区块链世界系列报道三：喂养区块链这个猛兽

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比特币“矿工”堪称电磁炼金师，他们有效地将以兆瓦时计算的电力变成了全球增长最快的货币。他们利用高强度的计算，通过加密来保证虚拟货币的安全并使交易顺利进行，同时此过程会产生新的比特币作为对矿工的回报。

另外，这个过程消耗的电力也是相当惊人的。矿工们使用的处理器的规模越来越大，其电力消耗也早已与一座小型城市相当。专家称，这一问题将持续恶化。

“人们一直争论的问题是，这一切将归于何处？”英特尔公司的区块链技术总监迈克尔•里德（Michael Reed）说。

目前，由于挖矿硬件能耗迅速增加，比特币对全球电网的吞噬性需求得到了相应的遏制。但能源和区块链分析人士仍在担忧可能会出现一场美丽风暴：能效增加是缓慢的，而比特币的价值却在快速增加，其交易的增长潜能将是巨大的。 

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但我们仍有一线希望：电力消耗问题敦促里德等革新者研究能够释放比特币背后的技术的节能方案，并将该技术应用于前所未有的其他领域（见本文下方往期推荐《区块链世界系列报道二：详解区块链如何运作，又为什么将改变世界》）。区块链被用于医疗管理及太阳能交易等迥然不同的领域，其开发者认为比特币的这种能量密集型设计是不可能成功的，他们现在正在设计可持续性更强的区块链。 

要理解这些新的区块链，我们首先要了解现有的区块链。区块链是指一份由社区用户维护，而不是由中央机构管理的交易清单，或者说一个账本。称其为区块链，是因为新交易被捆绑到数据“块”中，并写入到此前所有交易的现有区块“链”的尾部。

将区块连接成链的做法保证了比特币的安全性并能使其免受黑客攻击。但写入新区块的过程（称为“挖矿”）会消耗大量电力，其原因是多重的。其中之一是，每个交易区块必须采用迭代方式进行编码，该过程称为加密哈希，会消耗大量计算资源。该过程将生成一个长度固定的字符串，称为一个哈希值，并且它必须以特定数量的0开头。

其占用大量计算资源的原因如下。将一组交易的相关数据进行转化便会得到区块。该转化过程称为哈希法，其本身并不会消耗大量计算资源。但为获得以所要求数量的0开头的哈希值，该转化过程会每隔2016个区块或约每隔两周发生变化（一般会增加）。矿工需要调整数据，然后进行哈希计算，检查所得结果是否符合要求，如果不符则重新来过。哈希及重哈希通常需要运行数千次，并消耗大量电力。

在网络上发现一个有效哈希函数的第一个矿工会用它创建一个区块并将其加入链条中，作为回报，他会获得新生成的比特币。由于每个区块都有多方参与竞争，因此任何一方都不能控制该货币及其账本。

通过挖矿获得比特币并计入账本的流程被恰当地称为“工作证明”（proofof work）。根据比特币网站Blockchain.info的统计，6月份全球比特币矿工每秒约产生500亿亿个256位加密哈希值。也就是5后面有18个0。至于维持这种等级的运算需要多少电力，没人计算过。但根据独立研究者的预计，在中国，以及其他一些电力价格低廉、排放监管较为宽松的国家，挖矿所需功率约为500兆瓦，足够供大约32.5万个家庭使用。

根据这些计算数据，比特币的能源成本要高于普通交易。例如，据估计，处理1比特币的交易所消耗的电力是使用Visa信用卡的5000倍以上。

由于计算机“军备竞赛”的出现，挖矿功率也越来越高。前面提到过，哈希值开头固定数量的0每两周会改变一次，以调整创建区块的难度，0越多也就意味着越难。比特币算法加入这些0是为了将增加区块的速率保持在每10分钟一个。这是为了抑制日益强大的挖矿硬件。哈希函数变复杂之后，需要更多的计算才能创建一个区块，因此获得新比特币需要付出更多的努力，而这又会增加计算的难度。

“挖矿越努力，算法就会变得越难。”荷兰奈梅亨拉德堡德大学的计算机科学家哈拉尔德•弗兰肯（Harald Vranken）说，“这是个不断循环的游戏。”

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弗兰肯称，如果使用2009年比特币发行时的CPU进行计算，其“消耗的电力将比整个地球的发电量还要多”。全球发电系统没有瘫痪得益于一系列的硬件升级：2011年左右，矿工开始舍弃CPU而使用更为高效的图形处理单元；到2013年，芯片制造商开始生产用于挖掘比特币的专用集成电路（ASIC）。

