Почему биткоин требует много энергии

Почему биткоин требует много электроэнергии

Сегодня постараюсь ответить на вопрос, куда уходит электричество в сети Биткоин и почему я считаю биткоин с одной стороны шедевром в ИТ-технологиях (чем глубже погружаешься, тем больше получаешь эстетическое наслаждение), с другой стороны — безобразно адским пожирателем наших ресурсов. «Ужасно красиво» — наверное наиболее точно описывает мое ощущение.

Для справки: Энергопотребление сети Bitcoin сравнимо с потреблением Чехии(на момент написания статьи) и постоянно растет (digiconomist.net/bitcoin-energy-consumption).

Отмечу, что данная статья не ставит целью рассказать о том, как устроен биткоин или блокчейн в целом, речь пойдет только об одной, правда достаточно важной части технологии. Ниже «пояснения на пальцах» с рядом грубых упрощений.

Блокчейн биткоина — это большой длинный файл(порядка 200 Гигабайт на момент написания статьи), который раз в 10 минут (в среднем) дополняется очередным блоком данных (размером до 1 Мбайта). Основная статистика — bitinfocharts.com/ru/bitcoin
В каждом блоке записан список «транзакций» — перемещение «денег» с адресов одних кошельков на другие кошельки. Для простоты я буду называть транзакции банковским термином «переводы».

Чтобы управлять своим счетом и делать переводы вам нужно установить специальную программу — так называемый кошелек. С помощью кошелька вы формируете заявку перевод и рассылаете ее всем майнерам (через специальные узлы сети), которые решают — брать вашу заявку в обработку или нет. Перевод может считаться завершенным (почти) только после попадания вашей заявки в файл блокчейна.

Многие думают, что предназначение майнеров — добыча биткоинов, однако это не совсем верно. Основная задача майнера — сформировать блок «переводов/транзакций» и «подписать» его «цифровой подписью». «Цифровая подпись» будет гарантировать, что операции по переводу монет останутся неизменным на протяжении всего существования биткоина. «Подпись» всегда можно перепроверить, повторно пересчитав и сравнив с той, которая хранится в блокчейне. Формируется подпись с помощью так называемой хеш-функции и выглядит в виде последовательности символов, называемых «хешем».

Хеш может выглядеть, например, вот так:

Примитивный пример хеш-функции — «сложить все цифры в числе». Давайте рассчитаем «хеш» для строки цифр «256789». Просуммируем 2+5+6+7+8+9=37. Хеш равен 37. Если кто-то попытается подделать строку, и переписать ее как 25 7 789, то пересчитав хеш, мы получим 38, а не 37 и поймем, что строка была подделана.

Конечно, такая условная хеш-функция слишком проста, если вы сделаете две правки 25 76 89 — то проверка ничего не выявит. Поэтому математики разработали более сложные алгоритмы, взломать которые за разумное время невозможно.

Итак, каждый майнер формирует блок «переводов», выбирая понравившиеся ему «заявки». Предположим сформирован такой список переводов(транзакций):

Вова перевел Саше 10 монет
Джон перевел Кларку 5 монет
Серик перевел Нурлану 12 монет

Вот пример онлайн сервиса по расчету хеш-функции SHA256 passwordsgenerator.net/sha256-hash-generator. Давайте скопируем и вставим наш список переводов и рассчитаем хеш.

Попробуйте изменить хотя бы один символ, поэкспериментируйте — даже при малейшей корректировки хеш становится совершенно другим!

Ну хорошо, скажите вы, все мутно и почти непонятно, а где бабло и электроэнергия.

Спокойствие, мы подошли к финалу. Несложно заметить, что расчет хеш-функции занимает доли секунд. Но нам нужно, чтобы расчет занимал около 10 минут. Помните, я в самом начале писал, что блоки в файл блокчейна добавляются приблизительно раз в 10 минут? Почему именно 10 минут? Данное время выбрано экспертным путем, чтобы вся система биткоина с одной стороны не была перегружена многочисленными мелкими блоками и информация о транзакциях успевала распространиться по сети среди участников системы, с другой стороны переводы совершались в разумное(условно) время. Т.е. нам нужно чтобы каждый новый блок записывался в блокчейн не чаще, чем раз в 10 минут (в среднем). Значит нужно добиться, чтобы хеш рассчитывался не доли секунд, а минуты. Как это сделать? Подумали-подумали и решили — а давайте заставим майнеров рассчитывать хеш-функции много много много раз!

