比特币深度报告：疯狂的比特币与“挖矿”行业

比特币和“挖矿”行业

比特币的基本原理和“挖矿”工作的本质

比特币作为一种实验性虚拟货币，在设计之初就被其发明者“中本聪”（网络账号名，真实身份不详）赋予了一些反经济的概念，“中本聪”当天写道（2009 年 1 月 3 日）他“开采”了创世块：

“The Times 03/Jan/2009 Chancellor on through the second bailout for banks”

这是当天《泰晤士报》头版的标题，中文翻译为“Chancellor stands on brink of the second bank bailout”。 这个消息的背景是当时全球金融危机愈演愈烈。 这句话体现了“中本聪”对传统金融体系的不信任，而比特币及其背后的核心技术区块链本质上是去中心化和反监管的，试图颠覆传统的受监管金融体系。 颠覆是：

比特币是一种通缩货币，总供应量有限，发行顺序和时间已知；

比特币去除中央银行等中央监管节点，全网参与发行和账户监管；

“中本聪”人为规定，从2009年到2012年，比特币的发行速度保持在每十分钟50枚左右不变，大约每四年减半一次。 2009年至2013年，将发行约1050万枚比特币。 ，按照4年减半的速度，最终将发行约2100万个币，然后饱和。

这样一来，这种货币的发行是由固定的协议而不是央行来决定的，自然就不存在货币发行过多和通货膨胀的风险（图1）：

“挖矿”的本质是反复计算随机字符串的哈希值，并检查结果字符串的头部是否有足够的零。

为了保证每个区块的生成时间有足够的间隔，“挖矿”所需的零头数量会自动定时增加，人为增加“碰运气”计算随机数的难度。

硬件挖矿进化史

所谓“挖矿”的本质就是反复计算随机数的哈希值，检查是否符合要求。 提高单个挖矿参与者的效率主要依赖于硬件而非软件的性能提升：挖矿计算的算法固定且简单，在软件层面没有提升空间。

因此，比特币挖矿业的历史主要是挖矿硬件的变迁史：

1）从2009年开始的比特币创造时代，参与比特币挖矿的人数比较少，每个人用一台普通的电脑CPU就可以完成挖矿；

2）2010年底，发现AMD生产的GPU芯片具有特定的计算组件，可以快速计算出哈希算法的关键步骤，于是人们编写了专门的GPU程序，将多个GPU组装成一个“GPU”挖矿机”，用于比特币挖矿。

由于GPU的大规模并行计算哈希表能力远超CPU，整个计算网络“挖矿”的难度迅速上升，CPU挖矿被淘汰。

3）2011年底，人们尝试使用FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）设备开始挖矿。 FPGA可以高效地完成人们希望它完成的任何计算。 与GPU矿机相比，编程FPGA组装的矿机节省了大量在挖矿过程中不需要的图像计算硬件单元，从而提高了效率。

4）从2013年初开始，多个团队开始尝试使用ASIC芯片来加速挖矿进程。 与FPGA相比，ASIC牺牲了灵活性。 设计完成并生产后，主要用于采矿。 很难用于与哈希表计算无关的其他任务，但在挖掘效率方面可以尽可能高。 搭载ASIC芯片的矿机迅速将FPGA和GPU矿机赶出市场。

挖矿硬件的演进史符合集成电路产业的发展规律

当一个计算需求比较小的时候，人们往往会使用通用计算CPU来完成计算；

当计算需求增长时，使用 GPU 和 FPGA 等临时解决方案进行硬件加速；

当计算需求足够大时，生产专用ASIC所获得的性能增益足以覆盖ASIC的特定一次性成本（详细讨论见《创达-下游智能化发展之路》第2章） Industry and Role of the Company”），ASIC解决方案将凭借其性能优势取代之前的过渡解决方案。

除了比特币矿机芯片，人工智能加速芯片等产业也沿着这条路发展。

比特币产业链概述

比特币行业大致可以分为三个环节：矿机硬件厂商、矿场运营商、比特币交易和消费（图4）：

矿机硬件制造商：可分为ASIC芯片设计/制造商和矿机组装商。 绝大多数ASIC芯片设计者都处于芯片Fabless模式，没有自己的芯片生产线，而是在设计完成后委托台积电（TSMC）等芯片代工厂进行生产。

