原文作者：Zach Pandl
原文编译：Luffy，Foresight News
比特币之所以能成为一个全球加密货币系统，得益于挖矿这一竞争性过程。挖矿机制确保了区块链正常更新，并协调整个网络的经济激励。如今，比特币挖矿网络规模庞大，每秒产生的 「哈希值」 超过 700 京（注： 1 京= 1 千万亿， 10 ^ 18）次。
比特币矿工的收入来自新发行的比特币以及网络交易费用。他们的支出则涵盖设备、电力及其他运营成本。许多矿工还在资产负债表上持有比特币，而且越来越多的矿工正将业务拓展至人工智能（AI）和高性能计算（HPC）服务领域。
Grayscale Research 估计，比特币挖矿占全球用电量的 0.2% ；与其他行业相比，清洁能源在比特币挖矿所消耗的电力中所占比例更高。比特币挖矿或许有助于加速实现环保目标，尤其是在甲烷排放等领域。
比特币是一个去中心化的计算机网络，存储着 2 万亿美元的价值。这一现代奇迹的实现全仰仗于挖矿：网络参与者竞争将下一个区块添加到区块链上并获得奖励的权利。如今，比特币挖矿的运营规模惊人，他们将实际能源转化为数字安全保障。用于保护比特币区块链的计算能力，就如同数字 「保险库门」，正是凭借这一机制，一个自治的计算机网络才能成为一个全球数字货币系统。运营比特币挖矿设施所需的专业技术、资本支出和持续运营费用，以及该行业的高度竞争性，有助于维持比特币网络的去中心化，同时使攻击成本高得令人望而却步。
投资公开上市的比特币矿企，能够从区块产出中获取收益，并且随着时间推移，还有望从不断增长的网络交易费用中获得收入增长。实际上，大多数上市的比特币矿企都采用多样化的商业模式，许多企业会在资产负债表上持有挖到的比特币，甚至在公开市场购买比特币。当前，比特币矿企也已开始涉足人工智能和高性能计算的数据中心运营，实现业务多元化。
现代奇迹
尽管比特币挖矿在技术层面十分复杂，但其概念却很简单。专用计算机相互竞争，猜测一个随机数，最先猜出正确数字的计算机便赢得更新区块链（即 「挖出区块」）的权利。获胜的矿工将获得该区块新发行的比特币和交易费用（即 「区块奖励」）。
在这场竞赛中没有捷径可走，比如不存在能更快找到正确数字的算法，比特币矿工只能靠蛮力竞争。这个过程可以看作是一场概率游戏。矿工不断猜测，直到找到正确答案，就像掷一个多面骰子，直到出现想要的数字。因此，获胜的概率取决于矿工每秒能做出的猜测次数（「掷骰子次数」）。拥有机器数量最多和机器效率最高的运营者，猜测次数也最多，赢得区块奖励的机会也就最大。
从技术角度讲，获胜结果并非仅仅是随机数，而是这个数字与其他数据结合后的 「哈希值」。在计算机科学中，哈希函数是一种数学运算，它将任意数据转换为一串字符，即哈希值。例如，使用比特币网络中的哈希函数，「Bitcoin」 这个单词的哈希值为：b4056df6691f8dc72e56302ddad345d65fead3ead9299609a826e2344eb63aa4。
因此，比特币矿工的任务就是快速生成哈希值：猜测一个随机数，计算其哈希值（将随机数与其他数据结合），然后检查是否正确。
据估计，如今约有 500 - 600 万台比特币矿机以惊人的规模生成哈希值（见图 1）。在过去 90 天里，比特币矿工共同生成哈希值的平均速率为 765 EH/s（每秒 765 京次哈希运算）。也就是说，比特币矿工平均每秒猜测随机数并计算其哈希值的次数超过 700 京次。为了让这个数字更直观，据估算，地球上大约有 7.5 京粒沙子和 10 京只昆虫。
图 1 ：比特币矿工以庞大的规模生成哈希值
