从矿机设备的演变看 PoW 共识机制的伟大之处

有趣有料、通俗易懂！大家好，我是每天中午 12:34 发文的JackyLHH。

今天我们来聊一聊“矿机的演变和PoW共识机制”这个话题。

今年的 1 月 3 日是比特币诞生的第十一周年。11 年前，在位于芬兰赫尔辛基的一台小型服务器上，中本聪挖出了第一批比特币——创世区块的区块奖励 50BTC，中本聪也成为了史上第一位比特币矿工；11 年后，比特币全网算力已经突破了 110E，用小型服务器基本上不可能再挖到比特币了。

比特币算力指数级暴涨的背后，其实是挖矿设备的不断“进化”。短短 11 年里，比特币就经历了 CPU 挖矿、GPU 挖矿、FPGA 矿机和 ASIC 矿机四个阶段，并在去年 11 月 21 日，成功地帮助矿机制造商嘉楠科技迈进了美国纳斯达克的大门。

挖矿设备的日益进化，在底层逻辑上，要归功于比特币 PoW 共识机制的伟大。

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PoW 共识机制和它的伟大之处

比特币网络本质上是一个点对点的分布式记账系统，没有网络中心，所有的节点都是平等的，都可以参与比特币记账。但比特币平均每 10 分钟才记一次账，面对这么多抢着要记账以获得记账奖励的矿工，比特币系统如何分配记账权呢？

中本聪设计了 PoW（工作量证明）机制来解决这个问题。具体来说，矿工需要去寻找一个随机数，使得打包的内容经过 SHA-256 哈希运算后，能输出符合要求的哈希值。

SHA-256 哈希函数有三个特点：

一，无论输入的内容是什么，输出的内容长度都是固定的——一个 256 位的二进制数；

二，失之毫厘谬以千里，输入的内容发生任何一丁点变化都会导致输出的结果大相径庭；

三，无法从结果**、倒推出输入。

所以，矿工只能采取“遍历法”来寻找符合要求的随机数，即一个一个地去试随机数。因此，谁的算力大，谁就越有可能率先找到符合系统要求的随机数，从而争取到下一个区块的记账权并享受系统的记账奖励。决定矿工算力的是矿工的挖矿设备，也就是矿机。矿机的运算速度越快，算力也就越高。

比特币 PoW 机制的伟大之处在于其公平性，无需许可，且先行者并不会比后来者拥有任何优势。无论何时，只要你投入和别人一样的挖矿设备和其他资源，理论上你也能获得和别人一样的区块奖励。

不需要许可，人人可参与，没有先发优势，这让比特币挖矿成为了一个完全由市场驱动的为。只要有利可图，就会有资本涌入，就会有人加入到挖矿大军。

为了自身利益最大化，矿工们在寻找更廉价的电力同时，也对算力更高、能耗更低的矿机也趋之若鹜，这极大地推动了矿机的进化。矿机的进化又加速了比特币全网算力的上涨，让比特币的安全性进一步提高。

下面，我们就来一起了解下，在 PoW 机制下，比特币矿机是如何在短短几年内，从 CPU 挖矿、GPU 挖矿进化到专业的 ASIC 矿机。

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挖矿设备的演变

“天下熙熙，皆为利来；天下攘攘，皆为利往。”对于矿工来说，更快的挖矿设备意味着更高的算力，更高的算力意味着更大概率会抢到出块权，抢到出块权意味着可以享受区块奖励。

挖矿设备的进化史，就是一部在利益驱动下，矿工们追寻算力更高的挖矿设备的历史。

2009 年 1 月 3 日，中本聪用一台小型服务器挖出了比特币创世区块；6 天后，第二个区块（区块高度 #1 ）被挖出。同在密码朋克组织的哈尔·芬尼（Hal Finney）也下载了比特币客户端，用自己的 IBM 电脑参与挖矿，并参与了比特币转账测试——接收来自中本聪的 10BTC 转账。不过，由于挖矿导致电脑温度太高，哈尔·芬尼挖了大约 1000BTC 之后就关停了。

这一年的比特币挖矿主要依赖电脑的 CPU（中央处理器），比特币也还只是技术极客圈子里的一个新鲜“玩具”。直到 10 月 12 日，比特币才第一次获得了用法币衡量的价格——比特币早期开发者、芬兰计算机软件专家 Martti Malmi a.k.a. Sirius 以大约 $0.00099 的单价，卖了 5050BTC 给 NewLibertyStandard。

