비트코인의 에너지 소비량 및 효율성 측정

Alex Speirs 150 x 150
By Jamie McKane Published: 1월 12, 2022
energy consumption and efficiency of Bitcoin

캐나다의 회계 및 비즈니스 컨설팅 회사인 MNP는 최근 ‘비트코인과 에너지 소비량: 효율성 추구’라는 제목의 보고서를 발표했습니다. 이 보고서는 비트코인 캐시(BCH) 및 비트코인 코어(BTC)보다 비트코인 SV(BSV) 블록체인이 훨씬 에너지 효율적이라는 것을 발견했습니다.

세 가지 블록체인 모두 채굴자가 에너지를 소모하여 거래를 검증한 뒤 디지털 원장에 추가하도록 요구하는 동일한 작업 증명 합의(proof-of-work consensus) 메커니즘을 공유함에도 불구하고 이러한 결과가 나왔습니다. 보고서는 더욱 큰 효율성으로 말미암는 BSV와 다른 프로토콜의 차이점은 고유한 확장성이라는 사실을 발견했습니다.

BSV 블록체인은 창시자 사토시 나카모토가 설명한 오리지널 비트코인 프로토콜을 기반으로 합니다. 자사 네트워크에서 지원하는 최대 블록 크기에 임의적인 제한을 두는 BTC 및 BCH와 다르게 BSV는 비트코인의 본래 설계에 따라 무한한 블록 크기를 제공합니다. 이는 BSV 네트워크의 블록은 BCH 및 BTC의 블록보다 더 많은 거래를 포함할 수 있고 또한 더욱 많은 양의 데이터를 처리할 수 있다는 것을 의미합니다.

블록당 거래와 데이터가 많을수록 각 거래나 데이터 메가바이트를 처리할 때 더 적은 전력을 이용한다는 것을 의미하며, 이는 단적으로 전력 효율성의 증가로 이어집니다.

“BTC, BSV 그리고 BCH 이 세 가지의 비트코인 프로토콜 중 어떤 것이 더욱 효율적인지 보기 위해 비교했습니다. 모든 비트코인 프로토콜이 프로토콜에 대한 채굴자의 계산 잠재력의 영향을 받는 채굴 난이도의 적용을 받는다는 것을 감안하여, 효율성에 대한 측정 단위는 거래당 킬로와트-시간 및 검증된 MB당 킬로와트-시간이었습니다 이는 프로토콜 간의 주요한 차이점을 분명히 보여줬습니다”라고 MNP 보고서는 기술합니다.

“다양한 네트워크의 처리량을 살펴보며 잠재적인 용량의 차이가 효율성에 큰 영향을 미친다는 것을 볼 수 있었습니다. 거래당 전력 소비량과 MB당 전력 소비량은 동일하게 블록 크기가 더 제한적인 프로토콜에서보다, 블록 크기에 더 관대한 프로토콜에서 네트워크 사용률이 높을 때 감소합니다. “BTC와 BCH의 임의적인 제한은 거래당 전력 소비에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.”

“BSV는 현재 네트워크에서 이용할 수 있는 블록 크기와 거래의 수(처리량) 그리고 다른 프로토콜의 한계 때문에 더 효율적입니다. BSV 네트워크의 거래 크기나 수가 다른 프로토콜의 제한을 넘어서는 한, BSV는 이 집단에서 가장 효율적인 블록체인입니다”라고 보고서가 덧붙입니다.

 

비트코인 채굴의 에너지 소비량 모델링

MNP 연구의 목표는 SHA256 기반 채굴을 이용하는 작업 증명 블록체인 프로토콜의 에너지 효율성을 측정할 때 사용할 수 있는 모델을 생성하는 것입니다. 이 프레임워크는 BSV, BTC 및 BCH에 적용되었지만 다른 비트코인 기반 프로토콜의 에너지 효율성을 측정할 때에도 적용될 수 있습니다.

이 모델을 생성하며 MNP가 마주한 가장 큰 장애물은 주요 채굴 기업에서 사용하는 ASIC(주문형 반도체, Application-Specific Integrated Circuit) 채굴 설비의 에너지 소비량을 알아내는 것이었습니다. 이 연구에서는 채굴 활동에 사용되는 에너지를 측정하기 위해 캐나다에 위치한 설비를 갖춘 12곳의 비트코인 채굴 기업을 조사하며 이 기업들이 사용하는 하드웨어와 냉각 솔루션에 주목했습니다.

조사에 포함된 비트코인 채굴 기업들은 다음과 같습니다.

