Объяснение майнинга Биткоина: как сеть обеспечивает работу цифровых транзакций

Биткойн-майнинг — это гораздо больше, чем просто технический процесс — это фундаментальный механизм, который обеспечивает безопасность, функциональность и децентрализацию сети Bitcoin. Чтобы правильно объяснить майнинг биткойнов, необходимо понять, как он служит основой для проверки цифровых валют без необходимости центрального органа. В своей сути майнинг позволяет подтверждать транзакции и навсегда записывать их в блокчейн с помощью системы, называемой распределённым доказательством работы (PoW). Термин «майнинг» проводит параллель с добычей драгоценных металлов: так же, как шахтёры добывают золото и алмазы из земли, майнеры Bitcoin используют вычислительные ресурсы для введения новых биткойнов в обращение и проверки транзакций в неизменяемом реестре сети.

Почему майнинг биткойнов важен: основа децентрализованных транзакций

Чтобы полностью понять важность майнинга биткойнов, рассмотрим проблему, которую он решает: в традиционных платежных системах доверенное посредничество, такое как банк, подтверждает, что деньги не были потрачены дважды и что транзакции являются легитимными. Bitcoin заменяет этого посредника математическим процессом. Без майнеров сеть не сможет достигнуть консенсуса о допустимости транзакций или предотвратить повторную трату одного и того же биткойна — так называемая проблема двойных расходов.

Когда Сатоши Накамото запустил Bitcoin в январе 2009 года, системе нужно было поддерживать доверие без центрального органа. Майнеры достигают этого, объединяя неподтверждённые транзакции в блоки и решая сложные математические задачи для добавления этих блоков в блокчейн. Каждый майнер, успешно завершивший работу, получает в награду новые созданные биткойны и комиссионные за транзакции. Этот экономический стимул крайне важен: он мотивирует миллионы участников по всему миру инвестировать в оборудование и электроэнергию для поддержки сети.

Процесс майнинга создаёт то, что экономисты называют «доказательством работы» — конкретное доказательство того, что был затрачен значительный вычислительный ресурс для защиты каждого блока. Поскольку изменение прошедшего блока потребует повторного выполнения всей вычислительной работы для всех последующих блоков, стоимость атаки на сеть становится экономически нерациональной. По мере накопления блоков сеть становится экспоненциально более защищённой.

Как работает майнинг биткойнов: от блоков к доказательству работы

Майнинг следует непрерывному циклу. Майнеры собирают неподтверждённые транзакции, транслируемые по сети peer-to-peer, и упаковывают их в кандидатный блок. Затем они ссылаются на заголовок предыдущего блока, создавая цепочку, связывающую все блоки по хронологии. Следующий важный шаг — попытка решить «задачу доказательства работы».

Эта задача заключается в поиске конкретного числа, называемого «nonce», которое, при объединении с другими данными блока и обработке через алгоритм SHA-256, даёт результат ниже заданного целевого значения. Алгоритм SHA-256, созданный Агентством национальной безопасности (NSA), генерирует 256-битный вывод. Даже самое незначительное изменение входных данных приводит к совершенно другому хэшу — поэтому майнеры должны попробовать миллиарды комбинаций, увеличивая nonce каждый раз, пока не найдут допустимое решение.

Сложность этой задачи не фиксирована — она автоматически регулируется каждые 2 016 блоков (примерно каждые две недели), чтобы поддерживать целевой интервал: один новый блок каждые десять минут. Когда в сеть присоединяется больше майнеров, блоки создаются быстрее, и сложность пропорционально возрастает. И наоборот, если майнеров становится меньше, сложность снижается. Этот саморегулирующийся механизм обеспечивает стабильное время подтверждения транзакций, несмотря на колебания участия в сети.

Когда майнер находит допустимое решение блока, он транслирует его всей сети. Другие узлы быстро проверяют решение, добавляют блок в свою копию блокчейна и начинают работу над следующим блоком. Успешный майнер получает награду за блок — в настоящее время 6.25 биткойнов — и все комиссии за транзакции, включённые в этот блок.

Эволюция оборудования для майнинга: от CPU к специализированным ASIC

Чтобы правильно понять текущий этап майнинга биткойнов, важно знать о технологических преобразованиях. Когда Bitcoin был запущен, сложность майнинга составляла всего 1, и Сатоши Накамото добывал Генезис-блок (блок 0), содержащий 50 биткойнов, используя обычный настольный компьютер с центральным процессором (CPU). В те ранние дни одновременное запуск полноценного узла Bitcoin и майнинг были практически одним и тем же занятием.

Когда в 2011 году цена Bitcoin начала расти — достигнув $1, затем $30 — стимул к прибыли привлёк больше участников, и конкуренция усилилась. Майнеры обнаружили, что графические процессоры (GPU), изначально предназначенные для игр, могут выполнять миллионы математических вычислений для майнинга гораздо быстрее, чем CPU. В 2011-2012 годах GPU-майнинг стал доминирующим.

Через год появились программируемые логические матрицы (FPGA), которые предлагали улучшения по сравнению с GPU, но всё ещё не были оптимальными. К 2013 году революцию произвели интегральные схемы специального назначения (ASIC). Эти чипы разрабатываются специально для алгоритма SHA-256 и в разы быстрее любых универсальных компонентов компьютера. Один ASIC способен выполнять триллионы хэшей в секунду — за задачу, на выполнение которой CPU потребовал бы недели.