Достигнуто это следующим способом. В список «переводов» добавлена еще одна строчку:

Вова перевел Саше 10 монет
Джон перевел Кларку 5 монет
Серик перевел Нурлану 12 монет
Число для подбора: 1

Задано условие — господа майнеры, система примет от вас такой блок, в хеше которого первые 10 цифр должны быть нулями! Вот вам специальный параметр — «Число для подбора», ставьте туда любое значение до тех пор, пока не получится хеш с 10 нулями в начале.

На самом деле ставится условие — хеш должен быть меньше определенного числа, называемого «Сложность Майнинга». Эта сложность периодически пересматривается. Если статистика показывает, что время нахождения «правильного» хеша стало меньше 10 минут, сложность повышается, т.е. (чтобы окончательно запутать тех, кто дочитал) число, определяющее сложность майнинга уменьшается.

Теперь вы можете попробовать себя в роли майнера. Скопируйте указанный текст и начинайте перебирать «число для подбора» в ожидании, когда же вывалится хеш с нужными параметрами.

Сразу предупрежу — в силу своей сложности нет никакого разумного способа рассчитать данное число, кроме тупого перебора.

По этой причине куча майнеров со всего мира денно и нощно рассчитывают хеш-функции, перебирая числа, пока кому-то не повезет и у него вывалится хеш с нужным количеством нулей. Еще раз — майнеры не рассчитывают какую-то одну очень-очень сложную математическую операцию, для которой требуется много вычислительных ресурсов и времени. Они просто тупо перебирают результаты, в поисках красивого нужного количества нулей в начале хеша. Совершенно бессмысленная (с точки зрения стороннего наблюдателя) работа, так как 100%-1 рассчитанных по всему миру хешей никем и никогда не используются! С таким же успехом (но гораздо большей пользой), можно было заставить майнеров, например, приседать 600 раз (постепенно увеличивая это число по мере роста силы ног), вот только приседания проконтролировать сложнее.

Это один из ключевых моментов, важно в нем разобраться.
Итак, чтобы записать блок транзакций/переводов в блокчейн, нужно его подписать «цифровой подписью», на расчет которой уходят доли секунды, а электричества тратится столько, что лампочка даже не успеет моргнуть. Никаких сложных расчетов для работы системы в целом не нужно. Несколько лет назад, когда биткоин никому не был известен, система работала на слабеньких компьютерах и вполне себе нормально существовала. Для работы блокчейна не играет роли, сколько нулей будет в хеше в самом начале — десять, пять или ни одного. Это никак не скажется на надежности хранения информации и защите от взлома. Сложность создана искусственно, для увеличения времени попадания каждого блока в блокчейн до 10 минут.

Ответ на вопрос куда уходит электричество — на расчет миллиардов и миллиардов хеш-функций в поисках результата с нужным количеством нулей в начале.

Ну и самое важное — если майнер нашел хеш, удовлетворяющий требованиям, и если его блок записывается в блокчейн, система начисляет вознаграждение такому майнеру — несколько новых биткоинов (сейчас 12.5). Вот оно, то самое место, где появляются деньги! Ради этой награды жгут электричество и покупают видеокарты (уже нет). Именно так создаются новые биткоины в системе.
Также майнер зарабатывает на комиссиях от каждой проведенной им транзакции, но пока это не самые интересные доходы.

Надеюсь теперь вы понимаете, почему биткоин на блокчейне — красивая технология с точки зрения ИТ-эстетики, но совершенно чудовищная, с точки зрения использования вычислительных ресурсов и ресурсов нашей планеты в целом.

Можно ли что-нибудь сделать? Можно ли как-нибудь другим способом выдерживать эти 10 минут? Есть кое-какие предложения (Proof of Stake), как можно модифицировать протокола блокчейна в части криптовалют, предложения эти существуют уже давно, однако успешной практической реализации пока не получили.

