什么是工作量证明 - 保护比特币的计算彩票

想象一下，花费数百万美元购买专用计算机，只是为了整天猜测随机数字，没有任何保证你会赢。再想象一下，说服世界上成千上万的人做同样的事，创造出一个计算机军备竞赛，消耗的电力比某些国家还多。这就是工作量证明，然而这个看似荒谬的系统在十多年里，成功地保护了数万亿美元，没有人能成功破解它。

工作量证明（PoW）是保持比特币安全的共识机制，不需要银行、政府或任何中央权威。它基本上是一个全球性的计算彩票，矿工竞相猜测一个中奖号码，胜出者可以获得新创造的比特币和交易费用。

漂亮又有争议的是？它故意使验证变得昂贵且耗能，这反而使网络非常安全。你不能伪造计算工作，也无法作弊物理法则。

运行比特币的计算彩票

想象工作量证明就像试图解开一个组合锁，但不是三位数的代码，而是一个64位的十六进制数。你不能通过逻辑找出答案，不能用数学推导，不能走捷径。你只能尝试不同的组合，直到碰到正确的那个。

这实际上就是比特币矿工每秒钟做成千上万亿次的事情，谁运气好先猜中就赢了一轮。

当有人发送比特币时，那笔交易会广播到网络并进入内存池。矿工抓取一些这些交易，将它们捆绑成一个区块，并竞相找到一个称为随机数的特殊数字，这个数字与区块数据一起哈希后，产生的结果以特定数量的零开头。需要的零越多，谜题就越难。

第一个找到有效随机数的矿工可以将他们的区块添加到区块链上，并获得奖励——目前每个区块奖励6.25个比特币，加上所有的交易费用。按照今天的价格计算，这意味着每十分钟就有数十万美元的收益，这解释了为什么人们愿意花费大量的电力和硬件。

为什么暴力破解随机数居然有效

你可能认为这听起来极其浪费，你也不会错。但这就是天才之处：工作量证明将比特币的安全性从抽象的概念转化为可以衡量的实物。安全性不依赖于信任、声誉或法律合同，而依赖于纯粹的计算能力，这是不能被伪造的。

网络每2016个区块自动调整难度（大约每两周一次）以保持平均区块时间为十分钟，无论有多少矿工加入或退出。比特币在2009年上线的时候，你可以用笔记本电脑挖矿。现在，网络的算力大约为400 exahash每秒—每秒400千万亿次的猜测。

这种天文级的计算努力使比特币几乎不可能被攻击。如果有人想劫持网络并逆转交易（臭名昭著的51%攻击），他们需要控制超过一半的计算能力。我们谈论的是数十亿美元的ASIC矿机加上每天数千万的电力成本。

值得一提的是：成功攻击网络可能会导致比特币价格暴跌，使你的昂贵攻击在经济上自毁。就像花费一百万美元去偷一辆会在你开走时爆炸的车。

电力大象

工作量证明消耗大量电力。比特币的年化消耗与中等规模国家差不多，每年约150太瓦时—大致相当于阿根廷的电力消耗总量。

批评者称，我们正在燃烧化石燃料来解决无意义的数学问题。而信徒则反驳，这个能源成本是特性而不是漏洞—比特币保护的是一个全球无许可的金融网络，没有可信的中介。问题不在于PoW是否耗费大量能源（它确实消耗很多），而是是否值得。合理的人对此有分歧。

比特币的能源消耗非常大。相当一部分来自化石燃料，尽管估计现在有40-60%使用可再生能源。矿工寻找最便宜的电力，这意味着越来越多地采用可再生能源—水电或太阳能。某些操作设在自然气燃烧的地方，将废气转化为计算。另一些则提供电网稳定。

这是否使比特币的能源使用变得值得，仍然是加密货币界的最有争议的辩论。没有客观答案—这取决于你重视什么。

挖矿经济学

比特币挖矿变得如此竞争激烈，以至于笔记本电脑毫无用处—你将在几年的时间里花费数千美元的电力费用来赚取几分钱。成功的挖矿需要ASIC（专用集成电路）—只做一件事：计算SHA-256哈希值。它们价值数千美元，像几户家庭一样消耗电力，并产生需要复杂冷却的巨大热量。

