比特幣的能源消耗
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— — 試著轉變觀點
（譯自Bitcoin’s Energy Consumption by Gigi，採CC BY-SA 4.0）（原文發表時間為2018/6/10，請斟酌內文資料的時間性）
你可能聽說過比特幣浪費了大量的能源。你可能也聽說過，到年底時，比特幣將使用全球電力的半個百分點，用於挖礦的計算並沒有做任何有用的事情，如果目前增長率持續下去，它將吸收所有能源，我們都會死翹翹。
我不想爭論數字或拿現在銀行業去跟比特幣的能源使用相比較。我只是想提供一點觀點轉變的線索。
比特幣是極具冒犯、攻擊性的
比特幣是一個全球、無需許可、抗審查的網絡。它天生就帶有攻擊性。它冒犯了政府、銀行家和中央當局。事實上，冒犯銀行家正是這個實驗的初衷。
乍看之下，比特幣似乎是人類曾經想出來最糟的數據庫。除了看起來效率低下且速度缓慢之外，它還以極快的速度消耗計算資源，消耗能量相當於一個小國家。
「與現代分布式數據庫相比，區塊鏈過於緩慢、笨重、不必要地冗余和過於多疑。」 — Dhruv Bansal
正如Nick Szabo所言：「比特幣冒犯了那些注重資源節約和極限效能測量工程師和商人們的敏感神經。」它也挑戰我們認為「浪費能源是不好的、提高能源利用效率才是好的」這種全球共識。
根據一份近期報告，「比特幣網絡目前估計至少消耗2.55千兆瓦電力，未來可能達到7.67千兆瓦，相當於愛爾蘭（3.1千兆瓦）和奧地利（8.2千兆瓦）等國家。」
它因此很容易被關注、被激怒或冒犯。「你知道比特幣使用了與奧地利一個國家相同的能源嗎？小牛因為比特幣而死亡！」
要了解為什麼比特幣網絡需要這些千兆瓦才能正常且安全地運作，我們必須更深入地了解挖礦的細緻區別。
挖礦區塊和比特幣
「挖礦」一詞源於比特幣類似黃金和其他貴重金屬，而不像紙鈔。中本聰在他的文章中明確表達了這一點。
「從這個意義上說，它更像是貴重金屬。供應量並不會因為價值變化而改變，供應量是預先決定的，價值則會發生變化。」-中本聰
因此，比特幣並非印刷出來的，而是被挖掘出來的。即使我們經常談論「挖掘比特幣」，也要記住被挖掘出來的不是比特幣本身。區塊才是被挖掘出來，如果礦工找到有效區塊就會因此得到新的「比特幣」作為報酬。礦工之所以能夠得到報酬是因為找到新區塊很困難。系統設計成自動調整尋找新區塊難度以平均每10分鐘才能發現一個新區塊。
抽象地看，「挖掘比特幣」和「挖掘區塊」二者區別開有助於指出一些事情：
第一、比特幣的挖掘速度與比特幣的能源使用是脫鉤的。如果每個人都決定將用於挖礦的能量加倍，那麼開采出來的比特幣數量不會因此而增加。無論您選擇花費多少能源進行挖掘，供應速率都會是固定的。
第二、礦工所做的不僅僅是創造新比特幣：更重要的是維護網絡安全和連續性、確認交易以及表明他們支持或拒絕變化等等。其中並非所有都需要大量能源，但卻是為何完整節點運行很重要的理由之一。
第三、挖礦不是一個一成不變的流程。挖掘獎勵與難度調整都是動態的，會隨時間改變。
第四、「挖礦」原本就應當花費大量能源。它通過設計讓此過程需要花費大量計算，這也是中本聰設計提供額外奬勵讓人們消耗能量去完成任務的原因。這是中本聰共識的主要成分，也是工作量證明中的工作。它絕對必不可少。
如果沒有更深入地了解挖掘過程，很容易把能量密集的有效區塊搜尋過程與「發現新比特幣」混為一談。從後者的角度來看，似乎所有這些電力都被轉化為新比特幣。
這是錯的。
消耗的能源正是保護公共賬本的屏障，而創造出新比特幣只是其副產品。
加密牆
直到最近，保護某物，意味著在被認為有價值的東西周圍建造一堵厚實的牆。我們都知道怎麼做這件事，也會同意這是明智之舉。
