هزینه استخراج بیت کوین هرگز واقعاً افزایش نیافته است

شبکه بیت کوین مقدار زیادی انرژی برای استخراج می سوزاند. در این مقاله، با در نظر گرفتن تغییرات در هزینه‌های انرژی، بهبود فناوری‌های هش و فعالیت هش، مرز پایین‌تر برای هزینه انرژی معدنکاری جهانی را برای یک دوره 10 ساله از سال 2010 تا 2020 برآورد می‌کنیم. ما هزینه انرژی برای استخراج بیت کوین را با استفاده از دو روش تخمین می زنیم: قیمت نفت خام برنت به عنوان یک استاندارد جهانی و قیمت برق صنعتی منطقه ای وزن شده بر اساس سهم فعالیت هش. علیرغم افزایش 10 میلیارد برابری در فعالیت هش کردن و افزایش 10 میلیون برابری در کل مصرف انرژی، متوجه می‌شویم که هزینه نسبت به حجم تراکنش‌ها از سال 2010 افزایش یا کاهش نداشته است. این با این دیدگاه مطابقت داردبه منظور ایمن نگه داشتن سیستم بلاک چین در برابر حملات هزینه مضاعف، اثبات یا کار باید کسری قابل توجهی از ارزش قابل انتقال از طریق شبکه هزینه داشته باشد. ما تخمین می زنیم که در شبکه بیت کوین این کسری در حد 1٪ است.

1. مقدمه

بیت کوین یک ارز دیجیتال است که در سال 2009 توسط مخترع یا گروهی از مخترعان ناشناس با نام مستعار ساتوشی ناکاموتو (ناکاموتو، 2019) راه اندازی شد. این بزرگترین ارز دیجیتال در ارزش بازار با بیش از 100 میلیارد دلار است (چان و همکاران، 2019؛ گروبیس و ساپکوتا، 2019؛ Blockchain. com، 2020). به‌عنوان یک ارز غیرمتمرکز، بیت‌کوین با ارزهای فیات تنظیم‌شده دولتی تفاوت دارد زیرا هیچ مرجع مرکزی در شبکه برای تأیید تراکنش‌ها و جلوگیری از تقلب و حملات وجود ندارد (سین و وانگ، 2017). در عوض، بیت کوین به یک دفتر کل عمومی بسیار تکراری متکی است که با استفاده از یک زنجیره هش ایمن شده و از طریق اجماع جامعه تایید شده است (Akcora et al., 2018). همه کاربران می توانند تراکنش جدیدی را اعلام کنند، اما چنین تراکنشی تنها زمانی معتبر تلقی می شود که توسط اکثر گره های شبکه تأیید شود. تراکنش ها در بلوک هایی نوشته می شوند که توسط هش ها در زنجیره ای قفل شده اند. هش کردن یک تابع یک طرفه است که ورودی با طول دلخواه را در رشته ای از تعداد ثابتی از ارقام نگاشت می کند. تابع هش باید تضمین کند که رشته خروجی (شبه) منحصر به فرد با ورودی داده شده مرتبط است (تعیین کننده) و تغییرات کوچک در ورودی باید تغییرات دلخواه بزرگی در خروجی ایجاد کند به طوری که بازسازی ورودی بر اساس خروجی غیرممکن است. در مورد بیت کوین، تراکنش‌های بلوک پیشنهادی جدید و سربرگ جدیدترین بلاک در الگوریتم هش SHA-256 وارد می‌شود، بنابراین زنجیره‌ای با جهت منحصربه‌فرد ایجاد می‌کند. چنین زنجیره ای در قلب امنیت بیت کوین قرار دارد زیرا تغییر محتوای یک بلوک را پس از اضافه شدن بلاک های بعدی به زنجیره دشوار می کند. در بیت کوین، این فرآیند مهر و موم رمزنگاری شده از طریق یک زنجیره هش، عمداً به گونه‌ای طراحی شده است که از لحاظ محاسباتی با پذیرش هش‌ها، تنها در صورتی طراحی شده است که تعداد هش به‌طور تصادفی تولید شده کوچکتر از یک هدف معین باشد. بنابراین جامعه تعداد زیادی هش را با اصلاح یک جزء تصادفی از محتوای بلوک انجام می دهد تا زمانی که به طور تصادفی، شخصی یک هش «معتبر» کوچکتر از آستانه پیدا کند. این اثبات کار (PoW) نامیده می شود و هدف آن تعیین اجماع اکثریت است. در واقع، در یک سیستم توزیع ناشناس، شرکت‌کنندگان می‌توانند خودسرانه هویت‌های جدیدی تولید کنند، بنابراین اجماع نمی‌تواند بر حسب افراد حساب شود. بلکه باید برحسب مقداری هزینه مشارکت که تعهد قدرت محاسباتی را نشان می‌دهد، محاسبه شود. به قول ساتوشی ناکاموتو، "یک CPU یک رای" (ناکاموتو، 2019). سخت افزار استخراج بیت کوین از CPU ابتدا به GPU (McNally et al., 2018) و بعداً FPGA و ASIC منتقل شده است، اما اصل پشت اثبات کار یکسان است.

