内卷的比特币挖矿,正在产生惊人的碳排放

科普中国中央厨房 2021-04-27

  

  比特币挖矿会产生惊人碳排放。|medium

  作者 | 李存璞 重庆大学化学化工学院副教授

  编辑|陈天真

  你打开手机,开始一局王者荣耀,试图从倔强青铜挣扎出来,大概半小时后,手机变得飞烫,你丢下手机,重新陷入无限空虚……

  在如今的信息社会,手机、计算机等计算设备的运行伴随着大量能耗。随着4G、5G技术的发展,每天海量的内容从用户中产生,通过互联网存储于服务器,根据绿色和平组织与华北电力大学的报告,到2020年,全国数据中心总能耗已经突破 2000 亿千瓦时,到2023年将突破2500 亿千瓦时。

  作为维系信息社会的纽带,数据中心的高能耗具有明确的社会价值,但与此同时,另一个行业正通过计算消耗大量能量,产生惊人的碳排放,而其本身的社会价值还处于持续争论中,这就是比特币挖矿。

  比特币挖矿与内卷

  从2008年中本聪提出比特币的概念,“区块链”“虚拟货币”等词汇,已经逐渐从创业公司流传到传销组织。我们有必要先认知下比特币产生、交易背后的逻辑。

  比特币不同于传统货币,并非通过银行等特定机构发行,而是一种由算法生成、储存于P2P网络当中的虚拟数字货币。我们可以在比特币交易平台上购买比特币,将它们保存在数字钱包中。比特币的产生地址相当于银行账户,比特币数量相当于金额。使用比特币时,只要用私钥作为数字签名即可,就像是输入银行账户密码。

  比特币网络将所有交易历史都存储在“区块链”中,因此,区块链可以看作是记录比特币交易的公共账本。比特币依存于多分散网络中的计算机们,后续的每一次比特币交易都要向全体用户广播交易内容,并被作为一个区块信息加入到已有区块链中,成为一段新的链条。

  

  区块链可以看作是记录比特币交易的公共账本。| cryptonomist

  其实除了交易,还可以通过求解数学题来获得比特币。是的,你没有听错,而且这是一个内卷的解题过程。

  比特币从2009年1月3日正式诞生,就伴随着稀缺性。根据中本聪的算法,比特币按照收敛等比数列,发行速度每4年减半,到2140年,货币总量被限制在2100万个,以避免通货膨胀。而与此同时,比特币网络每10分钟会产生一道数学问题,交给参与处理区块的计算机(即“矿机”)来求解。最早解出答案的“矿机”将获得一定数量的比特币作为奖励。这个竞争解题以获得比特币的过程需要付出大量时间和计算力,被形象地称为“挖矿”。

  上述加粗的词汇隐含着一个重要信息:挖比特币的过程十分内卷。随着越来越多人加入到挖矿,比特币网络会自动调整数学问题的难度,以保证题目需要10分钟左右才能解决,这意味着参与挖矿的计算机越多,同样的计算机越难最早解出答案;与此同时,随着比特币逐渐被挖出,所谓“一定数量”的比特币奖励也在逐渐缩水:根据算法设置,每挖出剩余比特币的50%,奖励的比特币将随之缩水50%,以保证比特币不会迅速被挖掘殆尽。

  一个比较类似的例子是一线城市的小升初竞争。刚刚有奥数培训的时候,优秀的初中会给出很多名额给有奥数经历的学生;随着奥数在升学中的重要性被逐步发现,越来越多的小学生被送去奥数机构培训而成为“矿生”,与之同时,优秀初中能给出的奥数名额奖励却越来越少,这就需要“矿生”更加努力,抢夺越来越少的小升初名额,矿生压力越来越大,家长负担越来越重,教育变得越来越内卷。

  

  挖矿与小学奥数的内卷非常类似

  挖矿的内卷造成大量能耗

  随着比特币的价值被越来越多人认可,以及其匿名的交易特性所带来的潜在洗钱应用,比特币的价格日益增加。从最初的只能买一个披萨,到现在一枚约57000美元,“数字黄金”比特币吸引了越来越多的矿工加入。由于前述挖矿的日益“内卷”,小规模的、利用个人计算机的挖矿已经几乎不可能取得收益。于是大规模的计算中心被用来挖矿,这个过程伴随着大量能耗。

  

  大规模的计算中心被用来挖比特币,产生大量能耗。|Getty

  为什么计算机工作会消耗能量?为什么玩手机可以暖手,计算机需要散热风扇?因为它们要用电。这......当然没错,不过如果你继续深入思考这个问题,最终会被引导到一个叫做“信息熵”的概念。

