Решение проблемы энергоэффективности биткоина

Alex Speirs 150 x 150
By Jamie McKane Published: 17 декабря, 2021
Bitcoin on an energy source

Рост популярности майнинга биткоина, усугубляемый глобальным интересом к спекулятивным инвестициям в криптовалюту и токены на базе блокчейна, вызвал широкую обеспокоенность относительно объемов электроэнергии, потребляемой майнерами. Главной мишенью критиков стала сеть Bitcoin Core (BTC), поскольку было доказано, что она потребляет запредельное количество энергии и крайне неэффективно переводит ее в свою основную функцию.

Энергопотребление биткоина обусловлено консенсусным механизмом «доказательство выполненной работы» на основе алгоритма SHA-256. Последний подразумевает, что для подтверждения блоков транзакций, которые затем добавляются в блокчейн, майнеры должны решать сложные криптографические задачи. Майнеры соревнуются в генерировании наибольшей мощности хеширования, чтобы подтверждать блоки и получать вознаграждение, для чего им требуется специализированное оборудование.

Однако проблема энергопотребления присуща не всем блокчейнам, использующим консенсусный механизм «доказательство выполненной работы» на основе алгоритма SHA-256, что было наглядно продемонстрировано в рамках недавнего исследования канадской компании MNP, специализирующейся на бухгалтерском, налоговом и бизнес-консалтинге. В докладе под названием «Технология блокчейн и потребление энергии: в поисках эффективности» эксперты компании пришли к заключению, что основанный на исходном протоколе биткоина блокчейн Bitcoin SV (BSV) существенно превосходит по энергоэффективности Bitcoin Core (BTC) и Bitcoin Cash (BCH).

В докладе говорится, что блокчейн BSV достигает гораздо большей энергоэффективности благодаря своей реализации протокола биткоина, которая в большей степени соответствует первоначальному видению блокчейна, описанному в «белой книге» Сатоши Накамото. Главное отличие BSV от двух других блокчейн-протоколов заключается в отсутствии произвольных ограничений на размер блока и, следовательно, на пропускную способность. По мнению экспертов MNP, такие ограничения являются основным фактором, стоящим за повсеместно критикуемой низкой энергоэффективностью майнинга биткоина.

«[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.

Эффективность BSV выше благодаря размерам блоков и текущему количеству обрабатываемых транзакций (пропускной способности), а также из-за ограничений, присущих другим протоколам. Пока размер или количество транзакций в сети BSV превышает лимиты других протоколов, BSV будет оставаться самым эффективным в этой группе», — говорится в докладе.

Прежде чем приступить к изучению того, как масштабируемость блокчейна BSV обеспечивает гораздо более высокую энергоэффективность по сравнению с BTC и BCH, важно рассмотреть предыдущие исследования энергоэффективности и майнинга биткоина.

 

Проблема энергоэффективности биткоина

При создании моделей энергоэффективности и подготовке сравнения трех протоколов биткоина эксперты компании MNP начали с рассмотрения предыдущих исследований в этой области. Многие исследования выделяли проблему майнинга биткоина в сети Bitcoin Core (BTC), считая его особенно неэффективным и чрезвычайно энергоемким на фоне ограниченной пропускной способности этого блокчейна.

Одним из исследований, на которые ссылаются авторы отчета MNP, стала работа Алекса де Вриса 2018 года под названием «Растущая энергетическая проблема биткоина» (Bitcoin’s Growing Energy Problem). Де Врис указал на высокое потребление электроэнергии майнерами, работающими в сети BTC, которое можно сравнить с энергопотреблением отдельных развитых стран. Он также не преминул отметить непропорционально низкую и статичную пропускную способность сети BTC, которая сохраняется, несмотря на растущее энергопотребление.

«По имеющимся оценкам, сеть [BTC] в настоящее время потребляет не менее 2,55 гигаватта электроэнергии, а в будущем будет потреблять 7,67 гигаватта, что ставит ее в один ряд с такими странами, как Ирландия (3,1 гигаватта) и Австрия (8,2 гигаватта). Согласно экономическим моделям, потребление электроэнергии биткоином будет тяготеть к последнему числу, — отметил де Врис. — По данным на середину марта 2018 года в сети BTC ежесекундно и безостановочно выполняется около 26 квинтиллионов операций хеширования. В то же время BTC обрабатывает всего 2–3 транзакции в секунду (около 200 000 транзакций в день). Это означает, что соотношение хеш-вычислений и обработанных транзакций составляет в лучшем случае 8,7 квинтиллиона к 1. Основным топливом для каждой из этих вычислительных операций является электроэнергия».