  • 비트팜스(Bitfarms)
  • 허트에잇(Hut8)
  • 하이브 블록체인 테크놀로지 주식회사 (Hive Blockchain Technology Ltd.)
  • 블록스트림(Blockstream)
  • DMG
  • 아르고(Argo)
  • 오션 폴즈 블록체인(Ocean Falls Blockchain)
  • MAAS 블록체인(MAAS Blockchain)
  • 마이닝스카이(Miningsky)
  • 플렉서스(Plexus)
  • ADMCO
  • 쿼트콜로(Quotecolo)

또한 MNP는 냉각 비용을 낮추면서 해시 레이트 향상을 목표로 하는 몇몇 채굴 기업이 사용한 새로운 냉각 솔루션에 대해 다루었습니다. 여기에는 DMG 블록체인이 시행하여 초기에 엄청난 성공을 거둔 침지 냉각법(immersion cooling)도 포함됩니다.

MNP의 모델링 접근 방식은 BSV, BTC 및 BCH의 전력 소비량을 블록당 kWh, 거래(tx)당 kWh 및 메가바이트(MB)당 kWh로 비교하며, 후자의 두 가지는 네트워크 거래 처리 작업의 에너지 효율성을 알아내는 데 있어 결정적입니다.

“여기에서 논한 것처럼 처리량은 블록에 종속됩니다. 블록은 최소 저장소 크기를 보유하고 거래를 포함하지 않은 최소 밀도로 채굴되거나 또는 프로토콜에 따라 달라지는 최대 밀도로 채굴될 수 있기 때문에 처리량은 에너지 소비량과 관련하여 상이한 프로토콜을 구별하는 중요한 요소가 됩니다”라고 MNP가 기술합니다.

“네트워크 내 채굴자의 수, 해시 파워와 자사 설비의 에너지 효율성은 블록을 채굴하는 데 필요한 소비량에 직접적인 영향을 미칩니다. 블록을 채굴하는 데 필요한 에너지 소비량은 다른 두 가지 측정 기준에 따른 소비량에 직접적인 영향을 미칩니다.”

kWh/tx와 kWh/MB 단위는 서로 관련이 있지만, 이용자 행위와 채굴자의 선택에 따라 차이를 보인다고 MNP는 덧붙입니다.

“블록에 포함된 이용자의 거래가 없다면, 거래당 소비량은 블록당 소비량과 동일합니다. 코인베이스 보상이 유일한 거래이기 때문이죠. 채굴자가 최대 용량을 가진 블록에서 검증하기 위해 비정상적으로 큰 거래를 선택한다면 거래의 수가 줄어들기 때문에 거래당 소비량은 메가바이트당 소비량에 비해 높아 보일 것입니다.”

 

MNP의 모델과 추산치

MNP가 개발한 모델은 네트워크 전체 네트워크 에너지 소비량의 추산치에 대한 위 데이터를 설명합니다. 이 모델은 2020년 4월 1일부터 2021년 6월 13일까지 블록체어(Blockchair)가 수집한 블록 데이터를 네트워크 데이터에 대한 기반으로 사용하고 각 네트워크의 블록 난이도를 이용하여 네트워크의 해시 파워를 추산합니다.

설비 효율성을 설명하기 위해 MNP는 하드웨어 기능의 하한값과 상한값에 대해 다른 효율성을 선택했습니다.

“에너지 소비량의 하한값은 네트워크에서 실행되는 모든 설비가 그 시점에 사용 가능한 가장 효율적인 설비라고 가정합니다. 여기에는 2021년 6월 13일이나 그 이전에 이용할 수 있던 설비가 사용되었습니다. 이 날짜를 선정하며 설비 사양을 기반으로 이보다 더 효율적인 설비는 없고, 나아가 더 낮은 소비량을 가지는 설비는 없다는 것을 확실히 했습니다. 또한 이 선택은 채굴자가 기계의 효율성을 향상시키기 위해 사용하는 침지 냉각법의 오버클러킹(over-clocking)과 같은 기술의 상쇄를 돕습니다”라고 MNP가 기술합니다.

“소비량의 상한값은 가장 수익성이 떨어질 것으로 추산되는 설비를 활용합니다. 채굴자의 손익분기점에 대한 헤이즈 방정식이 어떤 설비가 가장 수익성이 떨어지는지 알아내는 데 사용되었습니다. 이 방정식은 기계가 수익성을 가지기 위해 필요한 비트코인의 최소 가치를 해시 레이트와 채굴자의 효율성, 블록 보상에 포함된 비트코인의 수와 블록의 난이도를 기반으로 계산합니다.”

MNP가 추산한 설비 효율성은 위에서 설명된 상한값과 하한값 사이에서 편향되지 않은 설비의 평균을 구함으로써 소비량 추산의 기저를 두기 위해 선택되었습니다. 이 설비는 비트메인(Bitmain), 이방(Ebang), 마이크로BT(MicroBT), 스트롱유(StrongU), 이노실리콘(Innosilicon) 및 ASIC마이너(ASICminer)가 제작한 다양한 ASIC를 포함했습니다.