Поэтому шуршим ноликами и греем атмосферу.

P.S.:
Если кто-то хочет почувствовать майнинговую удачу и найти правильный результат хеш-функции, предлагаю вам поиграться с фразой «Hello, world!»
Введите «Hello, world! 0 » в сервис по расчету хеш-функций => 1312af178c253f84028d480a6adc1e25e81caa44c749ec81976192e2ec934c64

теперь последовательно меняйте «нолик» на следующие цифры до тех пор, пока в начале хеша не выпадет 4 нуля.

Открываю тайну — правильный результат:

Надеюсь, что в процессе упрощения не выкинул «ребенка вместе с водой». Если у вас есть вопросы или дополнения, пишите в комментарии, постараюсь ответить.

Источник

Пять мифов об энергопотреблении биткоина

Недавний рост цен на биткоин сопровождался бумом «сенсационных» журналистских материалов, рассказывающих о его высоком энергопотреблении. Руководитель исследовательской группы в некоммерческой организации Coin Center (Вашингтон) Питер Ван Валкенбург развенчивает пять мифов об энергопотреблении биткоина, с которыми читатели могли столкнуться в интернете или на страницах газет.

Миф 1: Майнеры тратят бездну электричества, осуществляя бесполезные вычисления

Люди, не понимающие фундаментальную компьютерную технологию, лежащую в основе биткоина, предполагают, что единственное занятие майнеров — жечь электричество с целью обогатиться новыми биткоинами. Эти критики заблуждаются, но их можно понять, поскольку сам термин «майнинг» несколько вводит в заблуждение. Откройте white paper биткоина, выпущенный в 2008 году. На его страницах вы не найдёте термина «майнеры» применительно к людям, которых мы называемых майнерами в наши дни. Единственно, как в документе упоминается майнинг, — присутствует параллель с добычей (майнингом) золота; в целом автор white paper называет участников сети биткоина узлами (нодами). Термин «майнер» впервые всплыл в 2010 году на интернет-форуме BitcoinTalk, и какое-то время наравне с майнингом использовалось слово «чеканка» (minting). Когда за технологиями не стоят унифицированные корпорации или инвесторы, их совершенствующие и продвигающие, то термины, которые их описывают, органически возникают из недр сообщества пользователей. Майнинг — обманчивый термин, поскольку скрывает факты. Майнеры, то есть рудокопы или золотодобытчики, с серьёзными затратами выкапывают огромные ямы в земле, чтобы находить и извлекать на свет имеющие рыночную ценность металлы, минералы и драгоценные/полудрагоценные камни. Добывая эти ценности, они сжигают ресурсы. Несомненно, майнеры биткоина занимаются чем-то похожим, однако они с помощью фундаментальной новаторской технологии ещё и подтверждают действительность данных в компьютерной сети, осуществляющей работу механизма открытого консенсуса.

Можно дать исчерпывающее объяснение механизма майнинга, но лучше немного поговорим об открытом консенсусе. Он, бесспорно, полезен и не мог быть реализован в прошлом. Биткоин является не только активом, но и сетью связанных в интернете компьютеров, совместно ведущих учёт всех транзакций. Пользователь присоединяется к сети с помощью бесплатного программного обеспечения через устройство, имеющее выход в интернет. Далее компьютер позволяет ему посылать платежи в биткоинах на другие компьютеры и получать средства от других участников сети. Кроме того, компьютер помогает хранить и обновлять постоянно растущий список всех транзакций, именуемый блокчейном. Люди доверяют биткоину как средству сохранения стоимости и средству расчёта во многом потому, что могут видеть этот блокчейн и все транзакции за всю историю его существования (включая собственные).

