“疯狂”的比特币：价格、矿机和算力

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导语：本课堂用通俗易懂的系列内容为大家呈现区块链与密码学领域相关知识。这里有知识也有故事，从感兴趣到有乐趣，全民课堂等你来学。

这个系列中的课程内容首先从比特币着手进行入门介绍，再延伸至区块链的相关技术原理与发展趋势，然后深入浅出地依次介绍在区块链中应用的各类密码学技术。欢迎大家订阅本公众号，持续进行学习。
本课堂内容全部选编自PlatON首席密码学家、武汉大学国家网络安全学院教授、博士生导师何德彪教授的《区块链与密码学》授课讲义。
“疯狂”的比特币价格
比特币最吸引人的是它十几年间创造的价格神话，也是因为比特币“疯狂”的价格，逐渐被人们所熟知。2011年1月，1个比特币还不值30美分，但在随后的几个月内，价格一路走高，突破到了1美元，随后8美元、10美元、15美元、20美元、直到2011年6月9日，1个比特币的价格已经达到29.55美元，逼近30美元。半年时间100倍的涨幅，放在任何金融产品或者商品上，做梦都不敢想。

但是，之后不久比特币交易平台Mt.Gox由于其交易平台本身的漏洞被黑客无情攻击，使平台本身和用户损失颇大，比特币的安全性开始受到众投资者的质疑。

因为此事件的“利空”，比特币价格迎来瀑布式暴跌，到2011年11月，也是半年的时间，比特币价格已经低至2美元，相比最高点跌去了90%以上。
一年后，世界首家比特币交易所在法国诞生，比特币单枚涨至近14美元。“暴涨暴跌”似乎成了比特币的代名词。

时间来到了2017年，这一年是比特币发展史上十分重要的一年，全年时间比特币整体涨幅高达1700%！比特币的价格走势图犹如一轮过山车，暴涨暴跌的走势让投资者进入狂热状态。从数据来看2017年，比特币最低价格是789美元，对应日期为1月11日；而同年12月18日，比特币达到了最高价位：19142美元。

图：2019年3月7日-2020年2月15日比特币价格走势
同年9月，我国发布《关于防范代币发行融资风险的公告》，国内市场骤冷后热度逐渐消退。但在全球市场，比特币依然受追捧。12月18日触及历史峰值后，便开启暴跌之旅。
近两年比特币价格趋于稳定，成箱体震荡形态。在目前全球疫情肆虐的背景下，疯狂的比特币是否会发生新的变数，我们拭目以待。
“疯狂”的矿机和芯片
一提到挖矿大家脑海里可能会涌现如下场景。
实际上两者做的事情差不多，只不过煤炭变成了比特币，而铁锹钻头变成了“矿机”。比特币疯狂的价格和犹如过山车般的价格波动吸引了越来越多的投机者的同时，比特币矿机及芯片技术也取得了长足进展。所谓比特币“矿机”，就是用于赚取比特币的计算机。用户下载专用的比特币运算软件，在矿机上运行相应的软件，参与记账并获取对应的记账奖励。
从比特币诞生以来，比特币挖矿经历了CPU挖矿-GPU挖矿-专业矿机挖矿几个阶段：
第一阶段（挖矿初期）——主要依靠CPU
在比特币发展初期的挖矿难度较小，因此大部分个人PC直接挖矿的收益都大于功耗。

图：CPU
第二阶段（挖矿中期）——主要依靠GPU
随着全网挖矿难度的不断增加，另外，随着比特币价格的疯涨，于是较高端的显卡组装的挖矿设备就诞生了。在其中的一段时间，比特币5天之内从0.008美元涨到了0.08美元，到2010年10月的时候，比特币的价格已经涨到了0.15美元。GPU挖矿时代从此开始了。


图：GPU
第三阶段（挖矿后期）——主要依靠专业矿机（FPGA、ASIC）
CPU，GPU已经无法满足日益旺盛的挖矿需求，矿工们需要更好用的“铁锹”。2013年年初，南瓜张研发了第一台FPGA矿机——南瓜机，开启了FPGA挖矿的新纪元。ASIC芯片也开始不断迭代，从110nm到55nm，从55nm到28nm，从28nm到16nm，再到7nm。出现了烤猫、阿瓦隆、鸽子、比特大陆等矿机公司。


