作者 | Tyler Bain
近年來，有許多人聲稱比特幣和通過SHA-256工作證明保護網絡的礦工消耗了過多的能量。但是，這些聲明所依據的數據是什麼？來源的計算是否使用了有缺陷或合理的方法和假設？歷史上比特幣網絡使用了多少電能？
方法和誤解
由於比特幣網絡的龐大的、分布在全球的拓撲結構，礦工消耗的電力和能源數量無法完全驗證，而是必須進行估計。在過去幾年的能源消耗中，有一大批信譽卓著的消息來源參與進來，試圖以更冷靜、更基於數據的方式估算比特幣的網絡能源消耗：
University of Cambridge, Judge Business School （JBS）
The International Energy Agency （IEA）
Electric Power Research Institute （EPRI）
Coin Center
CoinShares
Marc Bevand
Hass McCook
Alex de Vries
Myself
估算方法似乎分為兩大類：基於財務假設的經濟學方法和基於工程原則的基於物理的方法。在BTC2019 大會上，我們對這兩種估算方法進行了全面的比較和對比。
在理解所有這些年度使用量估算時，重要的是要理解電力消耗通常以兩種方式測量：瞬時（功率、瓦特、千瓦等）和隨時間集成的相同瞬時功率測量（能量、焦耳、千瓦小時（kWh）等）。
基於經濟的網絡能量估算的問題
估計比特幣網絡能源消耗的基於經濟學的方法通常假設完全理性的市場行為，可以很容易地通過一些輸入變量錯誤假設來操縱。
從理論上講，比特幣挖礦行業是理性的、利潤最大化的、完全競爭的：挖礦邊際收益應趨於等於邊際成本（MR = MC）。這意味著，在足夠長的時間內，市場應該會找到一個平衡點，在這個平衡點上，比特幣生產的每一單位所消耗的能源成本應該大致等於比特幣鑄造時的市場價值。這種計算方法可以提煉為：「比特幣網絡礦工能承擔多少電力支出？」
通常，這些類型的估計過於依賴一個單一的波動變量：比特幣的市場交易價格。下面是這種估算的一個簡單例子：
讓我們試試這個估計，比特幣大約每10分鐘產生一個區塊——每小時6個，或者每天144個。目前，一個比特幣區塊包含6.25 BTC的coinbase區塊獎勵；也就是每小時37.5個比特幣，或者每天獎勵給礦工900個新比特幣。截至撰寫本文時，比特幣目前的市場交易價格約為10,750美元，相當於比特幣礦工每天可用於發電的金額為9,675,000美元。
這個能量相當於比特幣礦工每年大約35.3太瓦時的用電量，假設比特幣一年的價格不變，美國的平均電力成本不變。
雖然這種方法過於依賴比特幣價格，但它也嚴重依賴礦工的假設電力成本。這類估算的計算和結論可能會有很大的不同，甚至可能受到操縱，這取決於用作輸入的假設：能源成本（$/kWh）和比特幣價格（$/BTC）。
這裡我們使用的是美國平均電力成本0.10美元/千瓦時。然而，在美國，電力成本實際上是季節性的，州與州之間，城市與城市之間，在某些情況下，社區與社區之間。全球電力成本也存在同樣的不協調。這甚至還不包括廣泛的工業、商業或住宅用電費率，給這些基於經濟的估算技術增加了更多的誤差來源。事實上，這種計算對能源價格的嚴重依賴還有另一個缺陷：一些擁有高度創造力的礦商在開採過剩、否則就會被浪費、無法獲取或被削減的能源時，燃料成本幾乎為零。
在我看來，這一快速練習強調了為什麼這種基於經濟的估算方法是一種過於簡單化的方法，並伴隨著以下問題：
比特幣挖礦、算力以及網絡能源消耗對突然價格變動的響應不如這些基於經濟的估計方法。
基於經濟學的模型聲稱，在比特幣區塊獎勵減半的周期（即每21萬個區塊或大約4年）之後，能源使用量以及網絡礦工獎勵都會減少一半，而難度和基於工作證明的數據則證明了這一點。
這類模型假設單一的全球平均能源成本（$ kWh）；電能成本因地區、季節甚至能源來源的不同而有很大差異。