最大的运营商在电价便宜的地方如德克萨斯州农村、哈萨克斯坦、挪威和冰岛运行数万台机器。盈利能力取决于比特币价格、网络难度、硬件效率和电力成本。当比特币在2021年达到69000美元时，挖矿非常有利可图。在2022年达到16000美元时，许多矿工处于亏损或关停。

比特币减半施加了压力。每210,000个区块（约四年），区块奖励减半。2009年开始时为每个区块50个比特币，目前为6.25个比特币，下次减半将减少到3.125个比特币。

以太坊为何抛弃工作量证明

以太坊在2022年9月（合并）时著名地抛弃了工作量证明，转向权益证明（PoS）让验证者锁定ETH作为抵押，而不是解决难题。没有了挖矿或国家规模的电力消耗。以太坊的能源使用减少了99.95%—从每年93太瓦时降至0.01太瓦时。

这不仅是环保问题。权益证明为更快的交易和更容易的扩展打开了可能性。PoW以太坊处理15 TPS—与Visa数千的相比，无比缓慢。

比特币支持者认为PoS在比特币的规模下尚未经过测试，什么都比不上PoW的安全坚韧。以太坊支持者反驳PoS安全性足够，并且浪费电力是不可原谅的。两者都有各自的观点。时间将证明哪一种更持久。

未来与评判

比特币不打算在短期内转换到权益证明，也许永远不会。比特币社区对协议变更持非常保守的态度。工作量证明被认为是核心，而不是漏洞。更改它需要全体一致通过—鉴于对PoW安全模型的哲学承诺，这种可能性不大。

由于环境问题，一些国家禁止了PoW挖矿。中国2021年的挖矿禁令一夜之间使比特币的算力下降了近一半。几个月内，矿工迁至哈萨克斯坦、美国和加拿大，算力恢复—展示了地理集中风险和网络的韧性。

但是，工作量证明不会消失。除了比特币，狗狗币、莱特币和门罗币都使用PoW。挖矿行业正在与可再生能源策略、废热捕获和模块化容器部署到任何存在廉价能源的地方进行演变。

诚实的评估是：工作量证明既富有创意又有问题。它解决了拜占庭将军问题，创造了第一个真正去中心化的数字货币。真正的革命性。但它消耗了巨大的能源，而权益证明以99.95％更少的电力实现了同样的事。

是否值得取决于你看重什么。如果你认为比特币不可审查的、无许可模式正当化了能源消耗，那么PoW是必要的—没有可信参与者的安全代价。如果你认为为任意数学消耗电力不可原谅，当替代方案存在时，那它是浪费的。

无可争辩的是：工作量证明把一个抽象想法变成了现实，已经过14年以上的实战考验，并继续按设计运作。它是金钱的未来，还是一个有趣的死胡同尚未可知。现在数千台ASIC矿机正在嗡嗡作响，猜测数字，燃烧电力，保护比特币—一个计算彩票一张接一张。

参考文献

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2. Cambridge Centre for Alternative Finance - "Bitcoin Electricity Consumption Index" - https://ccaf.io/cbnsi/cbeci
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4. Bitcoin Mining Council - "Energy Report" - https://bitcoinminingcouncil.com/
5. Ethereum Foundation - "Consensus Mechanisms" - https://ethereum.org/en/developers/docs/consensus-mechanisms/
6. Crypto51 - "51% Attack Cost" - https://www.crypto51.app/
7. Harvard Business Review - "Bitcoin Energy Consumption" - https://hbr.org/2022/05/how-much-energy-does-bitcoin-actually-consume
8. ARK Invest - "Bitcoin Mining and Energy" - https://ark-invest.com/articles/analyst-research/bitcoin-mining/
9. CoinDesk - "China Bitcoin Mining Ban" - https://www.coindesk.com/policy/2021/09/24/china-bitcoin-mining-ban/
10. Ethereum Foundation - "The Merge" - https://ethereum.org/en/roadmap/merge/