比特币热潮：价格上涨对能源消耗的影响 | Cell Press青促会述评

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作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。

2021年第八期（总第45期）专栏文章，由中科院计算所研究员 孙毅，就Joule中的论文发表述评。

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比特币是一种加密的数字货币，基于去中心化、点对点的分布式网络产生。它不是由特定货币发行机构发行，而是完全依赖相关的密码学、共识算法等技术，通过特定的计算过程，即挖矿行为产生。比特币在2008年由中本聪创造出来后，由于其安全性、匿名性和便捷性受到了广泛关注，同时，学术界和工业界对其底层的区块链技术也开展了广泛的研究与应用。

比特币网络通过挖矿来产生新的比特币，挖矿过程实际上是利用工作量证明机制（Pow共识）来进行复杂的难题计算。矿工们通过对数学问题的求解，竞争比特币网络区块的出块权力，从而可以获得区块的出块奖励和该区块内所有交易的交易费，这两部分构成了矿工挖矿的主要收益。比特币的出块概率取决于该矿工的算力在全网算力中所占的比例，因此，为了能够获得更多的奖励，矿工们会使用矿机，矿机的发展从CPU到GPU再到专用集成电路，性能不断提升。同时，矿工也会购买大量专用矿机，组成大规模的矿场，从而形成挖矿产业。

比特币的币价在2021年初急剧攀升，并打破了之前的最高币价记录，这一趋势使得大量矿工涌入比特币挖矿这一行业中，因而对比特币矿机的需求也大幅上升。比特币挖矿设备需要大量的电能，这一电力资源的消耗实际上也是规模巨大的。如何正确评价比特币挖矿带来的对资源环境的影响，以及如何处理这些影响带来的危机，是我们值得思考的问题。

Alex de Vries 多年来致力于研究数字化时代发展对人类社会带来的影响，他从2016年以来，对比特币带来的能源消耗进行了长期的研究，在区块链可持续性发展的讨论中有着自己的思考。他根据给定的比特币币价水平设计了相应的经济模型，来估计比特币网络的电量消耗。同时也探讨了这种能源消耗对环境和经济社会带来的影响，以及决策者如何采取措施应对比特币网络日益增长的能源需求。该研究成果在2021年2月发表于Cell Press旗下自然科学领域的旗舰期刊Joule上。

作者提出了一种估计比特币网络电力消耗的模型。首先，需要确定比特币币价与电力资源消耗之间的关系。比特币的币价决定了矿工挖矿可获得的收益，从而会影响矿工愿意投入挖矿的成本。根据经济理论表明，开采一个比特币的成本大致是一个比特币。因为如果开采单位比特币的代价小于一个比特币，那么矿工会通过部署更多的算力资源从中获利；反之，如果开采的代价高于一个比特币，矿工会减少算力资源从而避免亏损。根据零利润定理，即在完全竞争市场上，由于参与方可以完全自由进退，因此在长期均衡时，每个参与方都只能获得零利润，因此矿工的收入与其投入的成本大致是平衡的。

根据这种动态变化可以利用矿工收益来估计比特币网络的电力消耗。比特币市场虽然不能完全等同于自由竞争的市场，但矿工挖矿投入的总费用会趋向于挖矿带来的收益。矿工挖矿的主要成本是矿机购置和电力能源损耗。而根据相关研究，电力成本约占60%的采矿总成本。所以，可以根据矿工收入估算出网络的能源需求。假设矿工平均每千瓦时电力支付约0.05美元，比特币的价格为42000美元(2021年1月10日比特币的历史最高价格)，交易费用占矿工总收入的10%，矿工每年将赚取约153亿美元(每个区块6.25个比特币* 每年产生52560个区块/ 0.9 * 42000美元)。这部分收入的60%将用于支付每千瓦时0.05美元的电价，整个电网每年可能消耗184太瓦时;这几乎等同于全球所有数据中心的能耗(每年200太瓦时)。

▲图1 比特币的能源消耗量及币价变动

除了比特币挖矿带来电力资源的消耗，作者还考虑了其对环境的影响以及其他方面可能产生的后果。作者通过对比特币未来的能源消耗进行估计，估算出了比特币网络未来可能产生的碳足迹。比特币挖矿会带来480-500克 CO₂/kWh的碳排放强度，假定碳排放强度保持在490克CO₂ /千瓦时,在能源消耗为184太瓦时下，碳排放量为9020万吨，大致相当于伦敦市区产生的碳排放总量。这个数字可能会根据挖矿位置的不同产生一定程度的波动，但对自然环境而言，仍然会带来较大的污染。除了比特币，加密货币生态系统的其余部分也会对生态环境产生影响。最近的研究发现，其他未被广泛研究的加密货币，如以太坊和莱特币，比比特币的能源需求增加了近50%，这些加密货币也同时对环境产生了不可忽视的影响。除了碳排放带来的环境污染，用于专门挖矿的这些专业设备在过时被淘汰后，也会产生大量的电子垃圾，这也将是未来需要重点解决的问题。