این شبکه با اختصاص بیت‌کوین‌های تازه استخراج‌شده به اولین کاربری که به‌طور تصادفی هش با مقدار کمتر از آستانه را پیدا می‌کند، کاربران را تشویق می‌کند تا در فرآیند اعتبارسنجی بلوک شرکت کنند. در حال حاضر، پس از آخرین نصف شدن بیت کوین، این پاداش 6. 25 بیت کوین یا حدود 60000 دلار با نرخ ارز فعلی است (جدول 1 را ببینید). به همین دلیل، فرآیند هش کردن، «ماینینگ» نامیده می‌شود و ماینرها اغلب برای تشکیل استخرهای استخراج بزرگ به هم می‌پیوندند تا منبع درآمد پایدارتری داشته باشند (Gervais et al., 2014).

میز 1 . پاداش بیت کوین به ازای هر بلوک استخراج شده

گاهی اوقات زمانی که دو بلوک حاوی تراکنش‌های مختلف به یک بلوک متصل می‌شوند، فورک‌ها در بلاک چین رخ می‌دهند. در نهایت بلوک های دیگر استخراج شده و به آنها متصل می شوند و دو زنجیره انشعاب بعد از چنگال تشکیل می دهند. در این مورد، زنجیره طولانی تر، زنجیره ای که اثبات کار یا محاسبات هش تجمعی بیشتری دارد، به عنوان زنجیره اصلی در نظر گرفته می شود که بلوک های آینده بر روی آن ساخته می شوند. معمولاً یک بلوک پس از اتصال شش بلوک به زنجیره آن که طول می کشد، در نهایت معتبر تلقی می شود~1 ساعت

اثبات کار بیت کوین از نظر اقتصادی (Thum, 2018) و زیست محیطی بسیار پرهزینه است (Stoll et al., 2019). پیشرفت‌های تکنولوژیکی در طول سال‌ها هش کردن را به یک عملیات بسیار کارآمد تبدیل کرده است که کمتر از 0. 03 ژول در هر میلیارد هش مصرف می‌کند (با مدار مجتمع ویژه برنامه، ASIC، ماشین‌های طراحی شده. جدول 2 را ببینید). این هزینه انرژی هر هش را در طول 10 سال گذشته حدود 30 هزار بار کاهش داده است. با این حال، ماینرهای شبکه بیت کوین در حال حاضر (مه 2020) تقریباً 10 25 هش در روز را محاسبه می کنند که بیش از 10 مرتبه بزرگتر از سطوح سال 2010 است. ما در این مقاله تخمین می زنیم که این فعالیت هش در حال حاضر با هزینه انرژی حدود 1 میلیون دلار در روز و حدود یک میلیارد دلار در سال گذشته مطابقت دارد. به نوبه خود، این هزینه مربوط به هزینه هر تراکنش تا 13 دلار در ژانویه 2020 است. این هزینه نه توسط فرستنده و نه گیرنده در یک تراکنش، بلکه بر عهده ماینرها است. در حالی که یک میلیارد در سال سوزانده شده در هش قطعا مقدار زیادی پول است که می تواند به عنوان اتلاف منابع تلقی شود، اثبات کار بیت کوین یک فرآیند ضروری برای عملکرد چنین شبکه بدون مجوز ناشناس است. در واقع اعتبارسنجی تراکنش ها و به دست آوردن اجماع جامعه برای ایمن سازی سیستم از حملات ضروری است.