生成如此大量哈希值成本高昂，但这正是关键所在。为了竞争奖励，挖矿运营者需要购置专门的机器和其他硬件，并支付持续的电力和维护成本。因此，通过生成正确的哈希值，矿工提供了一种 「工作量证明」，表明他们已投入经济资源，并且可以被信任来更新区块链。
攻击比特币意味着要打败现有的比特币挖矿行业。理论上，如果恶意行为者控制了网络 51% 的哈希率，从而能够挖出大多数区块，就可以扰乱网络（例如，双花比特币或审查某些交易）。在一篇论文中，研究人员估计，截至 2024 年 2 月，对比特币网络发动一次持续一小时的 51% 攻击，成本在 50 亿至 200 亿美元之间。实际上，没有任何行为者有经济动机投入这些资源，而且，比特币网络除了挖矿之外还有其他防御机制。
比特币挖矿的商业模式
比特币矿工的收入等于挖矿新获得的区块奖励，而他们的运营支出则来自运行机器和生成哈希值所消耗的电力（可能还包括维护、矿池费用等其他运营费用）。因此，比特币矿工的目标是以尽可能低的成本每秒生成最多的哈希值。
2024 年，矿工们总共获得了约 23 万枚比特币，按当时价格计算价值近 150 亿美元。与 2014 年相比增长了约 19 倍，复合年化增长率为 34% （见图 2）。每四年，新发行比特币的速率会在一个被称为 「比特币减半」 的事件中下降。尽管以比特币数量计算，发行量有所下降，但由于比特币以美元计价的价格上涨，挖矿收入随时间推移仍有所增加。未来，挖矿收入的增长可能来自比特币价格上涨和网络交易费用的增长。
图 2 ：比特币挖矿收入随时间增长
矿工们承担的运营费用，主要形式是运行机器所消耗的电力。每个运营者都会协商自己的电力购买协议，而这些协议在世界各地差异很大。为了便于说明，我们可以通过假设一个电费成本，并忽略其他成本，来构建一个简化的比特币矿工总体经济状况图。例如，图 3 将比特币矿工的收入与假设电价为每千瓦时 0.05 美元时的总电力成本估算值进行了比较。收入与电力成本之间的差额可以被视为矿工运营利润率的一个简化衡量指标。当区块奖励的美元价值增加时，矿工受益；而当生成哈希值的美元成本上升时，矿工则会受到损害。
图 3 ：矿工运营利润率反映了区块奖励与电力成本之间的差距
鉴于全球矿工面临的电力成本各不相同，一个更直观的衡量指标可能是每消耗一定电量所获得的美元价值，例如每兆瓦时（MWh）的矿工收入。挖矿行业参与者经常提到与之密切相关的 「哈希价格」 概念，它是通过每日矿工收入与网络哈希率的比率计算得出的。尽管概念非常相似，但随着矿工效率的提高，哈希价格往往会呈下降趋势。因此，相对于电力消耗的矿工收入可能更准确地反映矿工经济状况随时间的变化。图 4 显示了每日每兆瓦时的比特币矿工收入。在过去两年中，尽管在 2024 年减半前后波动较大，这一估计值大致保持稳定。
图 4 ：过去两年，每兆瓦时的矿工收入大致稳定
投资比特币矿企
投资公开上市矿企的股票，可以通过证券市场涉足比特币经济。比特币矿企的商业模式可能日益多样化，但它们都涉及生成哈希值、挖掘区块和获取区块奖励的核心业务。由于电力成本、非电力运营费用及其他因素的差异，每个矿企获取区块奖励的实际成本各不相同。2024 年第三季度，最大的几家上市矿企生产比特币的平均成本在 3.4 万美元至 5.9 万美元之间（见图 5）。而该季度比特币的平均价格为 6.1 万美元。
图 5 ：不同矿企的生产成本各异
比特币矿企在资产负债表上持有比特币的方式也有所不同。一些矿企会立即清算区块奖励，一些会保留区块奖励，还有一些甚至会在公开市场购买更多比特币。自然地，当比特币价格发生变化时，资产负债表政策的差异可能会对上市矿企的财务表现产生重大影响（见图 6）。话虽如此，许多因素都会影响单个矿企的风险状况，资产负债表上比特币持有量相对较高的矿企，并不一定比清算区块奖励的矿企风险更高。
