一文明白加密货币挖矿行业全景图,比特币挖矿

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挖矿业和底层硬件经常被忽视,但它们在区块链网络中扮演着非常重要的角色。

矿业将迎来新的转折,变为向其他领域提供基础算力的产业。

撰文: Chris McCann,区块链投资机构 Proof of Capital 普通合伙人

分析师 | 小派克

编译:詹涓

编辑 | 郝方舟

截至 2019 年 7 月,包括挖矿奖励和交易费用在哪,比特币矿工创造的年收入超过 60 亿美元。

出品 | Odaily星球日报研究院

在加密货币领域,为比特币和其他加密货币项目提供安全的挖矿和相关硬件经常被忽视。然而,由于与交易所环节相连接,矿业其实是产生可观收入的核心市场之一。

摘要:熊市持续压缩着加密货币市场各环节的利润空间,扮演加密货币生产者角色的矿业也不例外。以占加密货币半壁江山的比特币为例,其 2019 年 2 月的整体挖矿收入仅为 1.90 亿美元,比年初下降 10%。

在这篇文章中,我将分享关于比特币和加密挖矿领域、支持挖矿的底层硬件和其生态系统景观的概述,并深入探讨这个领域的收入和市场规模。

即便如此,企业化运作的矿业公司仍然保持着高盈利。据 Diar research,“大矿工”在 2018 年 10 月的利润率维持在 59%。与“大矿工”形成对比的是,“个人矿工”从 2018 年 9 月开始便“无利可挖”。

加密货币挖矿是如何工作的

从上图,我们发现比特币挖矿的规模效应已逐渐显现:有雄厚资源的大矿工拥有更强的盈利能力,处在盈亏平衡边缘的小矿工或是撤出或是抱团。

工作量证明是将新交易添加到比特币区块链、以及如何就这些交易的正确顺序达成一致 的过程。

在现象背后,比特币经济体系有自己的周期性。随大量矿工因无利可图退场,全网算力下降,计算难度减小,挖矿成本变低,盈利空间增大,继而又吸引新的算力入场……如此循环,直至挖出最后一聪比特币。 挖矿的本质是什么?产业链上各环节是如何传递价值的?它们遵循着什么样的核心逻辑?影响挖矿收益的关键因素有哪些?市场正处于哪个阶段?比特币还能挖多久?

我最喜欢的比方,是把这个过程想象为一个数独游戏。这是一个需要耗费大量脑力才能解决的难题,而它一旦解决,其他人就很容易验证你确实找到了正确的答案。

目录

Youtube 上有一个不错的视频,可以帮大家更直观地理解区块如何创建、如何链成一体、交易如何被添加到区块链,以及挖矿在这个过程中如何发挥核心作用。

一、比特币挖矿的基本原理

本质上,矿工,也就是分布在世界各地的计算机,竞相解决一个计算密集型的难题,即验证区块链中的下一个区块。第一个解决这一难题的矿工就能获得奖励。一旦这个新区块被找到,网络上的所有矿工都能验证该区块是正确的,并继续投入链中下一个区块的解题。

二、影响比特币挖矿的三大因素

矿工在比特币和加密生态系统中扮演的角色

2.1 算力

世界上所有竞相解决下一个难题的计算机构成了挖矿生态系统。所有这些计算资源是为比特币提供基础的安全保障的核心要素之一。

2.2 算力难度

通过这个网络,比特币参与者可以预期:

2.3 比特币价格

他们的交易将在比特币区块链上得到确认。

2.4 算力、算力难度、价格之间的反馈周期

他们的交易将按照正确的顺序进行。

三、比特币挖矿主要成本——电力价格

比特币区块链的历史将保持不变。

威尼斯官方网站登录 ,3.1 电力产业关系与采购渠道

作为回报,矿工得到的补偿是新铸造的比特币,再加上与每笔交易相关的交易费用。如果参与者希望其交易被加入比特币区块链的时间有更强的保证,他们可以在为自己的交易设置费用时,提高愿意支付的金额。

3.2 最低电价浮动空间

挖矿使用的硬件

四、比特币挖矿硬件基础——矿机

虽然在比特币网络的初期,使用消费级中央处理器 (CPU) 开采比特币是有利可图的,但在比特币网络发展到今日规模时,这么做已不切实际了。

4.1 矿工视角:矿机性价比

比特币生态系统主要由应用特定集成电路 (ASIC) 主导。对于其他大多数加密货币,图形处理单元 (GPU) 和现场可编程门阵列 (FPGA) 是主要的形态。此外也存在一些币,采用与比特币 (SHA256) 相同的哈希算法,与比特币挖矿的 ASIC 也是兼容的。

