内卷的比特币挖矿，正在产生惊人的碳排放

Posted 2021-05-07 中科院过程所廊坊分部

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

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