جدول 2. سخت افزار معدن با بهره وری انرژی بهینه و تاریخ عرضه آنها.

یک سوال مطرح می شود: آیا این هزینه منصفانه است یا می توان آن را کاهش داد؟در Aste (2016) این استدلال را مطرح کرد که در حالت تعادل، هزینه اثبات کار بیت کوین باید به اندازه ای باشد که یک حمله هزینه مضاعف را برای انجام سودآور بسیار گران کند. از این اصل، تخمین هزینه منصفانه اثبات کار تحت یک فرض تعادل ایده آل نسبتاً ساده است. اجازه دهید مهاجمی را در نظر بگیریم که مقداری بیت‌کوین را در اختیار دارد و می‌خواهد آن را با خرج کردن یک بیت‌کوین با چندین کاربر مختلف، به‌طور مصنوعی ضرب کند. این به عنوان یک حمله خرج دوگانه شناخته می شود. مهاجم سعی خواهد کرد بیشترین مقدار ممکن بیت کوین را دو برابر کند، اما این به مقداری که معمولاً در یک بلوک رد و بدل می شود محدود می شود (که در این مقاله تخمین می زنیم که در حال حاضر حدود 10 میلیون دلار است). در واقع، تراکنشی که شامل مبلغی بسیار بیشتر از حد معمول باشد، توجه ناخواسته شبکه را به خود جلب می کند. البته، تکرار را می توان چندین بار به صورت موازی یا متوالی تکرار کرد، اما همانطور که به زودی خواهیم دید، این تأثیری بر نتایج استدلال حاضر ندارد. برای موفقیت، مهاجم باید مطمئن شود که هر دو تراکنش تکراری معتبر هستند و این مستلزم تولید یک فورک با دو بلوک است که حاوی تراکنش دوبار مصرف شده متصل به بلوک قبلی است. اگر مهاجم قدرت محاسباتی کافی داشته باشد، می‌تواند دو هش معتبر برای مهر و موم کردن دو بلوک ایجاد کند که این تصور نادرست است که هر دو تراکنش تأیید و اعتبارسنجی شده‌اند. با این حال، برای تسویه نهایی تراکنش، در حال حاضر در نظر گرفته می شود که باید منتظر شش بلوک جدید بود تا به زنجیره متصل شود تا تراکنش از نظر آماری برگردانده نشود. بنابراین مهاجم باید از قدرت محاسباتی خود برای تولید شش هش معتبر قبل از اینکه تراکنش دوبار مصرف شده تسویه شده در نظر گرفته شود، استفاده کند. توجه داشته باشید که تنها یکی از دو فورک (کوتاه ترین) باید توسط مهاجم تایید شود، زیرا دیگری توسط سیستم معتبر تلقی می شود و می تواند توسط ماینرهای دیگر منتشر شود. البته، این کاملا غیر واقعی است که فرض کنیم هیچ کس برای مدت طولانی متوجه چنگال انتشار نمی شود، اما اجازه دهید این را به عنوان یک فرضیه کاری حفظ کنیم. تکثیر مصنوعی چنگال هزینه ای دارد که هزینه اثبات کار در هر بلوک شش برابر است. اگر این هزینه کمتر از سود حاصل از هزینه های تکراری باشد، مهاجم سود خواهد برد. در یادداشت منتشر نشده قبلی Aste (2016) فرمول زیر گزارش شده است:

تعادل هزینه عادلانه اثبات کار در هر بلوک = کسر تکراری از ارزش یک بلوک تعداد بلوک های مورد نیاز برای تسویه.(1)

ما می توانیم این فرمول را دوباره بنویسیم تا به طور رسمی هزینه اثبات کار در روز، C را بیان کنیم_تی، مانند

p نسبت تکراری حجم تراکنش بلوک است.

V_تیمیانگین حجم معاملات در روز t است.

N تعداد بلوک های مورد نیاز برای تسویه حساب است.