2020년 4월 1일부터 2021년 6월 13일까지의 총 에너지 소비량은 다음 함수에 따라 계산되었습니다.

Blockchain technology and energy consumption: The quest for efficiency
출처: MNP 보고서 – “블록체인 기술과 에너지 소비량: 효율성 추구”

여기에서 MNP는 세 가지 핵심 기준에 따라 에너지 소비량을 추산할 수 있었습니다.

“MNP의 계산은 채굴자 및 네트워크의 영역 모두에서 각 프로토콜 체인에 대한 세 가지 주요 측정 기준의 출력값을 측정했습니다. 세 가지 측정 기준에는 블록당 평균 소비량, 검증된 거래당 평균 소비량, 검증된 메가바이트당 평균 소비량이 있습니다. 뿐만 아니라, 이전 부문에 나온 각 분기당 채굴된 블록, 검증된 거래, 검증된 메가바이트의 총계도 합산됩니다”라고 보고서가 기술합니다.

첫 번째로, 계산된 총합은 다음과 같습니다.

‘Blockchain technology and energy consumption: The quest for efficiency’
출처: MNP 보고서 – “블록체인 기술과 에너지 소비량: 효율성 추구”

이러한 총 수치로 MNP의 비교 분석에서 사용된 주요 측정 기준을 계산하는 것은 필요에 따라 총 소비량을 총 거래 수, 메가바이트나 블록 수로 나누는 것만큼 간단합니다.

Blockchain technology and energy consumption:
출처: MNP 보고서 – “블록체인 기술과 에너지 소비량: 효율성 추구”

 

결과: BSV는 가장 에너지 효율적인 블록체인이다

MNP는 이 모델을 고려된 추산치에 적용함으로써 BSV 블록체인이 더욱 큰 확장성과 블록 크기 덕분에 BTC나 BCH보다 훨씬 에너지 효율적이라는 것을 발견했습니다.

“BTC에서 거래당 소비량은 시간이 흐르면서 꾸준히 증가합니다. 2020년 2분기에 시작된 평균 소비량 추산은 430kWh/tx에서 2021년 2분기에는 706kWh/tx까지 증가했습니다. “메가바이트당 추산 소비량은 동일한 패턴을 보이며, 2020년 2분기의 대략 757MWh/MB에서 991MWh/MB까지의 수치를 보입니다”라고 보고서는 명시합니다.

“거래당 추산 소비량은 BCH의 경우 2020년 3분기에 183kWh/tx로 정점에 도달하며 2021년 1분기에 6.5kWh/tx까지 하락합니다. 메가바이트당 추산된 소비량도 동일한 패턴을 보이며, 최대 수치는 2020년 3분기의 194MWh/MB, 최저 수치는 2021년 1분기의 20.5MWh/MB이었습니다.”

그러나 BSV에서 거래와 메가바이트 처리량의 추산 소비량은 비교적 일정하게 머무릅니다. 거래당 에너지 소비량은 2.4kWh/tx에서 3.3kWh/tx까지, 메가바이트당 소비량은 0.9MWh/MB에서 12.63MWh/MB까지의 수치를 보입니다.

MNP 모델은 SHA256 작업 증명 블록체인의 블록체인 프로토콜 효율성에 대한 통찰력 있는 비교를 제공하며, BSV가 더 높은 확장성 덕에 경쟁 블록체인보다 더욱 큰 에너지 효율성을 제공한다는 것을 발견했습니다.

보고서는 이 모델이 동일한 합의 메커니즘을 사용하는 자격을 충족하는 다른 블록체인에도 적용될 수 있으며, 이 연구는 업계에서 운용하는 가장 일반적인 세 가지 비트코인 기반 블록체인 프로토콜만을 포함했다는 점에 주목합니다.

“…이 연구는 블록체인 네트워크의 전력 소비량을 추산하는 것이 가능하다는 것을 발견했습니다. 게다가, 우리는 이러한 추산치를 활용해 어떤 구현이 더욱 효율적인지 평가할 수 있습니다”라고 보고서는 기술합니다.

“우리의 연구 결과는 표본으로 선택한 세 가지 암호화폐 중에서, 다른 SHA-256 작업 증명 블록체인과 비교하여 BSV가 더욱 효율적인 블록체인 네트워크라고 시사합니다.”

기후 변화의 영향 때문에 에너지 효율성과 과도한 전력 소비가 환경에 미치는 영향의 증가를 우려하는 세상에서 BSV는 거래 처리량에 맞춰 효율성을 확장할 수 있는 능력 덕에 다른 블록체인에 비해 더욱 나은, 그리고 유능한 위치를 차지합니다.