Теперь вернёмся к вышеупомянутому открытому механизму консенсуса. В данном контексте консенсус означает всего лишь соглашение; мы просто пытаемся заставить группу компьютеров согласиться. Механизмы создания консенсуса нескольких компьютеров существуют с 1980-х. Эти старые механизмы позволяют, например, шести дата-центрам, принадлежащим IBM, синхронно хранить и обновлять важные для компании резервные данные. Сеть биткоина также хранит данные (транзакции) в кластере машин, и эти устройства должны поддерживать консенсус. Инновацией фундаментальной технологии блокчейн стал открытый механизм консенсуса. В нашем примере с группой компьютеров IBM только установленное число компьютеров (то есть шесть дата-центров) может участвовать в процессе одновременно, и только компьютеры, авторизованные IBM, могут присоединиться к работе (это своего рода внутрикорпоративная сеть). Механизм консенсуса биткоина позволяет участвовать бесчисленному числу компьютеров, и присоединиться может кто угодно (что в большей степени напоминает интернет). Это и подразумевается под открытым механизмом консенсуса. Именно поэтому люди говорят, что биткоин «децентрализован», и потому будет уместно назвать биткоин цифровой p2p-валютой в сравнении с централизованными цифровыми деньгами, созданными такими компаниями, как PayPal или Venmo, которые решают, кто вправе добавлять новые платёжные данные, и сами добавляют их. В старых закрытых механизмах консенсуса участники по очереди добавляют новые данные, и все они могут быть идентифицированы (и заранее известны). Если же число участников бесконечно, то как заставить их чередоваться и как можно узнать, что они не мошенничают? Именно здесь на сцену выходит майнинг биткоина. Каковы характеристики майнинга?

1. Майнеры выбираются случайно, по принципу лотереи.
2. Победитель выбирается каждые десять минут посредством алгоритма.
3. Чтобы быть выбранным, необходимо осуществлять дорогую и верифицируемую вычислительную работу («лотерейные билеты» стоят немалых денег).
4. Майнеры, пытающиеся ввести в блокчейн недействительные транзакции, не могут быть выбраны.

Этот механизм делает мошенничество неэффективным, поскольку майнеры платят высокую цену даже за то, чтобы получить право участвовать в лотерее, и теряют свой статус, если пытаются представить недействительные транзакции. Лотерея всегда остаётся честной, поскольку цена «билетов» увеличивается по мере того, как их покупает всё больше людей. Иначе говоря, майнеры вынуждены состязаться. Таким образом, если множество людей желает тратить вычислительные мощности на присоединение к консенсусу, то цена участия растёт вместе с ростом сложности необходимой вычислительной работы. Больший объём вычислений подразумевает большую потребность в электричестве. Соответственно, энергопотребление биткоина растёт.

Где-то эту систему можно рассматривать как «машину» Руба Голдберга (американский карикатурист и скульптор, известный карикатурами, в которых выдуманное сложное оборудование выполняет примитивные и никому не нужные операции — прим. ред.). Если вы рассматриваете её именно так, значит, вы начали понимать, что такое биткоин! Это действительно сложный механизм, но на сегодняшний день единственный, позволяющий большому числу не идентифицированных компьютеров соглашаться с общими данными. Таким образом, это единственный путь к электронным p2p-деньгам. Энергопотребление в данном случае какое угодно, но только не бесполезное, поскольку энергия идёт на защиту данных транзакций стоимостью в сотни миллиардов долларов. В отличие от энергии, используемой «майнером» золота, здесь электричество идёт на обеспечение «золотом» широкой публики: возникает сетевая инфраструктура p2p-платежей, доступная любому жителю планеты со смартфоном и выходом в интернет.

Миф 2: Энергопотребление будет расти по мере увеличения числа транзакций; если биткоин когда-либо масштабируется до глобальных уровней, то океаны закипят

Это в корне неверно. Мы уже выяснили, что энергозатраты на майнинг увеличиваются пропорционально интенсивности соперничества майнеров, а не числу подтверждённых транзакций. Подтверждение посредством цифровой подписи требует незначительного объёма вычислительной мощности. Не самый новый ноутбук способен верифицировать подпись за миллисекунды, и найти отражение этой работы в счёте за электричество едва ли возможно.