4.2 厂商视角:矿机的定价法则

挖矿生态全景图

五、当前主流挖矿方式——矿池

以下是挖矿门类全景图,从芯片到最终用户服务:

5.1 矿池的运行规则

芯片制造

5.2 挖矿收益结算模式

台积电 (TSMC) 和三星 (Samsung) 是两家核心半导体铸造厂,生产用于挖矿硬件的所有硅片。尤其是台湾,在芯片组供应链中占据主导份额。

5.3 矿池的分类

例如:英伟达 (NVIDIA)、AMD、赛思灵 (Xilinx)、比特大陆 (Bitmain) 和嘉楠 (Cannan) 都将台积电作为其核心生产线。

5.4 矿池算力分布

封装、测试、组装

六、比特币产业链概览

一旦晶圆片完成,你就需要测试它们,把它们切开,封装成最终的芯片,并再测试。整个过程通常由 OSAT 公司处理,其中最大的两家是台湾的日月光集团 (ASE Group) 和艾克尔科技 (Amkor Technology)。

七、比特币挖矿所处的阶段

集成电路设计及制造商

八、参考及感谢

设计和销售芯片的公司通常被称为无晶圆厂芯片公司,他们把制造环节留给芯片制造和 OSAT 公司)。

一、比特币挖矿的基本原理

在 GPU 方面,最大的两家制造商是英伟达和 AMD。而 FPGA 领域,最大的制造商是赛思灵。而专注于加密业的 ASIC 领域,排名前三的公司是比特大陆、嘉楠和神马矿机的生产商比特微。

比特币是一个点对点的电子现金系统,每笔交易记录分布存储于整个网络中,而非传统的唯一的中央数据库。

除了这三家制造商之外,该领域还有其他 IC 设计公司,包括:翼比特 (Ebang)、芯动科技 (Innosilicon)、Bitfury、Obelisk 等。

为保证所有参与节点拥有一致的交易记录,比特币系统规定竞争记账。具体规则如下:

矿工和矿场

  1. 竞争者通过 SHA-256 运算,在一堆随机数中找到符合要求的数值。谁的算力大、运算速度快,谁就有更大概率先找出“答案”。

  2. 比特币系统平均每 10 分钟将交易数据分组。先找到“答案”的竞争者获得记账权,同时获得比特币作为奖励。系统会根据全网算力调整挖矿难度,保证平均每 10 分钟出一个块。

  3. 挖矿难度每 2016 个区块调整一次。区块高度为 2016 整数倍的区块,即系统调整挖矿难度时所对应的区块。

芯片生产出来后,就可以用来为加密货币挖矿。ASIC 是专门为某一算法的挖矿而设计的,而 GPU 则有更多的灵活性。

4. 比特币挖矿的收入包括区块奖励和交易手续费。区块奖励最初为50个BTC,系统规定,每 21 万个区块,出块奖励减少一半,直到少至比特币最小单位 1 聪。因此,2012 年后区块奖励调整为 25 个 BTC,2016 年为12.5 个,下次减半将在 2020 年。

矿工包括:使用一台机器挖矿的人,小型挖矿作业,中型矿场,大型挖矿作业到工业规模的挖矿基地。

5. 交易手续费,由转账者支付给矿工,用于奖励后者提供足够的算力以保证网络系统安全。交易手续费一般在当天区块奖励的 0.5%-2% 之间浮动。由于区块奖励每 4 年减半,交易手续费将逐渐成为矿工的主要收入。比特币预计在 2140 年被全部挖出,届时挖矿收益等于交易手续费。

到目前为止,我听过的最大规模操作,是分布在多个地理位置的 10 万台机器挖矿。

6. 每笔交易的手续费取决于该笔交易的大小。当网络拥堵时,更多人在同一时段提交记账需求,用户可通过提高手续费来激励矿工优先打包,以缩短交易确认时间。比如,2017 年末比特币交易量暴涨,平均手续费一度高达 40 美元/笔,矿工手续费高达当月区块奖励的 30%。