در رابطه (2) N تقریباً برابر با 6 است و میانگین حجم معاملات فعلی حدود V است_تی ~1 میلیارد دلار در روز، اما در سال 2010 تنها چند هزار دلار در روز بود. ارزش p باید به طور قابل توجهی کوچکتر از یک باشد زیرا اگر مهاجمی بخواهد ارزش دو برابری زیادی را خرج کند، فوراً توسط جامعه شناسایی می شود. با عملیاتی که بخش قابل توجهی از کل فعالیت شبکه را در بر می گیرد. باید توجه داشته باشیم که این فرمول یک حد بالایی برای هزینه اثبات کار است. هزینه های یک حمله را تا حد زیادی دست کم می گیرد و دستاوردهای مهاجم را تا حد زیادی بیش از حد برآورد می کند. در واقع سیستمی را در نظر می گیرد که هیچ گونه حفاظت یا سیستم امنیتی دیگری جز اثبات کار ندارد. علاوه بر این، فکر نمی‌کند که پس از یک حمله موفقیت‌آمیز، ارزش بیت‌کوین احتمالاً سقوط می‌کند و بنابراین بعید است که مهاجم سود خود را در ارزش فعلی بازار خرج کند. در نهایت، باید در نظر داشته باشیم که مهاجم باید بیش از 50 درصد از قدرت هش را کنترل کند. این امر مستلزم سرمایه‌گذاری هنگفت در تجهیزات استخراج (که در فرمول در نظر گرفته نشده است) یا روش‌های دیگری برای کنترل مزارع استخراج، مانند حمله سایبری یا فیزیکی معمولی، که هزینه قابل توجهی نیز خواهد داشت، دارد. بنابراین انتظار داریم که پارامتر p از مرتبه 1% یا کمتر باشد.

مستقل از تخمین یک مقدار واقعی برای پارامتر p، این اصل که هزینه اثبات کار باید کسری قابل توجهی از ارزش انتقال یافته توسط شبکه باشد تا از حملات هزینه مضاعف جلوگیری شود، باید معتبر باشد (Aste, 2016؛ Aste et etal., 2017). به طور خاص، طبق این اصل، ما انتظار داریم که برای یک سیستم معین، نسبت بین هزینه اثبات کار و ارزش منتقل شده توسط شبکه حول مقداری ثابت نوسان داشته باشد که منعکس کننده تعادل منصفانه بین سودهای احتمالی در یک سیستم باشد. حمله و هزینه انجام آندر این مقاله، ما آزمایش می‌کنیم که آیا این واقعاً برای اثبات کار بیت‌کوین صادق است یا خیر. برای این منظور، ما در کل دوره وجود بیت کوین، تخمین هزینه های استخراج و مقایسه آنها با ارزش انتقال یافته از طریق شبکه را بررسی می کنیم. این دوره شگفت انگیزی است که طی آن ارزش انتقال یافته از طریق شبکه بیت کوین چندین میلیون بار افزایش یافته و فعالیت هش دهی 10 مرتبه افزایش یافته است. بیایید توجه کنیم که ده مرتبه بزرگی یک تغییر عظیم است. برای در نظر گرفتن آن، این نسبت بین قطر خورشید و قطر یک سکه یک سنتی است. اینها تغییرات بزرگی در مقیاسی هستند که هرگز در سیستم های مالی یا به طور کلی در فعالیت های انسانی مشاهده نشده است. ما در این مقاله نشان می‌دهیم که علی‌رغم این تغییرات اساسی در فعالیت‌های استخراج و معاملات بیت‌کوین، نسبت بین هزینه استخراج تخمینی و حجم تراکنش در یک باند نسبتاً باریک در نوسان است و بنابراین استدلال در مورد هزینه منصفانه اثباتاثر Aste (2016).

