Измерение энергопотребления и эффективности биткоина

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

Канадская бухгалтерская и консалтинговая фирма MNP недавно опубликовала доклад под названием «Технология блокчейн и потребление энергии: стремление к эффективности», в котором делается вывод о том, что блокчейн Bitcoin SV (BSV) намного более энергоэффективен, чем Bitcoin Cash (BCH) и Bitcoin Core (BTC).

И это несмотря на то, что все три блокчейна используют один и тот же консенсусный механизм «доказательство выполнения работы» (Proof-of-Work), который подразумевает, что для проверки транзакций и добавления их в цифровой реестр майнерам приходится расходовать электроэнергию. В докладе делается вывод о том, что главное отличие BSV от других протоколов заключается в присущей ему масштабируемости, которая, собственно, и обеспечивает большую эффективность.

Блокчейн BSV основан на исходном протоколе биткоина в том виде, как он был описан его создателем Сатоши Накамото. В отличие от блокчейнов BTC и BCH, в сетях которых предусмотрены произвольные ограничения на максимальный размер блока, в блокчейне BSV ограничения на размер блока отсутствуют — в соответствии с исходным дизайном биткоина. Это означает, что блоки в сети BSV могут содержать гораздо больше транзакций, чем блоки в BCH и BTC, и обрабатывать гораздо больше данных.

Больше транзакций и данных на блок означает меньше энергии, используемой для обработки каждой транзакции или мегабайта данных. Прямым следствием этого является повышение энергоэффективности.

В докладе MNP говорится: «[Мы провели] сравнение трех биткоин-протоколов (BTC, BSV и BCH), чтобы выяснить, какой из них наиболее эффективен. С учетом того, что во всех биткоин-протоколах присутствует фактор сложности майнинга, который зависит от вычислительного потенциала майнеров сети, для оценки эффективности были использованы показатели киловатт-часов в пересчете на транзакцию и киловатт-часов в пересчете на мегабайт. Они дают представление об основных различиях между протоколами.

Если посмотреть на пропускную способность различных сетей, можно увидеть, что разница в потенциальной мощности оказывает существенное влияние на эффективность. Энергопотребление в пересчете на транзакцию, как и в пересчете на мегабайт, уменьшается при увеличении загрузки сети у протоколов с меньшими ограничениями на размер блоков. Произвольные ограничения BTC и BCH могут оказывать существенное влияние на объем потребляемой энергии в пересчете на транзакцию.

Эффективность BSV выше благодаря размерам блоков и количеству обрабатываемых в настоящее время в сети транзакций (пропускной способности), а также в силу ограничений, присущих другим протоколам. Пока размер или количество транзакций в сети BSV превышает лимиты других протоколов, BSV будет оставаться самым эффективным в этой группе».

 

Моделирование энергопотребления при майнинге биткоинов

Целью исследования MNP было создание модели, которую можно было бы применить для измерения энергоэффективности любого блокчейн-протокола, использующего майнинг на основе механизма доказательства выполнения работы и хеш-функции SHA256. Хотя эта модель применялась именно к BSV, BTC и BCH, ее также можно использовать для измерения энергоэффективности любого другого протокола на основе биткоина.

Одной из самых больших сложностей, с которыми столкнулись специалисты MNP при создании этой модели, было определение энергопотребления майнингового оборудования со специализированными интегральными микросхемами (Application-Specific Integrated Circuit, или ASIC), используемого крупными майнинговыми компаниями. В ходе исследования была проанализирована деятельность 12 майнинговых компаний, работающих в Канаде, с целью измерения используемой в процессе майнинга энергии с учетом используемых аппаратных средств и систем охлаждения.

Были изучены следующие компании, занимающиеся майнингом биткоинов:

  • Bitfarms
  • Hut8
  • Hive Blockchain Technologies Ltd.
  • Blockstream
  • DMG
  • Argo
  • Ocean Falls Blockchain
  • MAAS Blockchain
  • Miningsky
  • Plexus
  • ADMCO
  • Quotecolo

Эксперты MNP также рассмотрели новые системы охлаждения, которые внедряются некоторыми майнинговыми компаниями в стремлении повысить хешрейт при одновременном снижении затрат на охлаждение. К таким системам относится, в частности, иммерсионное охлаждение, которое с большим успехом внедряется компанией DMG Blockchain.