這可能是一個上限估計。
基於物理的網絡能量估算的好處
另一方面，基於物理的網絡能量估算方法往往是比特幣社區所習慣的一種非常嚴格的「數字運行」類型。
這些方法使用獨立驗證的鏈上難度、工作證明數據和原始設備製造商（OEM）公布的熱率標準，更準確地估計歷史能量輸入比特幣挖礦系統。物理評估嘗試最好可以描述為「比特幣化學計量比率單位分析計算：」
因此，讓我們使用比特幣工作量證明數據和OEM發布的數據來嘗試這種類型的估算。比特幣網絡難度每2016個區塊自我調整一次，或者大約每兩周調整一次。這種難度調整是為了彌補塊生產速度的差異，從而彌補網絡算力的波動。
這種難度和工作量證明的關係使我們能夠根據塊生成率和相關的難度級別推導出網絡算力的估計數。從過去十年在不同難度級別上所做的工作量，我們可以大致估算出比特幣網絡每年計算的SHA-256哈希量，如下圖所示，單位為每年萬億哈希數（Th/year）或每年萬億哈希數。我們也可以對每天的數據做同樣的練習，以產生更細微的計算。
到2020年，比特幣在網絡上大約有3934個yota hashes被計算出來，或者大約3934個septillion哈（「yota」和「septillion」是迄今為止科學國際（SI）中前綴最大的，（10 ））。
現在我們對每年的哈希值有了一個估計，接下來我們必須彙編過去11年的礦機效率數據，以了解產生這麼多工作需要多少能源。
這裡，重要的是要了解多年來為比特幣區塊鏈提供工作的不同類型的挖礦設備。每個時代和年份都有明顯不同的工作證效率特徵，這些特徵隨著時間的推移會改變網絡的能耗值。比特幣創世紀塊由工作來自CPU（中央處理器），塊最終被採用GPU（圖形處理單元），然後在FPGA（現場可編程門陣列），最後ASIC（專用集成電路）比特幣網絡以驚人的速度發展。
重要說明：效率定義為完成該功所消耗的能量所做的有用功（terahash/joules- Th/J）。然而，ASIC原始設備製造商通常引用一種類型的熱率規格，或效率的倒數，顯示能量消耗比有用的功（joules per terahash- J/Th）。
正如在下面的對數比尺圖中所看到的，在過去的八年中，比特幣挖礦ASIC的熱度每年都在穩步下降，這意味著網絡挖礦效率一直在提高。
將這些數據轉換成每年的平均熱率（下圖）顯示，在比特幣挖礦的整個歷史中，類似的急劇下降。CPU、GPU和FPGA基準以及公布的OEM電源使用數據被用來估計2009年至2012年網絡平均算務。ASIC在2020年宣布的礦工在上面和下面被可視化，以顯示算力熱率的持續下降，但他們從能量估計中被丟棄，因為他們還沒有公開可用。
所以，現在我們已經編譯了所有必要的數據（年算力和年算力熱率），讓我們通過工程師對比特幣挖掘能量化學計量學的嘗試將它們結合起來：
簡單地將每年完成的功（terahash/年）乘以系統上礦工的年估計熱率（joules/terahash），你就得到了joules/年的估計。我們將把joules/年換算成kWh/年（1kWh等於3.6百萬joules），以下圖表顯示年度能量估算值。
然而，這種基於物理的估算方法也存在一些問題：
按效率級別計算的活躍礦工的數量是未知的，這個基於物理的模型假設市場上所有的礦工模型在發布年份中都有同等的參與。
這個模型也使用了一個階躍函數的年度熱率數據作為輸入。這個年度數據會在每年的第一天突然改變，隨著老礦工逐漸退休，新礦工開始工作，熱率的逐漸下降會更加現實。
它假設老礦工在一年後退休，這也不太可能，因為設備的生命周期目前為兩年或更長時間。
這可能是一個下限類型的估計。
比較不同的網絡能量估計