Авторы исследования MNP обнаружили аналогичные доказательства низкой энергоэффективности сети BTC, особенно в отношении обработки транзакций, осуществляемых с помощью подтверждения блока через механизм доказательства выполненной работы. Сравнивая BTC с блокчейном BSV, авторы доклада отмечают, что поскольку BSV может вместить в один блок теоретически неограниченное количество транзакций, его энергоэффективность повышается по мере роста пропускной способности сети.

«Результаты показывают, что BTC потребляет на порядок больше энергии, чем любой из двух других протестированных протоколов. Согласно результатам, полученным с использованием нашей модели, расчетная разница в потреблении между протоколом с наибольшим потреблением (BTC) и протоколом с наименьшим потреблением (BSV) была максимальной (16 041,24 ГВт·ч) в первом квартале 2021 года и минимальной (11 343,25 ГВт·ч) во втором квартале 2020 года. По нашим оценкам, за квартал BTC потребляет в 60–250 раз больше энергии, чем BSV», — говорится в докладе MNP.

 

Масштабируемость BSV как ключ к решению проблемы

Высокая энергоэффективность блокчейна BSV очевидна как в расчете на одну транзакцию, так и на один мегабайт, т.е. в показателях количества электроэнергии, потребляемой блокчейном для обработки одной транзакции и мегабайта данных соответственно.

«Транзакции — это главный показатель пропускной способности. Количество и размер транзакций в блоке будут влиять на размер блока. Размер блока в BTC строго ограничен и составляет около 4 Мбайт. У BCH лимит гораздо выше: 32 Мбайт. BSV не связан ограничениями на размер блока.

Поскольку энергия потребляется именно в процессе майнинга, а блоки — это продукт майнинга, то чем больше транзакций в блоке, тем ниже потребление энергии на транзакцию. Аналогичным образом, чем больше становится блок (в мегабайтах), тем ниже потребление энергии на мегабайт», — говорится в докладе MNP.

Благодаря отсутствию произвольных ограничений на размер блока, блокчейн BSV может неограниченно масштабироваться и постоянно повышать пропускную способность сети, сохраняя при этом механизм доказательства выполненной работы, т.е. гарантируя достоверность блоков за счет хеш-мощности майнеров и консенсуса сети. Таким образом, одно лишь отсутствие ограничений на размер блока серьезно влияет на энергоэффективность и окружающую среду.

Разница в энергопотреблении между BSV и двумя другими блокчейн-протоколами становится абсолютно явной, если рассматривать ее в сочетании с «конечной мерой пропускной способности», транзакциями, а также энергетическими затратами на обработку одного мегабайта данных в сети.

Во-первых, при сравнении среднего количества транзакций и данных на блок сразу становится очевидно, что BSV предлагает большую масштабируемость и, следовательно, лучшую эффективность обработки данных, чем BCH и BTC. Преимущества эффективности BSV становятся еще более заметны при рассмотрении максимальных значений для показателей количества транзакций на блок и мегабайт на блок для каждого из протоколов.

На графиках ниже приводится среднее количество транзакций на блок и мегабайт на блок для BSV, BTC и BCH согласно докладу MNP. Обратите внимание, что на иллюстрациях не отображены пиковые показатели, которые сделали бы перевес в пользу BSV еще более заметным.

Megabytes per blockof graph of BSV, BCH, BTC.
Average transaction per block of BTC, BCH, and BSV graph
Разница в масштабируемости каждого из блокчейн-протоколов очевидна, но может ли неограниченное масштабирование BSV решить проблему энергоэффективности биткоина? Если рассматривать эту задачу с точки зрения потребляемых киловатт-часов (кВт·ч) на одну транзакцию и мегабайт обрабатываемых данных, то да.

На основании анализа данных за период со второго квартала 2020 года по второй квартал 2021 года эксперты MNP пришли к выводу, что для обработки одной транзакции или мегабайта данных сети BSV требуется значительно меньшее количество энергии, чем BCH, и на порядки меньшее, чем BTC.

«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», — говорится в докладе.

Однако для BSV расчетное потребление как в пересчете на транзакцию, так и в пересчете на мегабайт остается относительно стабильным и значительно более низким:

«Потребление энергии на транзакцию [в сети BSV] колеблется от 3,3 кВт·ч на транзакцию в третьем квартале 2020 года до 2,4 кВт·ч на транзакцию во втором квартале того же года. Потребление в пересчете на мегабайт варьировалось от пикового значения в 12,63 МВт·ч/Мб до 0,9 МВт·ч/Мб во втором квартале 2021 года».

Графики ниже демонстрируют существенные отличия в показателях энергоэффективности, а также способность BSV решить проблему энергопотребления биткоина за счет своей неограниченной масштабируемости.

graph of BCH, BTC, and BSV estimated usage per transaction q2 2020
graph of BCH, BTC, and BSV estimated usage per megabyte q2 2020
Полная версия доклада MNP о технологии блокчейн и энергопотреблении доступна по ссылке.