加密貨幣這個新世界是不直觀和詭異的，沒有實體牆來保護我們的錢，也沒有門可以進入我們的金庫。比特幣公共帳本由其集體哈希功率（hash power）所保護：哈希功率，即用於完成其工作量證明鏈中工作所消耗能量之總和。
因此，我們可以將比特幣的能源使用視為一堵巨大的牆 — — 一種電力場 — — 它現在和未來都會保護所有用戶的所有比特幣餘額。
很難說要花多少能量來建造這些加密牆。金融系統是關鍵基礎設施，這就是為什麼該領域中大多數工程師，正確地主張安全性和穩定性至關重要。如果比特幣將成為未來的貨幣，它最好能夠承受高衝擊、低概率事件的考驗。
這些加密牆需要多厚？只有時間會告訴我們。如果比特幣能夠抵禦多個國家級別攻擊者成倍數的攻擊，那麼這些牆就足夠厚了。
挖掘新比特幣的結束
啟動一個新網絡是困難的。這就像，當全世界只有你一個人有傳真機的狀態下，你還要去試圖說服每個人購買傳真機，這真的非常非常困難。正如上面所述，中本聰通過添加區塊獎勵機制來解決此問題，該機制作為（a）比特幣有限貨幣供應和（b）促使人們參與網絡以拓展和保護公共帳本的刺激。
能源消耗對於提供此新金融網絡的安全性至關重要。
「挖掘比特幣」的當前階段，在其中礦工通過高回報得到激勵，是啟動該網絡的巧妙方式。換句話說：今天貪心地挖掘比特幣的每個人都在幫助啟動這個新金融系統，無論他們是否意識到這一點。
如上所述，比特幣會自動調整挖礦難度，形成一個動態、自我修正的系統。如果因為某些原因，挖礦變得更加昂貴，那麼能夠從中獲利的人就會減少，進而導致越來越少的人參與挖礦且降低了挖礦難度。這反過來又使得挖礦變得更容易和更便宜，進而刺激更多人參與到挖礦當中。
隨著時間的推移，經營挖礦業務的財務激勵將會改變。這意味著比特幣的能源消耗也將隨之改變。必然發生這種變化的原因是，比特幣區塊獎勵功能確保了受控、有限的供應。
區塊獎勵每210,000個區塊就會減半，在64次減半後，最終達到零。在最後一次減半之後，挖礦者挖掘新區塊的唯一金錢回饋是來自交易費。
換句話說：「新比特幣的開采」最終將停止。之後將繼續開採有效區塊。
有人可能主張，我們目前正處於比特幣版的淘金熱中，挖礦的回報以及未來預測的回報遠遠超過了投資和能源成本。雖然很難估計多少安全性才足夠，但可以說比特幣網絡目前因這場淘金熱的副作用而「超級安全」（hypersecured）。
我們仍處於比特幣區塊獎勵階段的早期，如上圖所示。
無論比特幣成為貨幣的採納速度是緩慢而穩定，抑或是指數型、拋物線形式，能源消耗的持續指數增長非常值得討論。我認為，在區塊獎勵接近零時，「過度增長」將被取代為在「一種安全性和能源消耗之間達到某種合理平衡」。根據未來比特幣價值以及人們支付交易費用的意願，這種平衡可能更傾向於安全性或更傾向於保守使用能源。
當代的大理石「塊」
一旦你理解了工作量證明，就越來越清楚比特幣網絡的能源消耗不是缺失（bug），而是一個功能（feature）。據我們目前所知，人類無法欺騙熱力學定律。除非在物理、數學和/或量子計算發生了任何世界震撼性的突破，否則，消耗能源是翻轉位元（零與一）的唯一方法，而翻轉位元是挖掘新區塊的唯一方法。
不幸的是，我們對這個新加密世界（還）沒有直觀的理解。完全掌握工作量證明的重要性需要深入多種主題。我們缺乏精確、易懂、優雅的解釋和隱喻。Hugo Nguyen做了出色的工作，解釋了如何通過將能量附加到區塊上將抽象、數字化世界與我們物質世界聯系起來：
「通過向區塊附加能量，我們賦予它『形式』，使其在現實世界中具有真正重量和影響力。」 — Hugo Nguyen
