比特币的“能耗问题”的解决方案

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By Jamie McKane Published: 12月 17, 2021
Bitcoin on an energy source

比特币挖矿日益普及,全球对加密货币和基于区块链的代币的投机性投资的兴趣则加剧了一进程,这导致人们对比特币矿工所消耗的电力产生了广泛的关注。比特币核心(BTC)是批评者针对的主要对象,因为它已被证明消耗了过多的电力,并在以极低的效率将这些能量用于为其主要功能服务。

比特币的能源消耗是其SHA-256工作量证明共识机制的结果,该机制要求矿工解决复杂的加密谜题,以验证交易区块,然后将其添加到区块链上。这种验证需要矿工使用专用硬件来进行,他们竞相输出最大的算力,从而得到验证区块并获取奖励的机会。

然而,正如加拿大会计、税务和商业咨询公司MNP最近的一份报告所示,这一能耗问题并非是采用SHA-56工作量证明的区块链的必然产物。这份题为《区块链技术和能源消耗:追求效率》的报告发现,基于原始比特币协议的BSV区块链提供了比BTC和BCH高得多的能源效率

报告发现,BSV区块链之所以能实现这种更高的能效,是因为它实现比特币协议的方式与中本聪白皮书中描述的原始愿景更为一致。BSV与其它两种区块链协议的关键区别在于,前者对区块大小没有武断的限制,因此交易吞吐量也没有限制,MNP发现,这是被广泛讨论的比特币挖矿“能耗问题”的主要因素。

“我们对BTC、BSV和BCH三种比特币协议进行了比较,以了解哪种协议更加高效。鉴于所有比特币协议的挖矿难度都会受到矿工计算能力的影响,效率的衡量标准是单笔交易和每MB字节验证所消耗的电量(以千瓦时计)。”报告指出,“基于目前网络上可用的区块大小和交易量(吞吐量)来看,而且其它协议都有各自的局限,因此BSV的效率更高。只要BSV网络上的交易体积或数量高于其它协议的上限,BSV就是这组协议中最高效的。”

在探讨BSV区块链的可扩容性如何带来比BTC和BCH更高的能源效率之前,有必要考虑一下之前围绕能源效率和比特币挖矿所做过的工作。

 

比特币的能耗问题

在准备对能源效率进行建模并对这三种基于比特币的协议进行比较时,MNP注意到之前在这个领域中所做过的研究,都强调过BTC网络上的比特币挖矿问题,这些研究发现当考虑到该区块链有限的交易吞吐量时,它的效率极低且能耗巨大。

MNP的报告中引用的研究之一是Alex de Vries在2018年发表的一篇论文,题为《比特币日益严重的能耗问题》。De Vries强调了运行在BTC网络上的矿工所耗费的大量电力,这可以用发达国家的电力消耗来进行衡量。他还注意到,尽管能耗在不断增长,但BTC网络交易吞吐量却不成比例地维持在极低且几乎停滞的状态。

“据估计,比特币(BTC)网络目前至少要消耗2.55吉瓦(GW)的电力,未来可能会消耗7.67吉瓦的电力,使其与爱尔兰(3.1吉瓦)和奥地利(8.2吉瓦)等国家相当。经济模型告诉我们,比特币的电力消耗将趋向后一个数字。”De Vries说,“截至2018年3月中旬,比特币网络每秒钟不间断地进行约26*1018次哈希运算。与此同时,比特币网络每秒只能处理2-3笔交易(每天约20万笔交易)。这意味着,哈希计算与交易处理的比例最多只有8.7*1018比1。这些计算的主要燃料是电力。”

MNP的研究也发现了类似的证据,表明了BTC网络能效低下,特别是在对工作量证明的交易区块进行验证的时候。然而,在比较BTC和BSV区块链时,报告补充说,由于BSV理论上可以在一个区块中容纳无限数量的交易,其能效会随着网络交易量的增长而提高。