Почему возникает столь огромная конкуренция и соответствующие ей расходы? Причины чисто экономические. Сейчас цена биткоина высока, и каждые 10 минут один майнер получает 12 с половиной новых лучезарных монет. Это здоровое состязание, поскольку подразумевается, что усилия, направленные на поддержание сети, масштабируются автоматически с ростом ценности транзакционных данных в блокчейне. Таким образом, чем большая ценность перемещается в сети (её рост вызван тем, что индивидуумы оценивают стоимость выше, чем отражает цена), тем больше ресурсов вкладывается в сохранение данных.

Примечательно, насколько такая схема отличается от защиты данных, скажем, американского бюро кредитных историй Equifax и любой другой компании, работающей с огромным объёмом данных. Там усилия, затрачиваемые на сохранение информации, масштабируются в соответствии с оценкой руководством рисков и угроз.

Последнее замечание о состязании между майнерами. Со временем оно может ослабнуть. Каждые четыре года награда в виде новых монет уменьшается вдвое, и так будет происходить до тех пор, пока запас биткоинов не закончится. Майнеры продолжат работать, поскольку они также могут собирать комиссии за транзакции, но совокупный объём платежей, получаемый майнером-победителем, вероятно, будет меньше, чем сегодня, даже если цена биткоина продолжит расти. Награды меньшего размера будут подразумевать, что объём вычислительной мощности, вкладываемой в достижение успеха, будет сокращаться, а уровень энергозатрат — снижаться.

Миф 3: Транзакции, осуществляемые посредством кредитных карт, гораздо дешевле и менее энергоёмки, чем транзакции биткоина

Это сравнение яблок и апельсинов. Транзакция по кредитной карте не является полноценным, законченным переводом. Это лишь разрешение на оплату, начало запутанного «танца», в котором участвуют как минимум пять сторон (владелец карты, банк — эмитент карты, сеть карты, эквайринговый банк и получатель платежа). В конце концов (спустя дни или даже недели) авторизованный платёж пройдёт через всю эту сеть игроков. Процесс заканчивается, когда пользователь оплачивает операции по кредитной карте, и он однозначно не происходит моментально, по одному клику.

В отличие от этого биткоин-транзакция может считаться выполненной в тот момент, когда попадает в блокчейн. И она не проходит на своём пути громоздкие институции, аналогичные вышеназванным. Это правда, что майнер, поместивший транзакцию в блок, тратит некий объём электричества. Но он значительно меньше объёма электроэнергии, необходимого для полноценной деятельности как минимум трёх крупных финансовых компаний, которым приходится работать несколько дней, чтобы обработать транзакции по вашей кредитной карте.

Миф 4: Майнеры биткоина загрязняют окружающую среду и продолжат это делать

В использовании энергии самом по себе нет ничего плохого. Плохи парниковые газы, но не факт, что в обозримом будущем биткоин приведёт к увеличению их выброса. Кстати, если майнинг вдруг станет основной движущей силой энергопотребления на планете, то для окружающей среды это будет благом! Подобно тому, как революция в бытовой электронике привела в движение большие вычислительные мощности (явление, описываемое законом Мура), биткоин-революция способна стать катализатором аналогичного бума новаторских технологий в сфере экологически чистой энергии.

На долю производства алюминия приходится примерно 3% глобального энергоснабжения, однако мы не видим, чтобы СМИ били тревогу из-за корпусов ноутбуков так, как они делают это в связи с биткоином. Производство алюминия нечасто рассматривается как проблема, поскольку тяжёлая промышленность способствует эффективной работе сектора электроэнергетического сектора. Почему? Потому что тяжёлая промышленность — крупный потребитель, который всегда ищет самый дешёвый источник электричества. Тяжёлая промышленность в теории может базироваться где угодно, и плата за электричество, как правило, образует значительный процент её общих затрат. Расходы на электричество составляют 40-45% затрат индустрии производства химических продуктов (например, хлора) и 30-50% затрат сталелитейной и алюминиевой промышленности. Соответственно, тяжёлая промышленность (опять же в теории) станет базироваться там, где цены на электричество ниже.

Обычно спрос стимулирует предложение и вознаграждает тех, кто развивает более дешёвые варианты производства электричества. В последнее время это так называемая возобновляемая («зелёная») энергия: дешевле всего энергия солнца и ветра, от неё не сильно отстают геотермальная и гидроэнергия.