Сегодня единственно экономически оправданный подход — майнинг на ASIC. Сложность майнинга выросла с 1 до примерно 30 триллионов, что означает, что современные майнеры должны совместно выполнять более 30 триллионов хэш-вычислений, чтобы найти один допустимый блок. Домашний майнинг с помощью потребительского оборудования стал практически невозможен; конкуренция со стороны промышленных майнинговых предприятий слишком велика.

Программное ограничение предложения Bitcoin: халвинги и лимит в 21 миллион

Майнинг Bitcoin включает в себя гениальный экономический механизм: халвинг награды за блок. Каждые 210 000 блоков — примерно каждые четыре года — награда за майнинг сокращается вдвое. Bitcoin запускался с наградой в 50 биткойнов за блок, которая в 2012 году стала 25 биткойнов, затем в 2016 — 12.5 биткойнов, а после халвинга 2020 — 6.25 биткойнов.

Эта убывающая структура наград гарантирует, что общее количество Bitcoin никогда не превысит 21 миллион монет. Математические прогнозы показывают, что к 2140 году последний биткойн будет добыт, а награда за блок достигнет нуля. После этого майнеры будут получать доход только от комиссий за транзакции.

Эта программная схема предложения делает Bitcoin тем, что экономисты называют «жёстким активом» — его дефицит математически гарантирован и не может быть изменён. В отличие от золота, которое увеличивается в объёме на 1-2% ежегодно без ограничения, Bitcoin обладает уникальными монетарными свойствами среди глобальных активов.

Пути майнинга: соло, пулы и институциональные варианты

Майнинг Bitcoin предлагает несколько вариантов для участников. Солоу-майнинг — это самостоятельная работа с собственным оборудованием ASIC, при которой весь блоковый вознаграждение достаётся только вам, если вы находите допустимый блок. Однако, учитывая текущую сложность, майнеру-одиночке может понадобиться ждать месяцы или годы, чтобы найти блок. В январе 2022 года один соло-майнер с 120 TH/s хэшрейта нашёл допустимый блок при астрономических шансах и заработал примерно $265 000 в биткойнах — доказательство, что это теоретически возможно, хотя и маловероятно по статистике.

Майнинг в пуле — более практичный подход для частных лиц. Майнеры объединяются в децентрализованные пулы, где совместно используют вычислительную мощность и делят награды пропорционально своему вкладу. Среди популярных пулов — Slush Pool, Poolin, F2Pool, Foundry и другие. Пуловский майнинг обеспечивает стабильный, предсказуемый доход, а не азартное ожидание случайных находок.

Для тех, у кого нет капитала или технических знаний, существуют три бизнес-модели: покупка оборудования у компании и его размещение в их дата-центрах, покупка доли их хэшрейта или инвестирование напрямую в майнинговые компании. Такие компании, как Core Scientific, Iris Energy, Riot Blockchain и Hut 8 Mining, работают на промышленном уровне. В их работе есть обязательные проверки личности (KYC) и сборы за услуги, а также меньший контроль над операциями.

Распространённые мифы о майнинге Bitcoin

Чтобы объяснить реальное влияние майнинга Bitcoin, важно развенчать распространённые мифы.

Энергопотребление и возобновляемая энергия: Критики утверждают, что майнинг Bitcoin тратит «грязную энергию». На самом деле, майнинг создаёт экономический стимул для развития возобновляемых источников энергии. Солнечная и ветровая генерация сейчас стоят 3-4 цента и 2-5 центов за кВт·ч соответственно — дешевле, чем ископаемое топливо за 5-7 центов. Майнеры естественно выбирают места с самой дешёвой электроэнергией, и возобновляемая энергия всё чаще выигрывает в этой конкуренции. Регионы, такие как Западный Техас, с богатым ветровым и солнечным потенциалом, привлекают майнинговые операции. Норвегия производит 100% электроэнергии гидроэнергией, что делает её идеальным центром для майнинга. Майнинг Bitcoin фактически создаёт новый рынок для избыточной возобновляемой энергии.

Потребление энергии и выбросы углерода: Годовое потребление Bitcoin составляет примерно 87 ТВт·ч — около 0.55% мировой электроэнергии. Однако потребление и выбросы углерода — разные показатели. Теоретически Bitcoin может потреблять всю мировую электроэнергию при нулевом углеродном следе, если вся энергия будет возобновляемой. Центр альтернативных финансов при Кембридже оценил, что 39-73% майнинга используют углеродно-нейтральные источники энергии, в зависимости от периода измерения. Bitcoin Mining Council сообщил, что 59.5% электроэнергии отрасли в Q2 2022 поступало из устойчивых источников.

Энергопотребление на транзакцию: Скептики часто утверждают, что Bitcoin использует чрезмерное количество энергии на одну транзакцию по сравнению с платежными системами, такими как Visa. Это фундаментально неправильно. Большая часть энергии майнинга уходит на создание новых биткойнов и обеспечение инфраструктуры блокчейна — а не на обработку каждой отдельной транзакции. После появления биткойнов их подтверждение требует минимальных затрат энергии. Кроме того, традиционные платежные системы используют многоуровневую инфраструктуру, которая может занимать шесть месяцев для окончательных расчетов, что тоже расходует энергию. Bitcoin обеспечивает мгновенное и необратимое окончательное подтверждение, что делает его принципиально иной системой.

Появляется возможность использовать спрос майнинга Bitcoin на энергию для ускорения развития возобновляемых источников и даже для внедрения новых технологий, таких как использование океанской энергии, что потенциально может обеспечить чистую энергию для населения по всему миру.