2. روش شناسی

2. 1. تخمین حد پایین برای هزینه استخراج بیت کوین

هزینه استخراج بیت کوین از سه عنصر کلیدی تشکیل شده است:

1. هزینه انرژی معدن

2. هزینه های سربار برای نگهداری مزرعه معدن مانند هزینه های زیربنایی و تاسیسات خنک کننده

3. هزینه خرید و تجدید سخت افزار ماینینگ

برای هدف از این مطالعه ، ما فقط روی عنصر اول تمرکز می کنیم ، هزینه انرژی اجرای سخت افزار معدن بیت کوین که احتمالاً راننده اصلی است و تنها هزینه ای است که می توان با دقت تخمین زد. هزینه های نگهداری برای اجرای یک مزرعه معدن بیت کوین بسته به موقعیت مکانی ، طراحی و مقیاس تسهیلات بسیار متفاوت است و از آنجا که چنین اطلاعاتی معمولاً برای عموم فاش نمی شود ، تخمین دقیق آن را غیرقابل نفوذ می کند. قیمت فروش سخت افزار معدن در دسترس عموم است اما گنجاندن آن در محاسبات هزینه به دلیل سرعت سریع تکامل در صنعت و کدورت اطلاعات در مورد سهم بازار هر سخت افزار و نرخ تعویض سخت افزار منسوخ شده دشوار است. سخت افزار معدن جدیدتر ممکن است به نرخ هش سریعتر و راندمان انرژی بالاتر برسد اما هزینه های تجدید آن بعید است که همه معدنچیان بیت کوین بلافاصله تمام سخت افزار معدن موجود خود را با آخرین نسخه ها جایگزین کنند. مطمئناً ترکیبی از سخت افزار قدیمی و جدید معدن باید در شبکه بیت کوین همزیستی باشد تا زمانی که هر دستگاه همچنان به سود خود ادامه دهد. با این حال ، سهم بازار هر سخت افزار و تکامل آن با گذشت زمان ناشناخته است. با توجه به هدف از تخمین فعلی از مرز پایین هزینه معدن ، باید تأکید کنیم که نگهداری و هزینه های سخت افزاری باید به هر حال متناسب با هزینه های مصرف انرژی باشد. با نادیده گرفتن آنها ، ما کل هزینه معدن را توسط برخی از عوامل تخمین می زنیم ، اما در کنار این عامل ، تخمین رفتار کلی هزینه معدن نباید به طور قابل توجهی تأثیر بگذارد.

2. 2داده ها

داده های تاریخی در مورد قیمت بیت کوین ، میانگین نرخ هش و تعداد بلوک های روزانه در روز را می توان در https://charts. bitcoin. com/btc و ارزش کل تخمین زده شده کلیه معاملات در شبکه بیت کوین در https:/یافت./www. blockchain. com/charts/. راندمان هش و سایر اطلاعات در مورد سخت افزار استخراج بیت کوین از داده های تولید کننده و مطالعات قبلی (Küfeoğlu and Ozkuran ، 2019) جمع شده و به طور مستقل تأیید شد.

بیشتر آثار قبلی با توجه به میانگین قیمت برق جهانی ، مصرف انرژی را قیمت گذاری کرده اند (به عنوان مثال Vranken ، 2017 ؛ Derks et al. ، 2018 ؛ Küfeoğlu and Ozkuran ، 2019). در این مقاله ، ما با تبدیل انرژی مصرفی در هنگام استخراج بیت کوین به بشکه های معادل روغن و قیمت آن با توجه به قیمت نقطه خام برنت ، یک رویکرد متفاوت را معرفی می کنیم. قیمت های نفت خام برنت تاریخی از EIA 1 با نرخ تبدیل بین ژول و بشکه معادل روغن در 1 بشکه = 5. 54543 گیگول بر اساس ارقام منتشر شده توسط BEIS 2 جمع آوری شد. دلیل ما این است که قیمت نفت خام برنت یک ارزش روزانه در دسترس عمومی است که در سراسر جهان استاندارد شده است در حالی که قیمت برق در کشورها و تأمین کنندگان مختلف بسیار متفاوت است. توجه داشته باشید که یک حق بیمه وجود دارد که تولید کنندگان و توزیع کنندگان برق با توجه به هزینه نفت ، قیمت برق را شارژ می کنند و می توانند مالیات نیز وجود داشته باشند. این هزینه های اضافی به کشورها و شرایط بستگی دارد اما درصد مشخصی را به برآورد ما از هزینه معدن بر اساس قیمت نفت اضافه می کنند.