同2009年的老式CPU相比，现在最为先进的比特币ASIC完成1次256位哈希计算的速度是其1亿倍，而消耗的电力却只有其百万分之一，弗兰肯说。如果彻底优化数据中心，为比特币挖掘ASIC提供电力供应并进行冷却，那么效率是有可能进一步提高的（见近期《区块链世界系列报道六：中国的比特币矿》）。

但问题是，芯片效率的增幅在减缓，同时，弗兰肯称，相比于比特币以指数增长的兑换率及哈希计算速率，芯片效率的增幅已落于下风。另一名荷兰研究人员塞巴斯蒂安•迪特曼（Sebastiaan Deetman）说道，去年前后“哈希计算速率的大幅增加”使得比特币的全球电力功耗进一步接近700兆瓦。

如果哈希计算速度继续加快会怎样呢？莱登大学工业生态学专业的博士研究生迪特曼称，在这种情况下，预计到2020年，比特币的功耗将暴涨20倍，达到14千兆瓦。如果这是真的，那么比特币消耗的电力将相当于整个丹麦的用电量。

在某些地方，比特币消耗的电力可能已经造成了电网输电紧张。委内瑞拉最近开始了比特币挖矿行动；由于委内瑞拉货币玻利瓦尔因恶性通货膨胀而大幅贬值，人们觉得比特币是个不错的选择。今年年初，一处包含1.1万台电脑的挖矿场所因盗用电力而被委内瑞拉当局关闭。该盗用行为在委内瑞拉全国电力极度短缺的情况下遭到了强烈谴责。

英特尔公司的里德称，由于耗电量巨大，比特币的发展前景很难预测。他列举了很多因素，其中之一是，矿工们增加区块所获得的比特币数量会出现周期性减少。“这个情况十分复杂。”他说。

但里德能够确信的一点是，如果有更多的区块链通过比特币的计算密集型工作证明挖矿方案运行，那么全球范围内的电力基础设施将无力支撑。

他谈到，以太坊（全球第二大加密货币并于2015年开始进行交易）的创始人正计划转而开发非竞争性的替代算法——权益证明。不再由矿工们争抢区块哈希计算权，而是由网络按照所持以太坊货币——以太币（ethers）——的多少，把区块增加权分配给“锻造者”。该方案消除了挖矿环节和计算“军备竞赛”，大幅削减了以太坊的电力消耗。

里德的英特尔团队正在研发一个节能的区块链系统，该系统有赖于芯片制造商在CPU中内置的安全性能。英特尔公司的超级账本Sawtooth区块链软件将随机选取写入区块的用户。“运行时间证明”（proof-of-elapsed-time）机制将迫使所有用户代码以随机间隔停止运行，强制结束后，最先恢复运行的用户可以将最新的交易添加至区块链，并获得奖励。

里德说，参与者不会为了获得更多区块而擅自修改代码的原因是，他们必须使用配有软件防护扩展（SGX）的英特尔CPU来运行Sawtooth代码。SGX联合远程系统保护执行代码的内存区不受侵犯，使得英特尔可以识别代码是否被篡改。

里德称，几个区块链研发者已经开始了这方面的工作，包括医疗卫生数据的平台提供商PokitDok。PokitDok的首席技术官及联合创始人泰德•坦纳（Ted Tanner）预计，2017年底将有几款应用发布，包括一个身份验证系统，可将病人同其医疗记录联系起来，自动裁定医保理赔。

同时在康奈尔大学，研究者正在利用英特尔的SGX超越这家芯片巨头。团队负责人伊泰•艾瑞尔（Ittay Eyal）说，他们的系统修复了英特尔区块链方案会意外导致鼓励浪费的瑕疵，他们团队称其为芯片陈旧的问题。艾瑞尔认为，在英特尔的时效证明机制下，矿工会愿意使用可运行SGX的最便宜的CPU，这会延长过时的、效率低下的CPU的使用期。

艾瑞尔团队在5月提出了替代性编码。在他们的有效工作证明（proof-of-useful-work）系统中，参与者可在SGX框架内进行与工作相关的计算，从而获得积分并赢得区块。例如，一家医药公司可在模拟分子互动的同时进行区块写入。这样一来，该公司就会使用更为快速的芯片，而不是过时的芯片，艾瑞尔道。他们团队预计，这一改变会使其有效工作证明区块链的效率比英特尔的至少高出24倍。

艾瑞尔说道，依赖于安全硬件的低能耗区块链将可支持多种应用。但他预计，这种区块链将不会受到对安全性能要求很高的加密货币使用者的青睐。“因此，在这一点上，比特币市场不会信任英特尔或任何人。”艾瑞尔表示。也就是说，区块链技术未来将会是可持续发展的，但比特币对电力的大胃口在短期内可能仍不会得到改善。

 作者：Peter Fairley

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