В своих моделях специалисты MNP сравнивают потребление электроэнергии блокчейнами BSV, BTC и BCH в кВт·ч на блок, кВт·ч на транзакцию (tx) и кВт·ч на мегабайт (Мб), причем последние два показателя имеют решающее значение для определения энергоэффективности операций обработки транзакций в сети.

«Как здесь показано, пропускная способность носит по отношению к блокам субсидиарный характер. Поскольку блок может быть добыт с минимальной плотностью при минимальном размере хранилища и без транзакций (или с максимальной плотностью, которая будет варьироваться в зависимости от протокола), пропускная способность становится важным отличительным фактором для различных протоколов с точки зрения энергопотребления, — говорится в докладе MNP. — Количество майнеров в сети, их хеш-мощности и энергоэффективность их оборудования будут иметь прямое влияние на объем энергии, потребляемой для добычи одного блока, [который] напрямую влияет на энергопотребление, измеряемое двумя другими показателями».

Специалисты MNP добавляют: «Показатели кВт·ч на транзакцию и кВт·ч на Мб взаимосвязаны, но различаются в зависимости от поведения пользователя и выбора майнера. Если в блок не включены пользовательские транзакции, объем энергии, потребленной на транзакцию, будет равен объему энергии, потребленной на блок, потому что вознаграждение за увеличение монетарной базы будет единственной транзакцией в блоке. Если майнер выбирает аномально большую транзакцию для подтверждения в блоке максимальной емкости, потребление на транзакцию будет казаться высоким по сравнению с потреблением на мегабайт, потому что транзакций будет меньше».

 

Модель и оценки MNP

Разработанная MNP модель учитывает приведенные выше данные при оценке энергопотребления всей сети. В ней используются данные о блоках, собранные блокчейн-обозревателем Blockchair, в качестве основы для сетевых данных за период с 1 апреля 2020 года по 13 июня 2021 года, и оценивается мощность хеширования сети с учетом сложности добычи блока в каждой сети.

Что касается учета эффективности оборудования, эксперты MNP выбрали разные значения эффективности для нижней и верхней границы возможностей оборудования.

«Нижняя граница энергопотребления предполагает, что все работающее в сети оборудование является наиболее эффективным из доступного на данный момент. В исследовании использовалось оборудование, доступное до 13 июня 2021 года включительно. Выбор этой даты гарантирует, что, исходя из технических характеристик оборудования, никакое другое оборудование не может быть более эффективным и, соответственно, иметь более низкое потребление. Этот выбор также помогает компенсировать эффект от таких методов, как разгон с помощью иммерсионного охлаждения, используемых майнерами для повышения эффективности своих машин.

Верхняя граница потребления предполагает использование оборудования, которое считается наименее рентабельным. Для определения наименее рентабельного оборудования использовалось уравнение Хейса для точки безубыточности майнера. Уравнение позволяет вычислить минимальную стоимость биткоина, необходимую для того, чтобы машина была рентабельной, на основе хешрейта и эффективности майнера, количества биткоинов в награде за блок и сложности блока», — отмечают специалисты MNP.

Расчетная эффективность оборудования выбрана специалистами MNP в качестве основы для оценки потребления энергии путем использования несмещенного среднего значения для оборудования между верхними и нижними границами, описанными выше. Оборудование включало различные микросхемы ASIC от таких производителей, как Bitmain, Ebang, Canaan, MicroBT, StrongU, Innosilicon и ASICminer.

Общее потребление энергии с 1 апреля 2020 года по 13 июня 2021 года было рассчитано по следующей математической функции:

Blockchain technology and energy consumption: The quest for efficiency
Источник: Доклад MNP «Технология блокчейн и потребление энергии: стремление к эффективности»

Исходя из этого, эксперты MNP смогли оценить потребление энергии по трем основным критериям.