除了设计芯片,一些制造商自己也挖矿,比如比特大陆、嘉楠、微比特。比特大陆每月都会公开披露他们的「自挖矿」记录。

7. 交易大小同时也跟转入转出的数额大小有关,即交易数额越大,手续费/千字节越高。

任何规模的挖矿作业都可以指向一个矿池,或者如果规模足够大,它们也可以自己挖矿——聚合所有的哈希算力来直接找到区块,无需将它们的哈希率与其他矿工混合。

二、影响比特币挖矿的三大因素

有争议的是,挖矿芯片制造商可能在出售自己的矿机前先用机器挖矿。不过,如果你真的拥有一款能够带来收入的设备,你就没有理由把它闲置在库房中,而是会利用它,直到你能把它卖掉。

算力、算力难度和比特币价格是影响挖矿成本及收入的关键因素。关注这三个指标,并理解它们之间的关系,将有助于判断市场趋势。

矿池

2.1 算力

对于个人和非工业矿工来说,加入一个矿池比自己挖矿在经济上更合理。矿池将许多矿工的哈希算力聚合在一起,以平滑每个矿工的回报曲线。矿池负责优化所有算力、运行挖矿记录、收集和分发奖励,并为服务收取额外费用。

算力,指每秒计算哈希值的次数,用于衡量矿工的计算能力。算力越高,挖到区块的概率越大。

有一些矿池专注于特定的加密货币,比如星火矿池主要挖 ETH 和 Grin,另一些矿池则覆盖所有主流加密货币,比如蚂蚁矿池、F2Pool、币印矿池、Slushpool 等。所有这些矿池开始都是专注于一种加密货币,通常是比特币,此后才扩展到覆盖所有形式的加密货币。

比较直观的是,算力的常用单位,已从最初的每秒哈希值变成 KH/s 、MH / s 、GH/s、TH/s (万亿hash)、PH/s (千万亿hash/s)、EH/s (百亿亿hash/s)。

我最喜欢的一个类比是,矿池的运作可以想象为办公室彩票池。通过把办公室所有同事的彩票汇到一起,所有人就能在获得奖励方面有更好的赢面。

目前,比特币的全网算力已达 47 EH/s 。这意味着对采矿硬件的算力和电力支出要求较高。比特币网络算力一旦超过 500 EH/s ,将带领硬件的处理能力迈入 zetahash 时代。

与此同时,用了矿池,你就得相信他们的服务既报告了准确的收益,也报告了矿池中每个人拥有的准确票数。在透明度方面,有 PoolWatch 等服务商在跟踪和比较不同矿池的报告。

总的来说,挖矿方式和硬件设备的迭代推动了比特币网络算力增长和挖矿成本的攀升,算力增长和价格的上涨又倒逼前者不断进化。回顾历史,比特币挖矿经历了 CPU GPU FPGA ASIC 矿池的发展过程。

哈希算力市场

ASIC 矿机芯片是矿机的核心,也是整台设备的关键。ASIC 矿机芯片的出现使 ASIC 矿机开始大面积应用,除了最初的蝴蝶实验室之外,出现十几家不同的公司提供定制的 ASIC 矿机,同时出现矿机托管模式。如今全球算力的增长可以说直接归功于 ASIC 矿机的应用。

作为一个矿工,除了使用自己的哈希算力进行挖矿外,还可以选择将自己的算力卖给其他人。通常,这是在一个交易市场上完成的,最大的市场叫NiceHash。有家规模较小的 P2P 市场,叫Mining Rig Rentals。

2.2 算力难度

在这些市场上,人们可以在任何一组给定的挖矿算法上,为各种类型的加密货币,销售算力,也可以购买算力。

比特币挖矿算力难度,是对挖矿困难程度的度量,挖矿难度越大,挖出区块就越困难。比特币系统通过调整区块头中的难度目标值来控制挖出区块所需平均时间。

人们购买算力的原因很多,其中最主要的原因是,购买算力是从匝道进入加密货币高速路的一种方式。

Target 是个长度为 256 比特的字符串,换句话说 Target 约有 2^256 种可能的取值。

很多时候,人们使用哈希算力来投机各种加密货币,例如,购买 SHA256 哈希算力,并将其用来挖 Bitcoin SV (BSV) 而非比特币。这是一种糟糕的生意……

调整 Difficulty 就是调整 Target 在整个输出空间的占比, Difficulty 越高,Target 越小。举例说明:挖矿就如射击,所有射出去的子弹都会落在一个很大的靶子上。Target 就是这个大靶子上圈出一个范围,范围越小,被射中的难度就越高。调节 Target,就是调节这个圈在整个靶子上的占比。

