇文章里，我们讲到了区块链系统能够让所有人的账本保持一致。这种让所有节点数据保持一致的机制，我们称之为共识机制。采用不同的共识算法，能够实现不同性能的共识效果，其最终目的都是保持数据的一致性。

我们已经知道，在比特币系统中，记录交易是系统工作的基础方式。在比特币区块链系统中，区块是记录交易的最基本容器。在比特币（BTC）中目前区块大小限制为1MB，（前几天刚刚诞生了一种新的虚拟货币，叫做比特币现金——BCC，这个区块大小限制目前是8MB）。由于区块的大小有限制，因此每个区块所能容纳的交易数量也是有一定限制的。目前比特币系统规定平均每10分钟产生一个区块，因此，矿工工作的方式实质上就是在10分钟内收集网上产生的所有交易，然后将交易填到一个区块里。这个区块大约如下表所示：

注意第一条，在任何区块里，第一条都是没有转出地址的，就是所谓的CoinBase（挖矿交易）。没有任何人付给矿工这笔钱，矿工只是理所应当的写上自己获得了12.5比特币。所有节点都认可矿工这样写，因此矿工就得到了挖矿收入。

不同的矿工在填写区块的时候，数据一定是不一样的，因为每个矿工的第一条肯定不一样，矿工只会把挖矿收入转入自己的地址。所以矿工Michael的CoinBase是“Michael获得了12.5比特币”，矿工Nancy的CoinBase是“Nancy获得了12.5比特币”。

每一个矿工都把自己收集到的交易和自己该获得的收入填好了，那么，到底谁的记录才会被大家认可呢？比特币就采用工作量证明机制，让矿工互相间竞争求解一个数学题，谁先解出来了，谁的区块就会被所有人认可。就好像开篇的故事讲的那个村子一样，每个矿工都在努力地推那个巨石，一旦石头把自己记录的那一页账目压住了，他就大喊一声，“我的工作量证明成功了，你们快来看！”全体矿工就都过来把那一页账目抄写一份，贴在自己账本的最后面，然后又开始新的记账过程。周而复始，生生不息，账本一页一页的增加，账本越来越厚。

“中本聪”决定采用工作量证明机制的时候，出发点是避免系统受到攻击。“中本聪”认为，如果一个攻击者想用搞乱账本的方式来进行攻击，那么他就需要足够的计算能力。也就是说，他要比大多数推石头的人的力量更大。这样，他就需要付出巨大的成本，但是换回的收益并不足以抵消成本，因此攻击者是没有攻击比特币系统的经济学动力的。

与推石头的方式不同的地方在于，比特币中是大家一起通过穷举结果的方式，来求解一个数学题，并不是算力强的人每次都会赢，因为有人可能很幸运，一下子就搜索到了那个答案。而算力强的人，可能这次没那么幸运，穷举了很多次也没有碰到解。但是从概率上看，求出答案的次数和自己在整个比特币网络中算力的比例是一致的，也就是说，如果一个矿工拥有了全网30%的算力，那么基本上在1000分钟（产生了100个区块）里，有30个区块都是他找到的答案，他获得了30%的挖矿收益。

但是，现在由于比特币的价格越来越高，推石头的人已经不满足于自己去推了，而是把家里的大骡子大马都派上去干活了。在“中本聪”最初的设计里，一个CPU一票，用算力来决定哪个矿工记的账成为最终的账目。随着比特币价格的增高，开始出现了GPU挖矿，后来人们又不满足于GPU的速度，开始制造专用芯片挖矿。专用芯片在计算比特币问题的能力上是普通CPU的数万倍，因此现在比特币已经不是“一个CPU一票”了，这也背离了当初“中本聪”的设计，比特币网络已经基本上被几大矿池所垄断，背离了去中心化货币这一初衷。

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忘记伊朗吧，在中国挖矿超划算（附全球比特币挖矿电力成本图）

比特币“挖矿”原理简介比特币以及其背后的区块链技术的主要原理为(图1):

建立一个全球分布式账本，每一个参与账户验证和打包的节点都能查询存储的自创世以来发生的所有交易细节来保障任意账户内的一笔钱不会被花销两次。

每10分钟内发生的交易被打成一包成为“区块”，使用加密签名技术，后一个区块使用前一个区块的签名信息对自己签名，形成签名“链”。这样一个“区块链”能保证账户和交易信息不被篡改。(图1红圈)

每时每刻都有未确认交易被广播给全网，然后所有愿意参与验证交易的节点(比特币矿工)每10分钟都将选择一些未确认的交易对照历史区块链验证并打包成一个“区块”，但并非所有比特币矿工打包的区块都是有效区块，而是接下来需要参与一场难度不断提升的算术竞赛，胜出者的结果才能获得全网认可并得到奖励(新发行的比特币)(图1绿圈)。

同时有多人胜出时还需要通过表决机制只保留一个矿工产生的结果而作废其他人的确认。

图1蓝圈则更详细解释了区块的构成和生成:上一个被确认区块的数字签名被放在头部以保证形成“链条”，中间数据部分保存了矿工选择并验证过的交易，而末尾则是尾数和本区块的数字签名。

区块链主要依靠哈希表(hashtable，一种字符串变换运算)计算的一个性质:已知哈希表的输出难以反算出哈希表输入的原文-“单向性”。而所谓的“挖矿”实质是对区块内的交易信息计算出一个哈希值作为签名，但并非任意哈希值都被有效，而人为规定结果字符串头部由若干连续的零组成。