«В наших расчетах измерялся итог по трем основным показателям для каждого из блокчейн-протоколов, как для майнера, так и для сети: среднее потребление энергии на блок, среднее потребление энергии на подтвержденную транзакцию и среднее потребление энергии на мегабайт подтвержденных данных. Кроме того, было суммировано общее количество добытых блоков, подтвержденных транзакций и подтвержденных мегабайтов для каждого из периодов, указанных в предыдущих разделах», — говорится в докладе.

Сначала общие суммы были рассчитаны следующим образом:

‘Blockchain technology and energy consumption: The quest for efficiency’
Источник: Доклад MNP «Технология блокчейн и потребление энергии: стремление к эффективности»

Результаты вышеприведенных расчетов позволяют легко вычислить основные показатели, используемые специалистами MNP для сравнения: достаточно разделить общее энергопотребление на общее количество транзакций, мегабайтов или блоков, в зависимости от формулы:

Blockchain technology and energy consumption:
Source: MNP Report – ‘Blockchain technology and energy consumption: The quest for efficiency’

 

Результаты: BSV — самый энергоэффективный блокчейн

Применяя эту модель к рассматриваемым оценкам, специалисты MNP обнаружили, что блокчейн BSV является намного более энергоэффективным, чем BTC или BCH, благодаря большей масштабируемости и большему размеру блоков.

В докладе отмечается: «Для BTC потребление на транзакцию со временем неуклонно увеличивается. По нашим оценкам, во втором квартале 2020 года среднее потребление составляло 430 кВт·ч на транзакцию и далее выросло до 706 кВт·ч на транзакцию во втором квартале 2021 года. При оценке потребления энергии в пересчете на мегабайт наблюдается такая же картина — этот показатель вырос от приблизительно 757 МВт·ч/Мб во втором квартале 2020 года до 991 МВт·ч/Мб.

Для протокола BCH расчетное потребление на транзакцию достигло пика в третьем квартале 2020 года, составив 183 кВт·ч на транзакцию, после чего сократилось до 6,5 кВт·ч на транзакцию в первом квартале 2021 года. При оценке потребления энергии в пересчете на мегабайт наблюдается похожая картина — максимальное потребление энергии на уровне 194 МВт·ч/Мб в третьем квартале 2020 года и минимальное на уровне 20,5 МВт·ч/Мб в первом квартале 2021 года.

Однако для BSV расчетное потребление как в пересчете на транзакцию, так и в пересчете на мегабайт остается относительно стабильным. Потребление энергии в пересчете на транзакцию варьируется в диапазоне от 2,4 кВт·ч на транзакцию до 3,3 кВт·ч на транзакцию, а потребление энергии в пересчете на мегабайт — от 0,9 МВт·ч/Мб до 12,63 МВт·ч/Мб.

Модель MNP позволяет проводить комплексное сравнение эффективности протоколов для блокчейнов, использующих механизм доказательства выполнения работы на основе алгоритма SHA256. Было установлено, что BSV использует энергию гораздо более эффективно, чем конкурирующие блокчейны, благодаря своей более высокой масштабируемости.

В докладе отмечается, что эта модель может применяться и к другим блокчейнам, которые используют тот же консенсусный механизм, хотя для этого исследования были выбраны только три наиболее значимые из используемых в отрасли блокчейн-протоколов на основе биткоина.

«…Это исследование показало, что энергопотребление блокчейн-сетей поддается оценке. Более того, полученные оценочные показатели могут быть использованы для выявления наиболее эффективной сети, ― говорится в докладе. — Результаты нашего исследования указывают на то, что среди трех сравниваемых криптовалют BSV является более эффективной сетью по сравнению с другими двумя включенными в выборку блокчейнами, использующими механизм доказательства выполнения работы на основе алгоритма SHA-256».

В мире, где на фоне последствий изменения климата растет озабоченность по поводу энергоэффективности и воздействия чрезмерного потребления электроэнергии на окружающую среду, BSV находится в гораздо более выгодном положении, чем другие блокчейны, благодаря своей способности увеличивать эффективность по мере роста производительности его сети.