Особенности майнинга
Энергопотребление и экология
Итак, в настоящее время крупные профессиональные центры по обработке данных занимают лидирующие позиции в сфере майнинга биткойнов. Как уже отмечалось ранее, поиск новых блоков требует сложных вычислений, и, как следствие, оборудование для майнинга потребляет большое количество энергии. Это вызывает жаркие дискуссии о влиянии системы Биткоин на экологию.
Рассмотрим, какое количество энергии потребляется системой Биткойн и что это может означать для валюты и для планеты в целом.
Существует принцип, разработанный Рольфом Ландауэром в 1960-х годах, который гласит, что на любое необратимое вычисление затрачивается минимальная энергия. Принцип выведен из основ физики. Не будем здесь рассматривать выводы, за исключением того, что при каждой обработке 1 бита в необратимом вычислении, существует минимальное количество Джоулей, которые необходимо использовать. Исходя из основных законов физики энергия никогда не разрушается, она преобразуется из одной формы в другую.
В случае вычисления энергия, в основном, преобразуется из электричества, которое является энергией высокого потенциала, в тепло, которое рассеивается в окружающей среде. Хэш-функция SHA-256, которая является основой системы Биткойн, не относится к обратимому вычислению. Следует отметить, что необратимость одна из основных особенностей SHA-256.
Итак, поскольку любое необратимое вычисление потребляет некоторый объем энергии , а SHA-256 является необратимой, то энергопотребление является неизбежным атрибутом майнинга биткойнов. Следует отметить, что ограничения, предусмотренные принципом Ландауэра, меньше, чем объем электроэнергии, который потребляется сегодня, более чем в 1000 раз. Таким образом, на текущий момент майнеры даже близко не подошли к теоретической оптимальной эффективности вычислений, но даже если бы теоретический оптимум был достигнут, для майнинга биткойнов по-прежнему использовался бы некоторый объем энергии.
Почему майнинг биткойнов не может обойтись без потребления энергии? Данный процесс состоит из 3 частей.
Во-первых, необходимо изготовить оборудование для майнинга. Для этого требуется извлечь из недр Земли элементы, в особенности редкоземельные металлы и медь, которые используются в производстве интегральных схем. Затем необходимо изготовить из этих материалов интегральную схему специального назначения (ASIC). Все это представляет собой энергетические затраты на производство и эксплуатацию. Едва только заказ ASIC был доставлен майнеру по почте, большой объем энергии уже был потреблен, включая энергию, затраченную на доставку. То есть энергия была потрачена только на то, чтобы майнер получил оборудование.
Затем майнер подключит оборудование к сети и начнет майнить. Энергия будет потребляться всё время, которое оборудование майнит биткоины - этот объем и будет составлять электроэнергию, потребляемую во время майнинга.
И несмотря ни на что эта энергия должна быть потреблена согласно принципу Ландауэра. Будем надеяться на то, что со временем энергетические затраты на производство и эксплуатацию будут снижаться по мере появления новых мощностей в сети. Меньше людей будут тратиться на новые ASIC, так как они будут устаревать медленнее. Существующая совокупность оборудования может просуществовать долго. Энергетические затраты на производство и эксплуатацию с годами будут амортизироваться.
Однако энергопотребление будет всегда, даже, несмотря на то, что оно немного снизится, вследствие повышения эффективности установки со временем.
Другой факт касательно как электроэнергии, так и энергетических затрат на производство и эксплуатацию, заключается в том, что они, вероятно, снизятся, вследствие экономии от масштаба. Управляя огромным центром обработки данных для майнинга, можно использовать энергию более эффективно. Однако существует нюанс, который заключается в охлаждении оборудования в целях предупреждения неисправностей. Если майнинг-центр находится в Антарктиде, то, возможно, оборудование охлаждается естественным путем, однако в любом другом месте придется выложить огромную сумму за электричество, чтобы охладить оборудование. При этом стоимость электричества увеличивается по мере роста масштаба. Существуют два основных подхода к оценке энергопотребления всей системы Биткойн. Конечно, они не дают точную оценку, так как система Биткоин децентрализована – в ней участвуют майнеры по всему миру и их деятельность не документируется. Тем не менее, можно вычислить приблизительную цифру.
Рассмотрим первый способ. Вознаграждение за создание каждого блока, которое происходит каждые 10 минут, составляет около 15 000 долларов США или 25 биткойнов. Если пересчитать это как доход в секунду, получится 25 долларов США в секунду, которые были добыты и получены майнинг-сообществом. Если майнеры все 25 долларов США в секунду обменяют на электроэнергию, сколько они могут получить? В США цены на электроэнергию варьируются от штата к штату, допустим, цена за киловатт-час составит примерно 0,10 доллара США. Перейдем к более стандартной научной единице измерения – мегаджоуль.
Таким образом, если майнеры все свое вознаграждение в 25 долларов США в секунду потратят на приобретение электроэнергии, то они должны будут получать 900 мегаджоулей в секунду. Джоуль в секунду – это ватт. Поэтому 900 мегаджоулей в секунду составляет 900 мегаватт или 900 миллионов ватт.
Второй способ оценить тот же показатель – это применить принцип восходящего анализа. Выясним, сколько хэшей вычисляются майнерами, просмотрев сложность каждого блока. И что собой представляет самое лучшее оборудование, которое могут использовать майнеры? Если изучить характеристики оборудования для майнинга, то можно обнаружить, что установки с самой высокой производительностью способны 1 ватт электроэнергии преобразовать в 1 гигахэш, т.е. с помощью данного оборудования вычисляется 1 миллиард хэшей в секунду и потребляется около 1 ватта энергии. Общая производительность системы составляет около 150 миллионов гигахэшей или 150 петагерцев.