除了对环境产生的影响，加密货币挖矿还对经济社会的其他方面产生了影响。比特币矿机生产需要大量芯片，这在很大程度上会加剧全球目前的芯片短缺问题，在新冠肺炎疫情过后，全球消费需求的增加带来了芯片的短缺，而比特币产商对芯片的需求可能会导致其他电子产业受到冲击。以比特币矿机的生产巨头比特大陆为例，该厂商从中国台湾半导体制造商购买了大量的7 nm芯片，来生产其性能最好的采矿设备(Antminer S19 Pro)。

▲图2 芯片生产能力和矿机对芯片需求对比

最后，作者对加密货币挖矿方面的政策制定进行了相关讨论。由于面临着各方面的压力，很多政府都针对加密货币挖矿产业采取了一些措施。比如在加拿大魁北克市，由于加密货币采矿对当地电力系统的稳定性带来了威胁，当地的电力公司和能源董事会决定暂停加密货币采矿业务。而在2021年1月，伊朗由于加密货币采矿导致了电力的供应中断，因此决定没收采矿设备。

这两个例子说明了政策制定者可能有多种因素选择停止加密货币挖矿。尽管比特币可能是一种去中心化的货币，但围绕它的生态系统在许多方面并非如此。竞争激烈的比特币市场促使矿工利用大规模的矿场作业来降低成本，这也让矿场难以秘密运作。因此进行大规模挖矿的矿工很容易成为攻击目标，面临着电价较高的困境、被暂停采矿的风险，或者在最极端的情况下，会被没收所使用的挖矿设备。此外，比特币挖矿设备的供应链只集中在少数几家公司，这样的制造商可能会像烟草公司一样承受额外的税收负担，或者在芯片生产方面受到限制。政策制定者甚至可以通过禁止某些加密货币进入集中的数字资产市场，来对矿工采取更严格的限制政策，而这些政策这也会影响数字货币的价值。

但作者认为，在制定政策时，应当考虑到多方面的因素，因为任何笔记本电脑或计算机理论上都能够参与加密货币挖掘，任何可以访问互联网和电力的位置都可以作为矿场。矿工可以在面临不利政策时选择进行矿场迁移，这也会带来加密货币挖矿活动变得更加分散和更难控制的风险。

总结全文，这篇评论说明了如何使用一个简单的经济模型来估计在给定比特币价格下，比特币挖矿产业带来的对环境的潜在影响。根据作者的模型，2021年初比特币价格创纪录的飙升可能导致比特币挖矿活动消耗的能源近似于全球所有数据中心的能耗，而且相关的碳排放量与伦敦的碳排放总量大小相当。除了这些对环境产生的影响，对比特币采矿设备的需求可能会加剧全球芯片短缺，影响COVID-19疫情后的经济复苏，以及电动汽车产业。因此，在制定加密货币的相关政策时，往往需要考虑多方面的因素，协调各方面的发展，从而采用合适的政策对待比特币挖矿产业。

述评人简介

孙毅

中科院计算所研究员

孙毅，中科院计算所研究员、博导，区块链实验室主任，中国计算机学会区块链专委会副主任，科技部十四五区块链重点专项专家组成员，IEEE区块链技术委员会委员。近些年围绕区块链、互联网服务优化技术开展研究工作，发表论文百余篇，其中以第一作者在SIGCOMM、JSAC等知名国际会议和期刊上发表论文20余篇。获50余项专利授权，多项专利已被产业公司购买并应用。参与制定互联网、区块链国际标准多项。

Dr. Yi Sun is a professor and director of blockchain research lab at Institute of Computing Technology, Chinese Academy of Sciences, and he also serves as vice chair of blockchain technical committee of China Computer Federation, member of the blockchain expert group of the 14th five year plan of the Ministry of Science and Technology and member of IEEE Computer Society Blockchain and Distributed Ledgers Committee. His research interests include blockchain and Internet service optimization. He has published more than 100 papers, 20 of which were published in top international conferences and journals such as SIGCOMM, JSAC, etc. as the first author. More than 50 patents have been authorized, and many of them have been purchased and applied by industrial companies. Participated in proposing a series of international standards related to blockchain and Internet.

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相关论文信息

原文刊载于CellPress细胞出版社

旗下期刊Joule上，

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