云挖矿

另外,难度目标上调和下调的范围都有 4 倍的限制。举例说明:假设上一个难度目标调整周期内的 2016 个区块,由于算力暴涨,只用 7 天就全部挖出来了,通过难度目标调整,将难度目标缩小一倍,可以将平均出块时间维持在 10 分钟左右,但如果算力暴涨,前 2016 个区块全部挖出只用了 1 天,那么难度目标最小只能调整为原来的四分之一。

云挖矿是消费者可直接购买哈希算力合约、而不需亲自操作任何硬件的服务。它类似于云挖矿服务之上的算力市场,通常由一个中央供应商来运作。

2.3 比特币价格

这一领域最大的两家公司是美国的Genesis Mining和亚洲的比特小鹿(Bitdeer)。同样,与上面类似,用户购买哈希算力最主要的原因之一是希望快速进入加密货币领域。通过这种方法,人们可以使用法币直接购买比特币和其他加密货币,而无需通过交易所。

很多人将比特币比作数字黄金,除了它有限的供应量类似黄金外,其价格也同黄金一样受供需关系的影响。

智能矿工

我们认为,算力大小和挖矿难度决定了比特币的供应部分,而对比特币的认知、受欢迎程度、各国政策等决定了比特币的需求部分。

智能矿工是一个新兴的类别。其背景是,挖矿是一项复杂的工作,参与者需要了解硬件、网络、能源、哈希率预测、特定算法优化等。最关键的是,所有这些输入每天都在不断变化,新的长尾加密货币不断出现和消失。

如果需求部分高且供应不满足,则会导致比特币价格飙升,由于比特币数量有限,因此供应量有限,在大众看好比特币的前提下,价格会持续上涨。但具体影响比特币价格的因素主要有以下几点:

社区共识

Honeyminer这样的智能矿工,其目标是优化所有这些因素,不管是消费者级别还是专业矿工都能通过他们拥有的哈希算力尽可能的多赚一点。

信任因素在加密货币环境中起着至关重要的作用,比特币社区开发者的共识是导致价格波动的重要影响因素。可以通过关注、研究比特币论坛来与社区的想法保持同步,这有助于了解价格走向。

另两个类似的产品是哈鱼矿工(HashFish) 和Cudo Miner。

技术更新

在很短的时间内,这些产品已经聚集了相当数量的市场供应端的哈希算力。

技术创新也会影响比特币的价格。比如隔离见证、闪电网络方案的推行将提高比特币系统的转账效率。

挖矿市场的规模和收入概况

各国政策的政策

加密挖矿行业创造的年收入超过 80 亿美元。

因为比特币不受任何政府的监管,因此反而成为了政府努力监管的对象。只要有关于数字货币监管的官方声明,比特币价格就会波动。例如,日本自2017年4月起,加密货币被视为合法付款,有几家商店开始接受比特币,因此引发了比特币价格上涨。

收入来自两部分,一是区块奖励,二是所有工作量证明型的区块链上每个区块包含的交易费用。根据 CoinMetrics 在 2019 年 6 月 25 日发布的挖矿奖励的最新数据,以下是挖矿的周、月和年营收运行率。

“巨鲸”活动

在加密货币挖矿领域,比特币仍占主导地位,仅比特币网络就创造了 75% 的挖矿收入。

有时价格波动的背后是因为有资金充足的持有者,又称巨鲸。这些巨鲸规模大、数量小,他们的行动会影响比特币价格的涨跌,但可以通过跟踪他们的行动来做预防措施。

这也与比特币的市值主导地位相匹配,根据 CoinMarketCap 的数据,截至 2019 年 7 月 1 日,比特币占所有加密货币总市值的 60%。

安全事件

然而,挖矿业产生的总收入,其实是与相关加密货币的价格直接挂钩的,因此它和基础加密货币市场是相互映射的,所以华尔街也就很难理解该行业的公司的估值了。下面我们还会深入介绍这一点。

如黑客入侵交易所会打击用户对加密货币的信心,导致价格暴跌。

理解挖矿行业的盈利能力

舆论影响

挖矿业参与者的总收入、总成本和盈利性取决于几个关键因素。

大众传媒对加密行业的态度影响着潜在投资者和商家。比如有关比特币的炒作有可能导致价格飙升,而负面新闻则会导致价格下降。

资本支出 (Capex)

2.4 算力、算力难度、价格之间的反馈周期

对矿工来说,主要的资本支出是矿机本身的成本,加上运营所需的所有设施 / 建筑物的成本。

因为比特币系统的自我调节机制和市场经济规律,算力、算力难度和价格之间存在一个反馈周期。

例如,如果你想购买 1 万台比特大陆最新的 S17 机型,按零售价计算,这将花费 1,600 万美元。大型矿商可以获得特价折扣;然而,当矿机供不应求时,连供应都很难保证,更不用说价格谈判了。