矿机组装商采购ASIC芯片后，完成矿机与电源、机箱散热等部件的组装，其经营模式更接近电脑组装公司。

矿场运营商：一般是个人或公司，在土地和电力便宜、气候相对寒冷的地区建设几万平方米的厂房，购买数万台矿机，将矿机接入电力、网络，完整的比特币矿山。

需要注意的是，由于比特币去中心化的匿名网络/容易进行离岸市场交易，监管难度大，一般国家机构很难准确掌握比特币在矿场的实际获取和变现情况，所以目前各国都在比较如何对比特币矿场这个新兴事物征税，是一头雾水。

比特币交易和消费：矿场经营者开采比特币后，需要在网络交易平台上提现比特币。

比特币的消费者大致可以分为：

1）比特币投机者：试图通过低买高卖获利的投机者；

2）比特币收藏者：相信比特币未来可以替代法定货币的投资者，通常在用现金获得比特币后，会选择长期持有比特币；

3）高风险交易者：与现金或信用卡相比，使用比特币进行普通交易并没有特别的优势。 比特币的结算速度（往往一个多小时）比信用卡交易的结算速度（几秒）要慢很多，而且还有汇款等其他风险。 比特币并不是特别适合日常正常购物等结算场景。

比特币去中心化账本技术的特点之一是不受中央银行/政府监管，因此理论上很容易成为理想的洗钱道具之一。

例如，维基解密这个在传统金融支付渠道后被美国政府封杀的组织，仍然依靠接受比特币捐赠和套现来维持正常运作。 本案体现了比特币在中国的特殊用途，也给比特币带来了额外的政策/法律风险。

比特币挖矿芯片/矿机及矿场运营行业：

由于“挖矿”的本质是反复计算随机数的哈希表，运气好找到符合要求的特定字符串，所以比特币矿机芯片的设计并不是特别复杂：核心是设计一个快速的计算哈希表并将其副本堆叠在芯片上的硬件。

衡量挖矿芯片能力的一个指标是GH/S（billion hash calculations per second）怎么参与比特币挖矿，用来区分不同ASIC芯片的哈希表计算速度。

而挖矿芯片/矿机最重要的指标是J/GH（焦耳/十亿哈希），用来衡量不同挖矿芯片的能效比，J/GH值是否足够低才是矿场operator 选择购买哪种矿机的主要依据之一。

在比特币网络中，不同芯片获取的比特币数量只与完成的计算量成正比，挖矿的主要运营成本是功耗。

因此也完成了十亿次哈希运算，不同芯片的比特币收益是一样的，低功耗意味着更高的运行利润率，因此能效比成为挖矿芯片的一个关键指标。 表1为目前市面上流行的几种挖矿芯片的性能：

对于表1中不同芯片所表现出的性能差异，我们认为无论是门槛还是技术含量都不是高不可攀。

比特币矿机芯片设计较为简单，在数字逻辑设计层面优化空间不大。 各厂商的优化重点主要放在电路的低功耗设计和优化上，降低电压等主要手段都得到了充分利用。 潜力空间被挖掘出来。

各厂商的生产委托给台积电（TSMC）。 一些财力雄厚的厂商可以委托台积电针对芯片特性定制低功耗技术，但获得的收益相对有限。 总体而言，这个利基市场是一个比较典型的多头市场。

购买比特币挖矿芯片，组装成矿机的环节，接近于电脑组装行业，技术含量和门槛较低，议价能力较小。

矿机组装完成后，将出售给下游矿场运营商。 目前，全球矿场数量和购买的各类矿机数量没有准确的调查和统计怎么参与比特币挖矿，但比特币社区可以提供更准确的全网算力预估，从中我们可以推导出矿机芯片和矿机的市场规模。

根据blockchain.info社区提供的数据，2016年6月中旬全网算力为150万TH/s。

目前，通过电商网站（比西西比特币矿机商城）可以发现，目前市面上一台3.5TH/s矿机的价格在2500-4000元之间（矿机的议价能力）机器制造商和比特币的价格）正相关，因此售价也随着比特币价格的波动而波动），因此可以折合全球约42万台3.5T级别的矿机。

由于矿机的算力与价格大致成正比，可以换算成全球矿机市场总值在十亿元左右。

矿业是重资产行业。 经营矿场本质上就是用矿机反复计算随机数的哈希值，这样做的主要作用是维护比特币这种虚拟货币的交易记录和验证。 比特币的发明者为了维持系统的稳定，人为地增加了寻找特定随机数的难度，但对利润的追求却让行业消耗了大量的资金和电力：

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