  “熵”本身是一个物理化学概念,代表某个系统的“微观状态数”。我们可以通过“覆水难收”这个成语来简单认知熵。考虑一盆水,每一个水分子都被限制到了盆子里这个相对比较小的空间当中,微观状态数相对较少,即熵比较少;而把这盆水泼出来,水分子的存在范围就被放大到了整个地面和空气中,微观状态数变大,熵变大。在自然界有一条根本性定律,熵的增加是自发的,而让熵减少必然需要消耗比熵增加过程更多的热量。所以泼出去一盆水很容易,而把泼出去的水收回来,则非常困难。同样,这也是为什么我们往往觉得房间会自发地变乱(熵增加),而恢复到我妈觉得整齐的样子(熵减少),就需要做许多功,然后吃很多饭(消耗能量)。

  信息熵的概念起源于物理化学中的熵。计算机面对一个需要计算的问题,答案会有不确定性,这种不确定性可以直接类比为微观状态数,不确定性越大,则信息熵越大。计算机进行运算的目的,往往为了给出一个确定的答案:比如一列Excel数据的计算结果,一次鼠标移动后光标的位置,一个游戏射击动作的目标血量,等等。类似于物理化学的熵,给出确定答案的过程伴随着信息熵的减少,即伴随着能量消耗。

  其实人类的大脑也是一台计算机,考试中做选择题的过程就是信息熵变化的过程:每个题目的四个选项,对应着四种可能的选择,此时信息熵最大;随着人类的思考,逐渐选出一个确定的答案,信息熵变成最小。显然,思考的过程伴随着能量的消耗:把信息熵变小,是需要消耗热量的。同样的题目,变成不定项选择,则初始熵会更大,解出题目的能量消耗就会更多;题目改为填空题,初始熵进一步增加,所需要的能量就会更多。

  在计算机算力日益增加、竞争逐渐加剧的前提下,比特币数学题的难度逐渐增加:这意味着题目初始信息熵越来越大,而最终答案是最快寻得最优解,即把题目的信息熵变为最小——因此需要消耗大量的能量。

  如下图所示,根据4月6日《自然·通讯》中一篇论文的报道,目前中国的矿场占据了世界比特币超过75%的算力。如果没有政策干预,到 2024 年,中国比特币矿场的能耗将达到峰值,约为 2965.9 亿瓦时(超过全国数据中心的总能耗),产生 1.3050 亿吨碳排放。这个数值将超过菲律宾、捷克等国家的碳排放,足以在中国182个城市的碳排放中排到前10名,并且名列全部工业行业的前十。

  

  比特币区块链的算力分布。中国矿场占据了世界比特币超过75%的算力。|来源:[1]

  

  比特币挖矿的碳排放足以在中国182个城市中排到前10名。|来源:[1]

  由于这部分能量消耗并没有真正产生产品,将严重影响我国“碳达峰、碳中和”目标的实现。

  比特币矿场需要被干预

  人类为创造知识、开创新的研究领域而消耗能量理所应当,但并不真正创造价值的“挖矿”是否有资格以同样低廉的成本大量消耗能量,或许值得我们思考。

  政策干预可能是未来比特币行业发展的重要调控手段。尽管没有明确的价值产生,但现阶段的比特币已经具有一定的金融特性,作为一种金融辅助手段,一刀切禁止“矿场”开展业务并不明智。一些可能的干预措施包括:

  1)设置比特币矿场门槛,禁止低效率矿场开展业务;

  2)比特币矿场区域限制,只允许在水利丰富的地区开展比特币挖掘业务,在高能耗的前提下实现低碳排放;

  3)征收排放税,对比特币行业的能源消耗额外征收碳排放税。

  根据前述《自然·通讯》文章的预测,后面两项措施能够显著减少碳排放,而设置比特币矿场门槛策略则作用有限。此外,单独将比特币挖掘作为一个工业门类,也将有助于控制其碳排放总量。

  

  比特币的惊人碳排放将影响我国“碳中和”目标的实现。|来自网络

  如果你和我一样是单机游戏的爱好者,那么可能已经成为比特币的受害者。由于GPU(显示芯片核心,又称图形处理器)相对CPU(中央处理器)具有更高的解题能力,比特币价格的拉高吸引了矿场购买大量显卡用于挖矿。这部分本应流入游戏玩家手中,作为单机游戏或高画质网络游戏来使用的显卡价格因此被不断推高。带来的影响不仅是玩家无法获得最佳的游戏大作体验,也减少了游戏销量,造成游戏开发公司收益减少,游戏开发动力大大下降——是可忍孰不可忍?!

  幸好随着比特币矿工的不断内卷,一些更高效的“专业挖矿机”已经逐步大规模部署,显卡们可以松一口气了。而且这些高效矿机也会在一定程度降低矿场能耗。

  相信在后续政策的干预下,虚拟货币们终将在自身价值与社会价值之间取得平衡。

  参考文献

  [1] Jiang, S., Li, Y., Lu, Q. et al. Policy assessments for the carbon emission flows and sustainability of Bitcoin blockchain operation in China. Nat Commun 12, 1938 (2021).  

  [2]https://www.greenpeace.org/static/planet4-eastasia-stateless/2019/11/4b3bd790-4b3bd790-点亮绿色云端:中国数据中心能耗与可再生能源使用潜力研究.pdf

责任编辑:王超

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