都 9021 年了 还在说 PoW 浪费资源?

币金融

很多人觉得比特币的工作量证明机制非常浪费资源,那么在这篇文章中,我将阐述为什么一切都是能源,金钱也是能源,能源的使用是主观的,还有工作量证明的能源消耗和当下政府体系的关系。这些观点来自这个领域众多专家的思考,而我作为作者的作用就是整合和提炼他们的表述。

劳动就是能量

“劳动”就是能量的这个观点最早来自于法国数学家 Gaspard Gustave de Coriolis,他提出能量就是“完成劳动”的概念。很久以前,在经济活动中劳动是完全由人类自己完成的,由食物提供能量。

大约一百万年前,人类偶然发现了火。从此人类能够获取的能量增加了,因为我们能够同时通过食物和烧火获取所需要的热量维持体温。能源使用方式的增加提高了我们的生活水平。

数千年之前,能源的使用方式由于动物被驯化而进一步增加。动物能够在人类的领土上进行劳动。这些新的劳动力也需要食物喂养。对食物的需求进一步增大,同时人类文明也不断繁荣起来。

而在过去的几百年,我们建造了伟大的机器。这些机械化的工具最开始是由风力和水力来驱动的,之后使用诸如煤矿、石油气等相对便宜的资源驱动,而现在则是使用核聚变或者核裂变作为能量来源。机器和大自然都通过利用能源完成工作。从本质上来看,我们的这一整个经济体并不是基于金钱的,而是基于工作和能源。

我们生活中的一切事物都和能量的价格有密不可分的关系。净化水需要能量;运送货物需要能量;生产货物需要能量;做饭需要能量;冰箱和冷柜也都需要能量。在一个自由市场,任何产品的成本都很大程度上反映出生产过程中所需要能量的多少。因为自由市场喜欢最低价的产品,任何产品生产中所用到能量都会最小化。从这个角度来看,金钱作为生产和服务提供过程中所需工作量的度量单位,也可以认为是存储的能量。

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注:2010 年全球 GDP($,数据来自 美国农业部 USDA)和全球能源消耗(数据来自 BP 世界能源统计年鉴 2014)的对比

在 20 世纪的早期,如亨利·福特和托马斯·爱迪生这样的工业领袖热衷于用“能量黄金”或“能量单元”(商品/能量货币)代替黄金和美元。这个概念由于有健全货币(sound money)的特征而一度很流行,这些特征包括:精心设计的账户单元,容易衡量但是难以伪造,容易分割为更小单元,并且有可互换性(也就是说每个单元都是相同的)。然而,能量货币的问题在于,它无法被转移或者方便的储存。

若希望人类贪婪某物,需要做的仅仅是让这样东西难以获得。—— 马克·吐温

我们快速回到 2008 年的十月三十一日,在那一天,中本聪发布了比特币的白皮书。比特币的工作量证明(PoW)最初是用于防止滥发垃圾邮件的一种方式(每发送一封邮件,要求发送者做工作量证明,这样就无法大规模发送垃圾邮件),从中本聪开始被应用在数字货币中。工作量证明真正在做的事情,是使用专业化的机器(ASICs)来把电力通过出块奖励的方式转化为比特币。这些机器不断进行哈希运算投票/猜测直到它解出了一道密码学谜题并且收到比特币的出块奖励。这道谜题的解证明了这个矿工以 ASIC 矿机和电力资源的形式的能源支出,证明这个矿工付出了工作量。比特币有一个资本主义投票机制,也就是 Hugo Nguyen 所说的:哈希(投票)是以能量和ASIC 矿机为成本的,这些成本的资本受到风险,从而得以能够投票。

当中本聪设计工作量证明的时候,他颠覆了人类达成共识的方式,将其从政治投票转变为通过能量转化的非政治投票(即哈希)。工作量证明其实是销毁证明,或者说能量被消耗的验证。它的重要性在哪里?其实我们可以说,这是在物理世界验证虚拟世界某样东西的最简单并且最公平的方式。工作量证明是关于物理的,而不是关于代码的。比特币就是一个由能量铸造的超级商品,是全宇宙最基本的商品。工作量证明将电力转化为电子黄金。

比特币的账本有且仅有在它生产成本足够高的时候才是不可篡改的。工作量证明“昂贵”的现实实际上是一个特点(feature)而不是缺点(bug)。在比特币之前,当我们说保护一样东西的时候,我们说的是在物理世界围绕任何有价值的东西建造厚厚的墙壁。但是崭新的加密货币世界是奇怪而且反人性的—— 没有任何物理围墙保护我们的资产,也没有任何门能够进入保险库。比特币的公开账本由它积累的哈希算力保护:所有花费在其上的能量建造起了这座“墙”。即使我们能够明显看到构造这个“墙”非常昂贵,我们仍然能够用同样多的能量拆毁这个墙。