在前面提到的計算嘗試中，這些年度能源消耗估算落在什麼位置？有趣的是，我們的這兩種計算，即使使用完全不同的方法和上面討論的所有缺點——基於經濟學的估算（35.3 TWh）和基於物理的估算（40.17 TWh）——在數值上非常相似。它們也屬於由值得注意的個人、實體和機構所作的各種其他流行估計的範圍，如下表所示。所有這些估計量都相當相似，這使得各種不同的估計人員以及所使用的各種方法和不同假設具有可信性。
值得注意的是：比特幣網絡算力（EH/s）似乎開始與一般的年度能量（TWh/year）估計趨勢脫鉤。如果是基於物理的估計，這可能是由於SHA-256 ASIC挖礦設備的熱率下降，如果是基於經濟學的估計，或由於減半和價格停滯。
上面的圖表顯示了發布時的年度能源估算快照（TWh/year），但其中一些來源（劍橋大學[C-BECI]和Alex de Vries [D-BECI]）實際上在幾年前的每日圖表上發布了這些年度估算。這又回到了前面關於能量與能量的討論：邏輯應該防止在日軸上繪製年度能量估算。
無論如何，我認為有必要將這些已公布的估計數據與我們使用更連續的時間序列數據（回溯到2017年底（之前的市場歷史高點））進行比較。經濟和物理計算，劍橋的估計，以及Digiconomist的結果在時間上都是相當相似的，這些不同的估計技術，再一次增加了一些同行審查和有效性。
們的上述估算方法似乎與其他各種每日間隔的年度能量估算很好地一致，因此它們被平均在一起，創建了一種複合比特幣能量指數（CBEI），如下面的TWh/year所示。每一種估計都有不同的假設，不同的水平和不準確性來源，因此它們的組合可能更準確。這個複合估算（CBEI）最近剛剛重新測試了比特幣每年網絡能源消耗總量的60 TWh閾值。
這個綜合能量指數與比特幣網絡隨時間的算力相比如何？在2019年初前後，CBEI顯示出類似的脫鉤現象，算力和能源繼續上升，能源消耗保持相對穩定，ASIC熱率和比特幣挖礦激勵已經收縮。
有趣的是，快照比特幣消費估計通常是外推全年的，以TWh/年的能量值表示，沒有支持時間數據或證據。每日的網絡功率估計要比繪製在每日圖表上的所有這些年度能源消耗估計更受歡迎。圖表的錯誤之處在於讓人們大量誤解數據的驚人圖表錯誤：以日為軸繪製的年度能源估計數。因此，我冒昧地將這些每日間隔估計數轉換為每日功率估計數圖，以糾正上述導致數據誤解的圖表錯誤。
我提出了綜合比特幣功率指數（CBPI）編譯從D-BECI和最小值，C-BECI最大值，最小值和估計，以及我們以上的經濟學和物理基礎上的估計。
這個CBPI組合估計比特幣的瞬時用電量，用瓦特表示，瓦特是電力的單位。CBPI的峰值最近達到了近7.58 GW，或者說是大約6臺德羅寧時光機的1.21 GW。
環境中的CBPI
這麼大的能量值是很難理解的，特別是在每年的情況下，所以讓我們通過一些快速的比較來正確地看待這些估算：
銀行系統消耗650TWh/年
黃金開採200 TWh/年
PC和主機遊戲75 TWh/年
比特幣挖礦（CBEI） 60 TWh/年
紙幣和鑄幣11 TWh/年
美國聖誕彩燈7TWh/年
基於我們以上的估計，比特幣網絡大約消耗40至60太瓦時/年，或約0.15%的全球年發電量（26，700太瓦時），只有約0.024%的全球總能源產量（14，421，151 ktoe）。（ktoe也是能量單位：1000噸石油當量，11.36兆瓦時。）
因此，如今比特幣的能源消耗只是很多人認為的一個重大問題：只是不斷增長的人類能源消耗的一小部分。一個世紀前，Nikola Tesla就提出了這個問題的有趣的解決方案。就在2020年9月，一項研究稱，近76%的比特幣網絡是由清潔能源供電的。此外，請記住，一旦愛因斯坦發現了質能等效性，人類利用了蘊藏在原子中的能量，推動人類進步的能源已經變得非常豐富。
Tyler Bain 作者
Sherrie 翻譯
Sherrie 編輯
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