Однако для типичного собственника предприятия тяжёлой промышленности цены на электричество не всегда будут первостепенной заботой. Он вполне может обратиться к дорогой «грязной» энергии, если речь идёт о прибыли. Кроме того, предприятия предпочитают базироваться в тех странах, где находятся их клиенты, где ниже прочие затраты, а правительства их субсидируют, стремясь стимулировать рост производства.

Цены на электричество более важны для майнеров, чем для типичных представителей тяжёлой промышленности. Счета за электричество могут составлять 30-70% расходов «добытчиков» криптовалют. Зато майнерам не приходится думать о местонахождении своих клиентов и решать логистические задачи. Цифровые по своей природе, биткоины имеют лишь два фактора производства — электричество и аппаратуру, и «доставлять» их по миру гораздо проще, чем, например, сталь. Один майнер перевёз свою ферму через все Штаты, на северо-запад страны, поскольку там доступна дешёвая энергия гидроэлектростанций. По его словам, «оно того стоило». По этой же причине майнеры выбирают Исландию или другие страны с избыточными электрическими мощностями. На земле вулканов и водопадов можно найти не только прекрасные виды, но и изобилие геотермальной и гидравлической энергии. Если майнинг действительно начнёт потреблять большие объёмы электричества в глобальных масштабах, то вызовет революцию «зелёной» энергии. Закон Мура прежде всего относился к невероятному прогрессу в материаловедении, но он также учитывал невиданный спрос на вычислительные мощности, стимулировавший этот прогресс и позволивший сделать изучение и развитие полупроводников прибыльным занятием. Если мы хотим увидеть аналогичную революцию в энергии, нам следует болеть за биткоин. Факты таковы, что сейчас сеть биткоина каждые 10 минут обеспечивает вознаграждение в размере $200 000 человеку, способному найти самую дешёвую энергию на планете, которая может оказаться и самой экологичной. Время, потраченное на поиск, того стоит.

Миф 5. Со временем эффективность майнинга будет уменьшаться

Мы уже знаем, что расход энергии не будет расти параллельно увеличению числа биткоин-транзакций. Энергопотребление может оставаться стабильным или даже уменьшаться, несмотря на стремительный рост их числа. Сейчас биткоин-сообщество пытается создать сети второго уровня или новые открытые механизмы консенсуса, которые позволят осуществлять тысячи и даже миллионы транзакций в секунду.

Существуют разные подходы к решению проблемы масштабирования. Lightning Network и аналогичные инфраструктуры платёжных каналов нацелены на то, чтобы производить групповые платежи для нескольких транзакций, записывая в сам блокчейн лишь две транзакции, и обеспечивают автоматизированный контроль, избавляющий от необходимости полагаться на честность человека, осуществляющего групповой платёж. Другие разработчики экспериментируют с новыми открытыми механизмами консенсуса, потенциально способными осуществлять значительное масштабирование, уменьшая при этом энергозатраты. Не стоит забывать, что механизм консенсуса биткоина содержит встроенную лотерею, в которой майнеры соперничают за приз. Также стоит помнить, что цена каждого «лотерейного билета» определяется посредством верифицируемых вычислений. Эти вычисления называются доказательством выполнения работы (Proof-of-Work), поэтому и механизм консенсуса биткоина часто называют PoW. Разработчики эфириума в свою очередь сейчас экспериментируют с механизмом консенсуса на основе доказательства доли владения (Proof-of-Stake) под названием Casper. При такой схеме работы майнеры (или валидаторы) по-прежнему состязаются за приз в лотерее, но на этот раз доказывают, что владеют неким объёмом криптовалюты (или её долей) в блокчейне. Возможно, более уместно называть их акционерами, а не майнерами, но кто знает, какое название приживётся и будет ли доказательство доли владения столь же надёжным и эффективным, как доказательство выполнения работы.

Единственное, в чём стоит быть уверенным, — это в том, что в сфере цифровых валют нет недостатка в инновационном мышлении, а значит, криптовалютная революция может оказаться гораздо более «зелёной», чем мы предполагаем.

Источник