图 6 ：一些矿企在资产负债表上持有比特币
最近，比特币矿企开始涉足人工智能和高性能计算（HPC）服务等领域，这些领域对数据中心基础设施的需求迅速增长。例如，高盛的研究估计， 2023 年至 2030 年间，数据中心的电力需求（不包括加密货币相关部分）可能会增长 160% 。比特币矿企在向人工智能 / 高性能计算市场供货方面可能具有竞争优势，因为它们能够获得低成本电力及相关基础设施。2024 年初，市值第三的上市矿企 Core Scientific，宣布与专门的人工智能基础设施服务提供商 CoreWeave 签订了一份长期合同。自 2024 年 6 月 Core Scientific 与 CoreWeave 的交易宣布以来，其他几家上市矿企也已采取措施，向人工智能 / 高性能计算领域拓展业务。
比特币挖矿与可持续性
比特币挖矿消耗实际的经济资源 —— 电力，来创建去中心化的数字安全保障。比特币作为数字货币系统的成功，意味着挖矿如今消耗了大量电力。比特币是一种独特的能源消耗者，它已经使用了相当比例的清洁能源资源。Grayscale Research 认为，随着时间推移，挖矿可能会对绿色能源转型做出积极贡献。
根据 Coin Metrics 的数据，我们估计在过去 12 个月里，比特币网络的电力消耗速率约为 175 太瓦时（TWh，注： 1 TWh= 1 百万 KWh）。这与剑桥替代金融中心的估计相当（见图 7）。根据 2023 年（最新可得年份）的数据，比特币的能源消耗占全球总用电量的 0.2% （已考虑输电过程中的电力损耗）。据剑桥替代金融中心称，数据中心每年消耗约 200 太瓦时的电力，并且预计由于人工智能模型的使用，数据中心的能源消耗可能会上升。
图 7 ：比特币挖矿消耗电力以创建数字安全保障
与典型的住宅或商业用户相比，比特币是一种独特的能源消耗者。比特币挖矿具有模块化、可移动、不受地理位置限制、可中断且对电价变化高度敏感的特点。因此，矿工通常可以在拥有低成本清洁能源资源的地方开展业务。据估计，比特币挖矿行业所使用的电力中，大约 50% - 60% 来自可持续能源（包括核能）。就美国和全球范围而言，可持续能源在发电中所占比例约为 40% 。使用 2023 年的数据，并假设比特币电力消耗中可持续能源占比为 50% - 60% ，我们估计比特币挖矿占全球与发电相关的二氧化碳排放量的 0.2% - 0.3% 。
灰度研究认为，未来几年比特币挖矿有助于加速可再生能源生产的应用。由于其独特的属性，比特币挖矿激励对可再生能源基础设施开发的投资，特别是在那些没有输电线路连接到主要人口中心的地区。比特币挖矿还可以帮助稳定电网需求，否则由于消费模式和天气原因，电网需求会出现波动，就如它在德克萨斯州电力可靠性委员会系统中所起到的作用一样。另外，像 Sustainable Bitcoin Protocol 这样的初创企业，已经创建了市场机制，以激励清洁能源的使用，并奖励减少甲烷排放。解决甲烷排放问题，可能成为比特币矿工为实现环保目标做出贡献的一个特别重要的途径。还有，像 Crusoe Energy 这样的公司，已经开发出利用多余天然气而非将其排放的方法，它们将天然气转化为电力，提供给比特币矿工。
未来几年，技术应用的增长将对电力产生巨大需求，来自数字资产、人工智能及其他行业皆是如此。Grayscale 认为，比特币有助于全球电力基础设施的健康运行，并且与许多其他行业相比，比特币在加速向可再生能源转型方面具有独特的优势。