为了得到这样特殊哈希值，“挖矿工”只能在交易信息后面附加一个随机尾数再计算哈希去尝试得到满足要求的值，若结果不满足则只能更改尾数重算。

“挖矿”的本质是重复计算随机字符串的哈希值并检查结果字符串是否满足头部有足够的零。为了保障每个区块生成时间具备足够的间隔，“挖矿”所要求的头部为零的数目定期自动增加，人为增加计算随机数“试运气”的难度。

挖矿设备的基本盈利能力分析矿场购买比特币挖矿机的根本目的在于通过消耗电力获得比特币，再将比特币兑现支付资本投入的摊销，电费以及少量人工工资，最终获得利润。因此要分析比特币挖矿设备和矿机产业是否能盈利，首先需要理解比特币矿场运营。

挖矿的实质可简单理解为全世界所有的挖矿设备一起来通过算随机数的哈希值的方法抽签，中签的概率为设备算力/全世界总算力;而中签后的比特币收益在四年间保持基本稳定，但大约四年会跳跃减半一次。

但对于单个比特机挖矿设备而言，一旦被制造出来，其收益却不断减少，原因在于全世界的算力在不断提升。

矿机算力提升有几个因素:

当最新工艺的矿机设备推出市场后，算力往往会有指数级别的增长;

而当比特币价格较为稳定，矿机设备产能比较稳定的时候，算力增速往往放缓到趋于线性增长，制约增速的主要是矿机设备产能;

当比特币价格开始下跌的时候，由于投资挖矿在这个阶段可能产生亏损，下游的投资需求放缓，导致算力增长缓慢。

由于单个矿机的中签率为设备算力/全世界总算力，全世界总算力不断增长，则单个矿机的收益将不断下降并逐渐趋于零。而单个矿机的耗电(主要运营成本)却近似恒定。所以当开动矿机获得的比特币兑换成现金后不足以支付电费，除非比特币未来涨价，否则这台矿机实质上进入报废状态，不应再被开启。

造成矿场矿机报废的主要原因往往是新一代挖矿硬件(主要依靠提升设备制造工艺水平)提升了运算速度并降低了能耗。

因此矿场实质上有一个“军备竞赛”的需求，当其他矿场大规模采用先进工艺制造的设备后，自己的矿机将面临被淘汰的风险，在合适的时间也应跟进采用先进工艺的ASIC。

我们可以得出第一条结论:当比特币价格保持不变时，矿场运营商存在不断更新更先进挖矿设备的需求。

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比特币价格与矿机产业订单的关系分析图2的分析假设了比特币价格不变，但从比特币自诞生之日起起价格就一直处在较大波动中。

本节将分析如果比特币价格发生长期性变化，其对矿机盈利的影响，以及对矿场运营商需求的影响。

在图3中，绿色曲线表示当比特币兑法定货币如美元/人民币价格上涨并保持一定水平后，同一台矿机的法定货币收益曲线，相比黑色曲线有着明显的上升。

而紫色区域则表示同一台矿机可能获得的超额利润。从图中可见紫色区域面积并不小，意味着比特币价格的暴涨暴跌对矿机盈利能力的影响也较大。

当比特币价格快速上涨之时，投资者和投机者可能会对投资于矿机运营的回报产生更高的期望，从而刺激矿场的新建与扩容，提升上游挖矿硬件商的订单;

当比特币价格长期低迷之时，挖矿就会显得无利可图，矿场也会放缓扩容以及对矿机的更新换代，此时上游挖矿硬件商的订单将会大幅下滑;

第二条结论:上游挖矿硬件制造商的订单与业绩和比特币价格高度正相关。

矿场运营背后的经济学分析

比特币矿场运营是一项高风险的经营活动，主要原因是:

矿场主无法预测投产后一段时间比特币的币价，如果比特币价格过低，则矿机可能因产出无法覆盖电费提早报废造成无法收回矿机的资本开支，造成亏损;

矿场主无法预测投产后一段时间全网算力的提升，即便比特币价格基本稳定，但全网算力大幅上涨(通常是更新一代矿机投产造成)，仍有可能造成矿机提前报废，无法收回投资矿机的资本开支;而全网算力的增长主要取决于多少资本被吸引进矿机行业以及未来新一代矿机的性能，这是很难预测的。

虽然矿场主无法预测影响未来是否盈利的两大变量:比特币价格P和全网算力C，但从理性经纪人的假说考虑，投资矿场的人多少会根据现在的情况去做投资决策。

在假设当前币价不变，全网算力按某种规律随时间增长的模型下，如果新增矿机可能造成两种亏损，则我们可以认为投资购买新比特币矿机的冲动将被压制:

如果比特币价格波动造成当前最先进的矿机产出不能覆盖电费，造成运营亏损，则当前最先进的矿机应该立刻关闭，这意味着新购买同样的矿机是更不可能的。

我们认为这个价格和全网算力的组合可以视为矿机设备供需的“强转折点”，即矿机设备需求会因为比特币价格低迷而长期低迷。

在当前币价下启动矿机虽然还有运营利润但不高，但全球算力还在快速增长，在可预期的未来如果币价不再大幅上升，则新增矿机无法收回固定的资本开支，那么理性的矿场运行主的投资冲动将下降。

我们认为这个币价和全网算力的组合可以视为矿机设备供需的“弱平衡点”，即理性的矿场投资人会收缩资本开支，除非更先进的矿机设备面市。分析师：刘雪峰 张璋(广发证券)

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