به عنوان نکته دیگر از مقایسه ، از قیمت برق منطقه ای نیز به عنوان پروکسی برای هزینه انرژی استفاده شد. متوسط قیمت جهانی برق مورد استفاده برای استخراج معادن بر اساس توزیع جغرافیایی نرخ هش در شبکه بیت کوین و قیمت برق محلی صنعتی محاسبه شد. بر اساس ارقام منتشر شده توسط CCAF در https://cbeci. org/mining_map ، چین ، ایالات متحده و روسیه مسئولیت بیش از 80 ٪ نرخ هش جهانی را بر عهده دارند. بخش قریب به اتفاق بیت کوین در چین استخراج شده است ، بنابراین داده های موجود در آن بر اساس استان ها طبقه بندی می شوند. آنها در جدول 3 نشان داده شده است. سه کشور همچنین آمار دولت را در مورد قیمت برق صنعتی به طور مرتب منتشر می کنند (چین: NEA ، ایالات متحده: EIA ، روسیه: Petroelectrosbyt) که اجازه می دهد قیمت متوسط برق سالانه برای معدن بیت کوین ، E_تی، به عنوان محاسبه شود

من مجموعه ای از مناطق در جدول 3 است.

حرف_منسهم نرخ هش جهانی است که توسط منطقه I به حساب می آید.

پ_منقیمت برق صنعتی در منطقه I است که براساس میانگین نرخ ارز به دلار/کیلووات ساعت تبدیل شده است.

جدول 3. توزیع جغرافیایی سهم نرخ هش در شبکه بیت کوین ، 2019-2020.

درصد نامتناسب فعالیت معدن در چین در استان هایی با قیمت متوسط برق کمتر از متوسط برق مستقر شده است ، بنابراین در جایی که داده های استانی در دسترس نبود ، یک ضرب 0. 738 بر اساس داده های تجربی از سال 2013 تا 2018 برای محاسبه E بر روی قیمت های برق چین اعمال شد._چینوادسهم منطقه ای نرخ هش و قیمت برق برای ایالات متحده یا روسیه در دسترس نبود ، بنابراین تنظیمات مشابه امکان پذیر نبود. محدودیت دیگر قیمت برق این است که بخش فزاینده ای از استخراج بیت کوین از تجدید پذیر های کم هزینه استفاده می کند (Andoni et al. ، 2019) ، مانند استفاده از گاز همراه که در غیر این صورت شعله ور می شود (لوریس ، 2019) که می تواند بیشتر کاهش یابدهزینه انرژی استخراج بیت کوین در زیر میانگین ملی. با توجه به این عوامل دیگر و عدم وجود داده های تاریخی در مورد قیمت برق در چندین کشور دیگر در سراسر جهان ، اکثر این مقاله با استفاده از شاخص نفت خام برنت بر قیمت گذاری انرژی متمرکز خواهد شد. مقایسه نسبت بین هزینه معدن و حجم معاملات بیت کوین در شکل 6 ارائه شده است تا قیمت های استاندارد نفت به عنوان معیار هزینه انرژی نتایج مشابهی با استفاده از قیمت برق منطقه ای نشان دهد.

2. 3تخمین هزینه های انرژی استخراج بیت کوین

یک سخت افزار معدن دارای مصرف انرژی است که می تواند در ژول در هر تراهاش (J/TH) اندازه گیری شود و سرعت هشویی دارد که می تواند در ثانیه (TH/s) در Terahashes اندازه گیری شود. به منظور برآورد محدودیت پایین تر به هزینه های انرژی استخراج بیت کوین ، ما در هر مقطع زمانی در نظر گرفتیم که کل شبکه در حال اتخاذ ترین دستگاه کارآمد در آن زمان است. در شرایطی که یک سخت افزار معدن دارای گزینه های مختلف تنظیم انرژی است که در آن کاربر ممکن است سرعت هشدار دستگاه را به همراه مصرف انرژی افزایش یا کاهش دهد ، از کارآمدترین تنظیم انرژی برای محاسبه استفاده می شود.

محدودیت پایین تر هزینه های انرژی استخراج بیت کوین از تعداد کل هش ها هزینه انرژی هشدار دهنده توسط بیشترین کارآمدترین سخت افزار استخراج بیت کوین در هر زمان که در بازار موجود است ، تقسیم بر ضریب تبدیل بین انرژی و بشکه ازروغن و با هزینه روغن ضرب کنید. به طور خاص ، محدوده پایین برای هزینه معدن روزانه ، ج_تی، است:

اشمیه_تیراندمان انرژی کارآمدترین سخت افزار معدن موجود در روز T در (J / TH) است.