图：矿机
比特币科普之矿机大事记

• 2010年7月18日，一个名叫ArtForz的矿工，第一个实现了用个人的 OpenCL GPU 挖矿。
  

• 2010年12月，Marek Palatinus创建了第一个矿池slusHPOOL，史称“泥潭”。
  

• 2011年1月3日：比特币两周年之际，GPU的算力达到了120MH/S，矿池的算力则达到10GH/S。
  

• 2013年6月，烤猫推出现货USB矿机。
  

• 2014年8月，烤猫推出Tube矿机，算力：850GH/S，功率：900W。
  

• 2016年6月，比特大陆推出蚂蚁矿机S9，算力14TH/S。
  

• 2018年8月，嘉楠耘智宣布全球首个7纳米挖矿芯片成功量产，并应用于阿瓦隆A9系列矿机。
  

• 2019年11月21日晚，嘉楠耘智正式在纳斯达克上市，成为 “全球区块链第一股”，是国内首家赴美上市的矿机企业。
  

“疯狂”的矿场和矿池
随着比特币价格的震荡式飙升，人们仿佛像美国西部刚刚发现金矿一样，纷纷投入“挖矿”的事业之中。由于比特币的产生速率基本保持稳定，但对于单个节点来说，其挖到某个比特币的概率与其算力占所有参与挖矿竞争节点总算力的比例成正比。
因此，随着参与比特币挖矿竞争中的机器及算力大幅上升，单个节点或少量的算力能够成功挖到比特币的概率急剧下降，小规模挖矿参与者的收益难以得到保障，因此两种不同的组织相继登场，分别是矿场和矿池，它们的目的都是集中算力，提升挖矿概率，从而提升收益。所谓众人划桨开大船，可以体现矿工们抱团作战的决心。

图：矿场外部
矿机大多是个人或小规模挖矿的单位，而矿场则是挖矿产业化的标志。简单来说，矿场即为挖矿设备的管理场所。好比从前有信差，给人跑腿儿送信。而产业化之后就成了我们离不开的快递行业。
早期的矿场非常简单，只有一些简单的机架供矿机的安置，同时仅提供简单的网络、电力等资源。


图：矿场内部
除了矿场这种产业化的挖矿方式，还有一种将大量算力较低设备进行联合、共同运作挖矿的平台，即“矿池（Mining Pool）”，加入“矿池”的设备即被称作“矿工”。
在“矿池”中，不论“矿工”所能提供的运算力的多寡，只要是通过加入矿池来参与挖矿活动，无论是否成功挖掘出有效区块，在该矿池挖矿成功后皆可经由对矿池的贡献（即投入的算力）来获得比特币奖励。亦即多人合作挖矿，获得的比特币奖励也由多人依照贡献度分享。这种组织方式实际上并没有提高单个矿工挖矿收益的期望值，但提升了单个矿工收益的稳定性。
截止到2018年10月，根据BTC.com的分析，排名前六的比特币矿池占据整体比特币挖矿算力61.4%的份额。分布如图所示：

图：比特币矿池算力分布饼图
比特币趣闻之最大矿池计算能力比“天河二号”强？
蚂蚁矿池是世界上最大的比特币矿池之一，算力达到了惊人的2500 PH/s。这是什么量级呢？我国天河二号超级计算机，持续计算速度每秒3.39亿亿次双精度浮点运算，是全球超级计算机绝对的强者之一。但如果将超级计算机“天河二号”每秒33P FLOPS（Peta FLOPS）的计算能力换算成哈希计算的话，大约才是蚂蚁矿池的千分之一。
注：1PH/s是每秒1 000 000 000 000次哈希运算
在2012年，矿池总算力之和已经接近比特币总算力的一半。近几年，矿池更是逐渐成为算力的主力，算力呈现集中化趋势。然而，这种集中化的趋势会带来一些弊端。
由于在比特币世界中，算力高即代表着产生记账区块的概率高，即代表着“话语权”（记账权）更强。如果矿池算力不断提升，单加矿池算力达到50%以上，即可以对比特币进行51%攻击，对比特币以及比特币系统的开采权和记账权进行垄断。