在基础设施保持不变的前提下,比特币价格越高,挖矿的吸引力越强,全网算力增多,矿工竞争愈加激烈,挖矿难度变高,同时成本变高,挖矿变得不再有利可图,小矿工退出或被兼并。

这还没有考虑到兴建挖矿设施的成本,这些设施已经从业余活动发展成为真正的专业化、工业化规模的经营。

随之全网算力下降,挖矿难度也跟着下降,此时已退出市场的矿工有抛售倾向,比特币价格随之下降。由于难度变小,挖矿利润增多,挖矿的吸引力重新变大,新矿工加入,竞争回归激烈,以此循环。

运营支出 (Opex)

从图 9 可以看出,算力曲线和难度曲线的走势基本一致,算力越大难度越大。2018 年比特币价格下跌,但是加入挖矿的算力增多,导致难度增多。

对矿工来说,主要的运营支出是每天为机器供电的电费。

我们可以借助“算力难度/价格”这一指标,来比较“收入因素”和“成本因素”变动的幅度,进而判断挖矿的盈利空间。

举例来说,如果你每周 7 天每天 24 小时运行 1 万台比特大陆 S17 矿机,如果每度电的能源成本为 5 美分,那么你每天的电费就是 3.6 万美元,每年大概是 1,300 万美元——而这仅仅是为矿机供电。

图 9 中,当 2018 年价格下降、算力和难度都增长时,“难度/价格”曲线呈上升趋势,2018 年 12 月有部分算力在高成本的逼迫下撤出,全网算力下降,挖矿难度下降,比特币价格也下降。反而使“难度/价格”曲线下降,挖矿利润增长。

平均电费相差悬殊,取决于你在哪里、使用何种电力来源。

长期来看,“难度/价格“曲线整体走高。但短期来看,2017 年这条线整体下降,说明 2017 年价格增长速度超过算力难度的增长速度,迎来矿工繁荣。而 2018 年走势掉头向上,算力难度增长速度远超比特币价格增长速度,迎来矿工衰退。值得注意的是,在 2018 年年初之前,这个系数总是低于 0.5。从 2018 年 9 月份开始,系数开始大于 1,直到 12 月到达顶峰,迎来矿业最糟糕的时刻,即矿难。从 2018 年 12 月到 2019 年年末,此系数下降,比特币挖矿重新变得有有利可图,矿工重新加入挖矿。

矿工天生就有动力去寻找世界上最便宜的能源,这就是 Coinshares 估计比特币网络 75% 的能源来自可再生能源,其中主要是水力发电的原因。

三、比特币挖矿主要成本——电力价格

除了矿机的用电成本,其他运营成本包括:冷却、人工、维护、安全和一般设施运营。一般的经验法则是,按能源成本的 1.5 倍来粗略估计当前的运营成本。

比特币采矿需要输出大量的算力,而算力需要机器和电力来运维,因此我们可以把比特币看做一种由电力能源转换成的数字产品。因此,机器和电力价格实际上构成比特币开采的主要成本,当然除此之外,还有基建等固定成本。

按照我们上面的例子,一个矿场运行 1 万台比特大陆 S17 矿机,成本方面的粗略估计如下:

其中基建等固定成本,分摊到每台机器上面大概每台矿机 700 元-800 元;矿机则属于一次性投入,只要找到市场上“性价比”最高矿机就行;而电力价格是最大的可变成本,也因此成为影响比特币采矿的主要因素。

1,600 万美元资本支出 300 万美元 400 万美元

根据彭博 BNEF 数据,比特币 78% 的算力来自中国,因此中国电价的浮动空间、采购渠道和相关政策是比特币矿工需要重点关注的对象。

2,000 万美元运营成本

3.1 电力产业关系与采购渠道

6,700 万美元可能收入。

从生产流程角度将电力生产分为五个环节,但是从整个电力行业来说,普遍认为电力系统分为四个环节,即发、输、配、售。发电就是由发电厂发出电能,输电是长距离的输送电力,配电是直接与用户相连并向用户分配电能的环节,售电顾名思义就是你要买电我把电卖给你。

这只是一个粗略的估算,只是为了说明矿工需要应对的因素的规模。真正的成本将高度依赖于你的地理位置和建成因素等。

这四个环节构成了庞大的电力系统,发电环节在发电厂中完成,其余三个环节都需要依托电网,最终将电能送到用户手中。

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