“结果表明,BTC比其它两个被测算的协议所消耗的能源要高几个数量级。根据我们模型输出的结果,能耗最高的协议(BTC)和消耗最低的协议(BSV)之间的估计能耗差异在2021年第一季度达到最大(16,041.24兆瓦时),而在2020年第二季度则最小(11,343.25兆瓦时)。”MNP指出,“我们的估计表明,BTC每季度的耗电量是BSV的60至250倍。”

 

BSV的可扩容性将成为一种解决方案

BSV区块链的能源效率的提升是以单笔交易和每MB字节为基础的,分别指区块链处理一笔交易和1MB字节数据所消耗的电力。

“交易是衡量吞吐量的终极标准。一个区块中所包含交易数量和体积将影响区块的大小。BTC将区块大小严格限制在了接近4MB。BCH的区块大小限制宽松一些,为32MB。BSV的区块大小不受限制。”MNP在其报告中指出,“由于挖矿要消耗能源,而区块是挖矿的产物:因此,一个区块中的交易越多,单笔交易的能耗就越低。同样的,一个区块越大(以MB为单位),每MB字节的能耗就越低。”

由于没有武断的区块大小限制,BSV区块链可以无限扩容,并不断提高其交易吞吐量,同时仍然保留了工作量证明的好处——通过矿工的算力和网络共识来确保已验证区块的安全性。然而,这种简单的不限制区块大小的做法对能源效率以及区块链的后续环境作用产生重大影响。

如果结合“吞吐量的终极衡量标准”——交易,以及在网络上处理1MB字节数据的能源成本来看,BSV和其它两种区块链协议之间的能耗差异非常明显。

首先,通过比较每个区块的平均交易量和数据量,可以立即看出BSV比BCH和BTC具有更强的可扩容性,因此处理效率更高。当考虑到每种协议的交易及单个区块的体积上限时,这种更高的效率就更加明显了。

根据MNP报告,下图显示了BSV、BTC和BCH单个区块中的平均交易量和数据量。请注意,这些图示并未反映出峰值数字,这一数值将有利于BSV,拉大与其它二者的差距。

Megabytes per blockof graph of BSV, BCH, BTC.
Average transaction per block of BTC, BCH, and BSV graph
 

每种区块链协议所具备的不同可扩容性是显而易见的,但BSV的无限扩容能否转化为效率并解决比特币的“能耗问题”?如果从适用于处理单笔交易和每MB字节数据所消耗的电量(以千瓦时计)的角度来看的话——是的。

MNP发现,根据其对2020年第二季度至2021年第二季度这一时间段的估计,BSV网络处理单笔交易或每MB字节数据所需的能量比BCH低得多,比BTC更是低几个数量级。

“对于BTC来说,单笔交易的能耗随着时间的推移在稳步地增加。从2020年第二季度开始,平均能耗估计为430千瓦时/tx,到了2021年第二季度,则是706千瓦时/tx。报每MB字节的能耗估计采用了(与单笔交易的能耗)相同的模式,从2020年第二季度的约757兆瓦时/MB到2021年第二季度的991兆瓦时/MB。”报告指出,

“而在BCH上,单笔交易的能耗估计在2020年第三季度达到峰值183千瓦时/tx,在2021年第一季度降至6.5千瓦时/tx。每MB字节的能耗估计也遵循了相同的模式,在2020年第三季度达到了最高的194兆瓦时/MB,在2021年第一季度达到最低的20.5兆瓦时/MB。”

然而,对于BSV来说,单笔交易和每MB字节吞吐量的能耗估计仍然相对一致,大大低于其它二者。

“(对于BSV),单笔交易的能耗在2020年第三季度时为3.3千瓦时/tx,在2021年第二季度则为2.4千瓦时/tx。每MB字节的能耗则分别为12.63兆瓦时/MB和0.9兆瓦时/MB。

下图展示了三者在能效方面的巨大差异,以及BSV所具备的通过无限扩容来解决比特币能耗问题的能力。

 

graph of BCH, BTC, and BSV estimated usage per transaction q2 2020
graph of BCH, BTC, and BSV estimated usage per megabyte q2 2020
点击这里,阅读MNP关于《区块链技术和能源消耗》的完整报告。