工作量證明本質上是一種機制，可以輕鬆地檢查「我非常努力地創造了這個東西」這種聲明的真實性。從這個角度來看，我們新而花哨的「計算塊」有點像大理石塊，而工作量證明就像觀看美麗的大理石雕像一樣。顯然需要付出很多勞動才能創造出如此壯觀的雕像，因此欺詐是極其困難的。你不能把一塊大理石扔到牆上，大衛這個作品就會掉下來。這不是完全不可能，但非常、非常、非常不可能發生。相反，你必須仔細地用鑿子刻開大理石。人們可能會認為這正是偉大藝術品價值重要原因之一：需要投入許多思考、關心和勞動才能創造它們。
找到有效的區塊而不實際進行工作同樣是不可能的。就像一個醜陋、半隨意雕刻的雕像，無效的區塊可以被簡單地丟棄。然而，當你見到一個有效的區塊時，你立即知道必定有很多工作量投入其中。
在這兩種情況下，藝術品本身 — — 雕像和有效的區塊 — — 本身就是工作證明。
我的觀點是了解其安全屬性及工作證明的價值，連同工作證明的性質、挖掘有效區塊所帶來的激勵，這些能夠協助讓人們把「浪費能源」的看法轉而視為「用於創造有價值事物」。大多數人都珍惜美麗的大理石雕像，正如同越來越多人重視一連串（鏈）有效區塊。
通過純粹性保障安全
另一個被偽裝成缺失（bug）的功能（feature）是比特幣工作證明的隨機性。一個常見的改進建議是，我們可以利用所有這些電力來做其他事情，真正有用的事情，例如找到質數或計算蛋白質折疊，而同時保障網絡安全。
再次強調，對比特幣工作證明算法的反對觀點，根源於認為找到有效區塊本身就沒有意義。但實際上並非如此。
儘管引入第二重獎勵似乎是一個好主意，但同時也引入安全風險。
做其他事情——可能被他人視為有用的事——存在著區分報酬的問題。這意味著挖礦者挖礦時有兩種原因。 — Andreas M. Antonopoulos
區分報酬可能會導致「從事次要功能比從事主要功能更值得」，而比特幣永遠不會出現這種問題。比特幣通過其工作證明算法的純粹性保證其安全性。
如果某人想出了一種更節能的方法來保護開放、去中心化、抗審查、無需許可和信任的價值交換網絡，而不會影響這些特性之一，那麼這個假想未來網絡最終將取代比特幣，解決所謂的能源問題。但是，權益證明可能不是答案。
在未來，我們可能會找到比能源更適合成為評量真相的方法。在此之前，我們應該堅持自己非常有信心的事情：熱力學定律，亦即工作證明所需的工作。
結論
我希望已經種下了轉變觀念的種子：將能源花費在工作證明上不是浪費，而是一個值得追求的目標。
更深入地理解挖礦和工作證明可能有助於說服一些比特幣的批評者，並將觀點從「低效和浪費」的看法轉向為「安全和抗審查」。指出這些細緻差別，也可能有助於理解比特幣的能源消耗，與它的安全性有極為強大的關聯性，而不那麼與其採用、使用或實用性有關。就算網路的使用、比特幣的價格以指數型成長；它消耗的能源也不會一樣是指數型。更好地了解比特幣網絡，還可以幫助人們了解其他解決方案存在哪些缺陷。
中本聰的天才之處，在於他將許多巧妙技巧結合成一個新的經濟遊戲，創造出一個未經中央發行但又具有數字俱稀缺性的物品。這物品是由算力支持，而算力需要能量。
當前的經濟遊戲是圍牆和金庫、閉鎖系統和中央權力的遊戲；新的經濟遊戲是哈希和區塊、公鑰和私鑰，基於數學證明和物理現實的遊戲。這是一個沒有門衛、沒有中央當局、沒有審查或歧視的遊戲。
舊規則導致了一個貨幣價值，一個「我說了算」的系統，從而產生像部分儲備金制度、通脹刺激消費以及甚至超級通脹等神奇把戲，因為印更多錢的誘惑根本無法抗拒。
新規則可能不容易理解。然而，它們可能會引領到一個新的金融現實：基於健全貨幣建立起來的新經濟體系。我們都必須適應這些規則並熟悉這場新遊戲中細微處。同時也要接受使用有限資源來保障這種全新去中心化經濟，需付出資源這個事實。以比特幣的情況來說，這種資源就是能量。