时间进入到了 2010 年。这一年 5 月 18 日，一位名为 Laszlo Hanyecz 的美国程序员在比特币论坛上发了用比特币换取披萨的求助帖。经过了四天的漫长等待后，5 月 22 日，他终于如愿以偿：用一万比特币换取了两块价值 25 美元的披萨，成为了历史上第一个用比特币购买商品的人。

2010 年也被称为是 GPU（图像处理器）挖矿的元年。这位用万枚比特币换披萨的程序员，被认为是世界上第一个使用 GPU 挖矿的人。

相比于 CPU 大约只有 1KH/S 的算力，GPU 的算力达到了 9MH/S，是 CPU 算力的 9000 多倍。其实，关于 GPU 挖矿效率更高的讨论，早在 2009 年中本聪就做出了回复，并提出了一个“君子协议”——希望大家推迟使用 GPU 进行挖矿设备竞赛：

平均每天新产出的比特币总量是一样的，算力更高的设备比算力低的设备享受到更多的份额。如果人人都去买算力更高的设备，他们并不会得到比以前更多的比特币。

我们应该有一个“君子协定”——尽其所能推迟 GPU 军备竞赛，这样会对我们的网络更有好处。因为这样我们更容易获得新用户，让他们不必担心 GPU 的驱动程序和兼容性。现在任何人只要有一个 CPU 就可以参与公平的竞争，这是一件非常好的事情。

然而，因为利益，中本聪的这个“君子协议”并没有维持多久。2010 年 7 月，比特币论坛上一位昵称为“Artforz”的成员，成功实现了用个人的 OpenCL GPU 挖矿，并将这一方案在社区内广为传播。于是，比特币挖矿逐渐进入了 GPU 挖矿时代。

然而，同 CPU 挖矿一样，GPU 挖矿也并没有维持多久，算力更高的挖矿设备就应运而生并开始取代 GPU 挖矿。

2011 年 2 月，比特币的价格首次突破了 1 美元。这一年，回北航继续深造的技术宅男张楠赓机缘巧合下结识了比特币，并被它深深地吸引——“比特币有 5% 的可能性能够改变世界。”

2011 年年中，南瓜张（张楠赓）利用课余时间研发出了可以挖比特币的 FPGA 矿机。FPGA 的全称是 Field Programmable Gate Array（现场可编程逻辑门阵列），本质上是一种半定制的电路，把一大堆逻辑器件封装在一个盒子里，盒子里的逻辑元件如何连接全部通过编程决定。通过多台 FPGA 叠加组合，算力可以上升一个量级，达到 GH/S。

（图注：张楠赓在 Bitcoin Talk 上推销自己的研发的 FPGA 矿机）

FPGA 矿机给南瓜张（张楠赓）带来了第一桶金，然而 FPGA 挖矿并没有持续多久，就被后来的 ASIC 矿机抢占了绝大部分市场份额。ASIC 是 Application Specific Intergrated Circuits（专用集成电路）的缩写，指为了特定需求和特定电子系统而设计制造的集成电路。

当然，ASIC 矿机的诞生也并不是一帆风顺。

2012 年 6 月，美国矿机制造商“蝴蝶实验室”对外宣称他们正准备研发算力更高的 ASIC 矿机，并对外进行了预售。然而，蝴蝶实验室的研发并不顺利，跳票了一年多，直到 2013 年 7 月才开始小规模出货，这让原先参与预售的用户损失惨重。

同一时期，烤猫（蒋信予）也在进行 ASIC 矿机的研发，并将公司的股份以每股 0.1BTC 的价格进行了 IPO。2013 年，烤猫的多款 ASIC 矿机问世，很快占领了当时的挖矿市场，烤猫公司组建的矿场算力也一度超过全网算力的 40%。然后，烤猫的第二代矿机研发遇到了瓶颈，第三代芯片又出现了爆炸问题，最终公司走向衰落，烤猫也“失踪”了。