能量消耗

加密预言来了:比特币的(工作量证明)将会在 2020 年毁灭世界!你可能会注意到过很多“末日”的文章,他们都引用了荷兰 PWC 的“金融经济学家和区块链专家”和 Digiconomist 网站作者 Alex De Vries 的分析结果。实际上,他的观点早就因为错误计算能量消耗而受到大量批评。在他的分析中他选择“每笔交易所消耗的电力资源”作为核心指标,实际上是在故意误导。有这样几个理由:

  • 能量消耗其实是以区块而非以交易数量为单位,每个区块中包含的交易数量是不同的。在一个区块中包含更多的交易不代表需要更多的能量。
  • 比特币交易的经济密度随着技术进步不断在提升,比如隔离见证、闪电网络、批量处理等技术。比特币越来越成为一个结算网络,每消耗一个单位的能量保护的经济价值成倍增加。
  • 每笔交易平均能量消耗并不是衡量比特币工作量证明高效性的充分指标,而合理的指标应该定义为经济历史的安全性。能源支出确保了比特币的存量,随着通货膨胀的下降,这个百分比随着时间的推移而下降。一个比特币“积累”能量关系到所有从创世块开始挖出来的区块。一位叫 LaurentMT 的研究员发现从经验上来看,比特币的工作量证明的确变得越来越高效:不断提升的成本换来了更多由系统保护的经济价值。

现在我们知道正确的关键指标应该是能量消耗的投资回报率。我们现在来看下比特币工作量证明的能量消耗趋势。

ASIC 矿机性能提升速率在不断下降。性能提升速率下降带来边际效益的递减,我们能够预期生产商之间的竞争加剧。

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上图:矿机性能提升,来源:https://cseweb.ucsd.edu/~mbtaylor/papers/Taylor_Bitcoin_IEEE_Computer_2017.pdf 1
下图:历年矿机性能和价格变化,来源: https://research.bloomberg.com/pub/res/d3bgbon7nESTWTzC1U9PNCxDVfQ 2

挖矿总成本将会从前期矿机硬件的资本投入(capex)转换为运营成本(opex),也就是持续的能量消耗。由于挖矿中心的物理位置对比特币网络并不重要(矿场和矿机是可以移动的),矿工会聚集到生产富余电力的地区来获得最低的边际成本。长期来看,比特币矿工在全球不同地区进行能源套利,很有可能会建立一个更高效的全球能源市场。比特币采矿的成本成为最低(超额)电力价值。这就能解决那些产能可预期的可再生能源被浪费的问题,比如水电和燃烧甲烷发电。在未来,比特币挖矿能够帮助利用掉有多种输出的可再生能源:能量生产者能够将电力接给矿工,矿工会将多余的能量通过比特币的形式“存储”起来。

铝就是一个很受欢迎的、从有丰富的标准化的可再生能量资源的国家(如冰岛)”出口“电力的方式。冶炼铝矿需要大量的能量,将铝矿炼成铝就如同哈希方程一样是一个”单向函数“。四十年前的时候,铝和比特币一样,有人担忧冶炼铝带来不合理的能源消耗,也有人担心中心化。当时所有的相关公司不断在全世界搜罗更便宜的电力和其他更好的资源。随着炼铝工业在过去几十年不断成熟,铝的生产也变得更加高效。

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左图:1900 到 2000 铝冶炼电能消耗
右图:1900 到 2000 铝冶炼的效率
来源:
https://www1.eere.energy.gov/manufacturing/resources/aluminum/pdfs/al_theoretical.pdf

”这个全球能量网络解放了原本搁浅的资产并让新的资产可行。想象一下有一个 3D 世界地形图,电力便宜的地区地形低,电力贵的地方地形高。在我的想象中比特币挖矿就类似一杯水倒进了这个 3D 表面,让水充满了角落和缝隙,将表面抹平。“—- Nic Carter

比特币的工作量证明是所有电力的最后买家,刺激新的发电站在不同的资源周围建立。如果没有比特币,这些资源或许就不会被开发。

到何时提供给工作量证明的能量不再增长?准确来说,就是在有足够多的能量生产者直接开始做工作量证明挖矿,并且,通过工作量证明消耗一千瓦时带来的边际收益 = 出售一千瓦时电力给电站带来的边际收益的时候。这个时候工作量证明已经没有“超额利润”。我称这个平衡点为“中本聪点”。我预期工作量证明当到达这个点的时候,工作量证明会消耗全球 1%-10% 的电能。—- Dhruv Bansal

