Потребление электроэнергии при майнинге криптовалюты - биткойнов

Биткойн (Bitcoin) - это децентрализованная платежная система, которая появилась в 2008 году после Мирового экономического кризиса (Великой рецессии). Пользователи сети Биткойн обменивают на бирже доллары (или другую валюту) на одноименную учетную единицу платежной системы. По состоянию на октябрь 2021 года один биткойн стоил 64 000 долларов. Пользователи сети Биткойн хранят свои монеты в виртуальных кошельках и расплачиваются накоплениями с другими пользователями.

Биткойн отличается от обычных банков отсутствием центрального эмиссионного органа и хранилища. Вместо этого переводы средств контролируются и подтверждаются миллионами компьютеров по всему миру (майнерами), которые выстраивают цепочку транзакций из блоков размером 1 МБ, известные как блокчейн.

Биткойн-майнеры следуют протоколу, который называется консенсусом Накамото. Протокол организует соревнование майнеров, чтобы добавить блок транзакций в цепочку. Первый майнер, которому это удалось, награждается 6,25 отчеканенными за удачную операцию биткойнов. Чтобы выиграть, майнер получает число x, которое является хешем 80-байтового заголовка блока текущей транзакции, и находит одноразовый номер y, такой, что:

SHA256(SHA256(x,y)) ≤ 2²⁵⁶/D,

где SHA256 - это криптографическая хеш-функция, которая генерирует 256-битные выходные данные, а D - еще одно 256-битное число (называется «сложностью»).

D представляется как количество раз, когда компьютерная программа запустится, прежде чем найдет одноразовый номер, который удовлетворит приведенному выше уравнению.

По состоянию на октябрь 2021 года не представлено кратчайшего пути, чтобы вычислить действительный y. Если появится быстрый способ, это будет означать переконструирование SHA256, которое сделает недействительной всю сеть блокчейнов и всю современную криптографию.

Майнеру приходится просто запускать программу и перебирать значения, пока не найдется действительный y. Протокол Биткойн разработан таким образом, что в среднем вся сеть майнеров решает это уравнение каждые 10 минут. Это означает, что за это время в цепочку добавляется новый блок.

Потребление электроэнергии при майнинге биткойнов

Поскольку Биткойн - это анонимная распределенная сеть из миллионов компьютеров, то официальных статистических данных о годовом потреблении электроэнергии системой нет. Однако это число определяется, если посмотреть на хешрейт (общую вычислительную мощность всей сети) и представить характеристики оборудования, из которого состоят майнеры.

Возьмем пиковый хешрейт на 2020 год: 1,2 × 10²⁰ хеш · сек⁻¹.

Затем упрощенно предположим, что сеть состоит из Antminer S19 Pros - высококлассных специализированных компьютеров для майнинга, которые выпустили в марте 2020 года, с производительностью 30 × 10⁻¹² Дж · хэш⁻¹.

Если учесть, что вся сеть в среднем выполняет 1,2 × 10²⁰ хеш-операций в секунду и работает исключительно на Antminer S19 Pros, это дает энергопотребление в размере:

P = 1,2 × 10²⁰ хеш · сек⁻¹ × 30 × 10⁻¹² Дж · хэш⁻¹ = 3,6 × 10⁹ Вт

для всей сети Биткойн.

Это соответствует годовому потреблению энергии в размере:

E = 3,6 × 10⁹ Вт × 24 час⁻¹ × 365 день⁻¹ × 3600 Дж · ватт · час⁻¹ = 1,134 × 10¹⁷ Дж · год⁻¹

Эта оценка - нижняя граница, потому что Antminer S19 Pro - один из самых производительных компьютеров для майнинга на 2020 год и большинство майнеров до уровня этого оборудования еще не дошли.

Есть ли способ снизить потребление электроэнергии?

Даже на нижнем уровне оценки 1,134 × 10¹⁷ Дж · год⁻¹ (32 ТВт-часов в год), которые потребляет сеть Биткоин, результат сопоставим с энергопотреблением Новой Зеландии за 2020 год (44,2 ТВт-часов в год). Хотя неясно, от каких именно источников энергии работают биткойн-майнеры по всему миру, нельзя игнорировать углеродные выбросы от производства 32 ТВт-часов электроэнергии в год. Если источник - природный газ, то количество этого энергетического ресурса вычисляется так:

(1,134 × 10¹⁷ Дж · год⁻¹ / 5,5 × 10⁷ Дж · кг⁻¹) × 44/16 = 5,7 × 10⁹ кг · год⁻¹

Есть ли способ снизить потребление электроэнергии, чтобы обслуживать сеть Биткойн? Один из подходов - изменить протокол майнинга блоков от текущего доказательства работы на так называемое доказательство доли владения. Согласно модели Proof-of-Stake, вместо того чтобы конкурировать и вычислять уравнение хеширования (которое потребляет столько энергии), дать майнерам право голоса и добавлять блоки пропорционально относительной доле в общей корзине криптовалюты. Вторая по величине блокчейн-валюта относительно рыночной капитализации - Ethereum, версия 2.0 - будет использовать протокол Proof-of-Stake вместо текущего Proof-of-Work.

Однако для Биткойна перейти на другой протокол будет намного сложнее по двум причинам. Во-первых, у биткойн-майнеров уже есть все это дорогое оборудование и, следовательно, они заинтересованы, чтобы сохранить текущее положение. Во-вторых, Биткойну не хватает организации, аналогичной Ethereum Foundation, некоммерческой структуры, которая влияет на пользователей протокола Ethereum.

Источник: Finn Dayton. Stanford University