投资烤猫公司损失惨重的吴忌寒，认识到了自己做芯片的重要性，故而成立了比特大陆，并在年末推出了 ASIC 矿机——蚂蚁矿机 S1。2014 年，虽然加密货币交易市场进入了熊市，行业萧条，但比特币大陆在这一年间先后推出了蚂蚁矿机 S2、S3、S4、S5，迭代了四个版本。2015 年末推出的蚂蚁矿机 S7，让比特币大陆成为了行业巨头，正式迈入垄断时代。

在 FPGA 矿机上赚到了第一桶金的南瓜张（张楠赓），听闻蝴蝶实验室正在研发 ASIC 矿机之后，也开始着手研发 ASIC 矿机，并在 2013 年初成功推出了“傻瓜式操作”的 ASIC 矿机——阿瓦隆（Avalon）一代。

2013 年可以称为是一个“百机争鸣”的时代，ASIC 矿机日趋激烈的竞争也推动了芯片工艺的发展。短短几年间，芯片的工艺制程从最初的 110nm 升级迭代到 55nm、28nm、16nm、10nm、7nm。

截至到目前，最新的 ASIC 矿机单台算力已经达到了 70TH/S，比特币全网算力也突破了 100E（1月10日数据）。

面对矿机的日益进化，比特大陆创始人吴忌寒在一次演讲中谈到：“ASIC 挖矿相对于 GPU 挖矿在很多方面更具有优势，实际上是一种开放竞争的结果，是市场的选择，更加专业化、更加有效率、更加低成本、更加简短，它的出现不可避免，是市场化解决问题的自然结果。”

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未来，PoS 共识机制全面取代 PoW?

PoW 机制保证了十一年来比特币的平稳运行，也从无到有并推动了整个矿业的发展：芯片的设计制造、矿机的生产、弃电的利用、人员的就业…….给社会带来了巨大的经济价值。因为 ASIC 矿机的激烈竞争，矿业企业甚至率先量产了 7nm 芯片，远远领先于因特尔、高通等传统芯片企业。

然而，我们还是会时不时看到很多抨击 PoW 机制的言论，比如称 PoW 机制非常浪费资源。此外，现在的很多公链也开始选择 PoS/DPoS 机制，比如跨链项目 Cosmos、公链项目 Algorand、预计今年上线的 Polkadot，以太坊转型 2.0 后也会选择 PoS 共识机制。

那么，未来 PoS 共识机制是否会全面取代 PoW 机制呢？

PoS 机制于 2013 年被提出，最早在点点币中使用。不同于 PoW 共识机制，PoS 机制不需要依靠算力竞争挖矿，而是通过质押、投票等方式选出出块节点。因此，PoS 机制是有准入壁垒的，先行者相比于后来者具有很大的优势，而且节点之间容易形成联盟，堵住上升通道的入口，同时进一步削弱去中心化程度和安全性。

虽然不以消耗能源为代价的 PoS 在共识机制上是一种创新，但好的算法机制需要经过时间和市场的长期检验。目前为止，只有充分且开放竞争的 PoW 机制是经过验证且安全的。在比特币 PoW 机制下，矿工的持续投入给了交易者底层信心，推动比特币交易价格的上涨，比特币交易价格的上涨又反作用于矿工，激励矿工持续进行投入，最终推动比特币进入螺旋式上升通道。

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结语

短短十一年里，比特币挖矿就经历了 CPU、GPU、FPGA、ASIC 四个阶段，从无到有并推动了矿业的发展、芯片的设计制造。

人民日报海外版文章指出，2018 年我国全年弃水电量约 691 亿千瓦时，弃风电量 277 亿千瓦时，弃光电量 54.9 亿千瓦时，“三弃”电量共约 1023 亿千万时，超过同期三峡电站的发电量。贵州、四川、云南、内蒙古、新疆等地的比特币矿场，最大程度地利用了这些弃电，给当地带来了巨大的经济价值。

这一切，都要归功于比特币 PoW 机制的伟大。未来或许会出现越来越多的共识机制，或许也会有更先进的共识算法，但就目前而言，充分且开放竞争的 PoW 机制是经过验证且安全的！

最后，一个小提醒：必挖 B.TOP上的蚂蚁 S19 矿机（9 月份期货），只剩下最后 64 台了哦！

最后的最后，还是祝愿人人都家里有“矿”！

【预告】明天（周日）的文章轻松一些，我挑选这几天大家的评论、留言做回答，你有任何疑问，都可以在本文下评论哦～

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编译者/作者：JackyLHH

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