Конечно же, данное число включает в себя весь объем потребленной на охлаждение энергии и энергетических затрат на производство и эксплуатацию, которые включены в стоимость чипов, но здесь рассматривается наиболее оптимальный расчет. Допустим ситуацию, при которой вся сеть обладала бы производительностью, сравнимую с той, что имеют лучшие установки на рынке. Тогда можно умножить эти два показателя вместе, и получить, что потребляется около 150 мегаватт на вычисление того огромного количества хэшей в секунду при такой производительности.
Итак, вернемся к цифре, полученной с помощью нисходящего принципа, которую мы оценили в 900 мегаватт, а, используя принцип восходящего анализа, значение установилось на уровне 150 мегаватт.
Таким образом, всей сетью, возможно, потребляется от 100 мегаватт до 1 гигаватта электроэнергии.
В действительности, значение показателя устанавливается где-то посередине, однако следует отметить, что эта приблизительная оценка достаточно полезна, чтобы задуматься об этом прямо сейчас.
Так сколько же это – мегаватт?
Одна из крупнейших электростанций в мире "Три ущелья", которая находится в Китае – это электростанция мощностью 10000 мегаватт. На самом деле ее мощность немного выше, а это средний уровень мощности, который генерируется станцией. В то время как среднестатистическая крупная гидроэлектростанция генерирует около 1000 мегаватт. Крупнейшая атомная электростанция в Японии, к примеру, генерирует около 7000 мегаватт, тогда как среднестатистическая атомная электростанция – около 4000 мегаватт. Угольные электростанции, использовавшиеся в прошлом, генерировали от 1000 до 2000 мегаватт.
Итак, приблизительная оценка, показала, что Биткойн потребляет меньше 1000 мегаватт. Следовательно, все система Биткойн потребляет меньше электроэнергии, чем генерируется на крупной электростанции.
Это значит, что одна крупная электростанция должна работать только на то, чтобы снабжать систему Биткойн энергией, лишая энергии другие направления, которые в ней нуждаются. Следует отметить и то, что любая платежная система требует потребления энергии и электричества. Если взять в качестве примера традиционную валюту, большой объем энергии потребляется на перемещение золотых слитков, охрану золотых слитков, функционирование банкоматов, автоматов для сортировки монет, контрольно-кассовых аппаратов, инкассирование. На все это традиционная денежная система потребляет энергию.
Есть мнение, что Биткойн расходует энергию напрасно, так как эта энергия расходуется на вычисление SHA-256, которое не служит какой-либо очевидной цели. Но можно заметить, что энергия, потребляемая традиционной валютной системой, тоже расходуется впустую, и она не служит никакой другой цели, кроме поддержания валютной системы.
Если Биткойн потребляет электроэнергию, то это не обязательно означает, что она тратится впустую. Если Биткойн – это полезная платежная система, в таком случае электричество в основном потребляется для этой цели.
Тем не менее следует задумываться, существует ли лучший способ использовать электроэнергию, а не просто наблюдать за тем, как рассеивается тепло в атмосферу?
Есть одна довольно интересная идея. Что если попытаться сохранить тепло, выделяемое при потреблении электроэнергии для майнинга биткойнов, и использовать его для практических целей? Что если вместо традиционных электрических обогревателей для обогрева дома или нагрева воды приобрести оборудование для майнинга биткойнов, подключить его к электросети и обеспечить доступом в Интернет?
В этом случае обогреватель в виде оборудования для майнинга будет применяться для майнинга и, в то же время, использовать выделяемое им тепло в качестве побочного продукта этого вычисления для нагрева воды, обогрева дома.
Эффективность данной установки не намного хуже, чем электрообогревателя. Так что это отличная идея, и, возможно, многообещающая перспектива, заслуживающая рассмотрения в будущем. Однако существует несколько проблем. Например, электрообогреватели все еще менее эффективны, чем газовые. Поэтому в географических областях с суровым климатом дома, как правило, обогреваются с помощью газового котла. Если использовать оборудование для майнинга не только для майнинга, но и для обогрева, что произойдет, если все выключат свои установки для майнинга биткойнов на лето? Будет ли пропускная способность системы Биткойн падать сезонно, исходя из того, сколько тепла необходимо людям? Будет ли это происходить в дни, когда температура будет устанавливаться на уровне выше среднего?
Итак, пара открытых вопросов, связанных с энергопотреблением Биткойн. Означает ли тот факт, что Биткойн обеспечивает такой хорошей возможностью преобразовать электроэнергию в деньги, что странам, которые предоставляют субсидии на электричество, придется переосмыслить этот процесс. Сейчас во многих странах мира правительство практически субсидирует затраты на электроэнергию, особенно электроэнергию, используемую в промышленности. Одна из причин- попытка стимулирования индустрии оставаться в их стране, а не в других. Если одна из главных составляющих успеха биткойн-майнеров – это дешевая электроэнергия, то можно майнить где угодно.
И еще один вопрос. Если электроэнергию можно трансформировать в биткоины, означает ли это что следует охранять розетки? Необходимо ли крупным зданиям с множеством розеток устанавливать камеры наблюдения, чтобы убедиться, что сотрудники или студенты не пытаются майнить биткойны, подключая оборудование к источникам питания и просто позволяя ему работать?
Стало бы человечество богаче, если бы не потребляло такой объем электроэнергии на поддержание системы Биткоин? Можно ли создать валюту, которая не имела бы доказательства выполнения работы и не потребляла бы такой объем электроэнергии? Эта тема будет затронута в следующих лекциях.