另外一些抱怨说比特币挖矿并没有完成任何有价值的事情,比如寻找质数。类似这样的合乎道德的想法,在工作量证明中引入另一种收益,实际上会引入安全性风险。分拆奖励会导致“执行第二类功能的奖励高于执行首要功能”的情况。即使第二类功能是无害的,比如作为暖气机,不同于期望花费 $100 获得 x 个哈希,我们将会需要在同样的 x 个哈希上花费 $100,加上 $5 等值的热量。矿机暖气机仅仅是另一种硬件效率的提升,却带来了更高的难度和每个区块能量消耗的提升。幸运的是,比特币将不会有这样的问题,因为它的安全性由纯粹的工作量证明算法保障,这个算法不会增加其他功能。

注意:比特币已经为这个社会做了非常有价值的事情(如果挖矿无利可图它将不会发生),在理性的情况下,矿工也不会在无利可图的情况下做利他的事情。

相对成本

由热力学第一定律,我们可以知道做任何事都需要能量。称能量用在某处比用在别处更高效或浪费都是完全主观的,毕竟所有用户都根据市场定价使用这些电能。

如果人们发现值得为电力付钱,那么这个电力就不是被浪费的。这些花费电费的人将会获得比特币的奖励。—— Saifedean Ammous

在热力学中,宇宙是一个极度封闭的系统。比特币使用了富余的电力资源,与现有的法币系统相比耗能大幅度减少。毕竟法币系统不仅仅在银行体系架构中消耗能量,还需要消耗资源在军队和政治上。利用这些电力来守护主要金融系统的能量权衡是一个“正净值“的结果。在下方我对现有金融、军事、政治系统做了一个简单的对比。

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图:军事、金融、政治系统、比特币挖矿、金矿每年成本和能耗

第一类文明

在获取更便宜的资源的路上,我们将会在现实世界解放更多的经济富余。比特币,通过捕获这些新的或者分散的能源,不仅将我们带向了 Kardeshex 的第一类经济,同时也可能带领我们距离 Kardeshev 第一类文明更进一步。(根据 Kardashev 指数我们大约在 0.72)。原本到达第一类文明我们需要两百年,而以比特币挖矿作为激励,这个时间缩短到数十年。在达到第一类的状态后,限制能耗增长变得不再必要,这将会提升所有人的生活水平。

注:Kardashev Scale,卡尔达肖夫等级/指数,又称文明发展水平指数,分为三个等级:
类型I :该文明是行星能源的主人,这意味着他们可以主宰这颗行星以及周围卫星能源的总和。
类型II :该文明能够收集整个恒星系统的能源。
类型III :该文明可以利用银河系系统的能源而为其所用。
参考:https://baike.baidu.com/item/卡尔达舍夫等级

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图:人均 GDP vs 人均能源总消耗(2010)

寻找更便宜的电力资源的压力会加速建造核聚变反应堆的步伐。大自然就是如此,通过全宇宙的核聚变(恒星)提供能量。而人类正在通过建造核聚变反应堆模仿大自然。据估计大约需要花费 800 亿美元和数十年时间的研究来最终释放核聚变的能量。核聚变的燃料(主要是氚)在海洋中有丰富的储备,储量几乎能够为全球提供数百万年的能源。核聚变供能作为可再生能源还有诸多好处,比如能够长期使用,没有温室气体排放或空气污染,同时够提供源源不断的高密度能源。另一方面,核聚变供能的生产成本并不存在规模不经济的问题。如水电和风电这样的电力资源,若最优的地理位置已经被开发了,那么若希望进一步利用这些资源就需要寻找次优的地理位置。而对于核聚变发电来说,生产成本几乎不会随着大量电站的建立而提高。因为原材料(也就是海水)到处都有。

水啊,水啊,到处都有水, 也没有任何一滴可以喝。 Samuel Taylor Coleridge

核聚变和其他更便宜的能源将会解决诸如淡水紧缺等人类面临的主要问题。我们被海水环绕,但是海水淡化站需要大量的能量。海水淡化上的成本目前比淡水,地下水,再生水和水源保护都高得多。

人类将会继续探索,上至高山,下至海底,深入原子核心,探索每一个时空结构;去探索能源的增量,而不是困于当下的能源存量。我们将会达到星辰大海。

每年 1.34 兆美元的对手方之间无需信任的结算,并且让所有人使用到更便宜的能源,值得当下 45 亿美元的挖矿成本吗?我想这个问题的答案很明确,是肯定的。

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