سخنرانی_تیآیا تعداد روزانه عملیات هشدار در روز t است.

B Joule of Energy معادل در هر بشکه روغن 10 55 55 × 10 (J/Barrel) است.

پ_تیقیمت لکه نفت خام برنت (دلار/بشکه) در روز t است.

3. نتایج

3. 1تغییرات کارآیی سخت افزار

در جدول 2 لیستی از سخت افزار معدن بیت کوین که کمترین انرژی در هر عملیات هش را در زمان انتشار آنها به بازار مصرف کرده است ، گزارش می کند. بهبود بهره وری انرژی برای استخراج بیت کوین در طول زمان در شکل 1 گزارش شده است که در آن هر نماد بیشترین سخت افزار راندمان انرژی را در زمان مربوطه نشان می دهد و خط نقطه قرمز با یک منحنی نمایی بهترین نمایش را نشان می دهد: مصرف انرژی~C Exp (−λ t). بهترین پارامتر مناسب λ = 0. 0025 است ، به این معنی که راندمان سخت افزار هر 10 ماه به طور متوسط دو برابر شده است. در یک کار قبلی ، یک مدل قدرت قانون توسط کریستوفک (2020) پیشنهاد شد. با این حال ، مدل نمایی مطابق با قانون مور با آنچه معمولاً برای رشد فناوری انتظار می رود ، سازگار است (مور ، 1998).

شکل 1 . برآورد محدودیت پایین برای مصرف انرژی کارآمدترین سخت افزار استخراج بیت کوین ، اندازه گیری شده در J/Th.

3. 2تغییرات محاسبات هش

شکل 2 تعداد کل عملیات هشویی را در روز نشان می دهد. توجه داشته باشیم که تعداد هش های روزانه در دوره بین سپتامبر 2010 تا مه 2020 هنگام نگارش این مقاله از 10 15 به 10 25 افزایش یافته است. هش های روزانه با نرخ نمایی (روند خطی در مقیاس نیمه LOG) در حال رشد است ، که با مشاهدات قبلی موافق است (O'Dwyer and Malone ، 2014). با این حال ، از این شکل می بینیم که چهار دوره ، بسیار متمایز ، با نرخ رشد متفاوت وجود دارد. به طور خاص: (من) اواسط 2010 تا اواسط سال 2011 ؛(ب) اواسط 2011 تا اوایل سال 2013 ؛(iii) اوایل سال 2013 تا اوایل سال 2015 ؛(IV) اوایل سال 2015 تا اوایل سال 2020. به ترتیب دو برابر بهترین دو برابر در این دوره ها است: (1) 33 روز ؛(ب) 261 روز ؛(iii) 38 روز ؛(IV) 198 روز.

شکل 2 . هش روزانه محاسبه شده توسط شبکه بیت کوین. خطوط مناسب با قوانین رشد نمایی در دوره های مربوطه هستند. زمان دو برابر شدن به ترتیب (I) 33 روز ، در اواسط سال 2010 تا اواسط سال 2011 است.(ب) 261 روز ، در اواسط سال 2011 تا اوایل سال 2013 ؛(iii) 38 روز در اوایل سال 2013 تا اوایل سال 2015 ؛(IV) 198 روز ، در اوایل سال 2015 تا اوایل سال 2020.

3. 3تغییرات قیمت انرژی

شکل 3 تغییرات قیمت انرژی در هر Gigajoule در دوره 2010-2020 محاسبه شده از قیمت لکه های نفت خام برنت را نشان می دهد. می توان متوجه شد که هزینه یک Gigajoule of Energy دارای دو سطح مجزا است - در حدود 20 دلار از سال 2011 تا اواسط سال 2014 و حدود 10 دلار از اواخر سال 2014 تا اوایل سال 2020. قیمت نفت از آن زمان در زیر همه گیر Coronavirus فرو ریخته است و به زیر 3 USD کاهش یافته است. در هر Gigajoule از انرژی. با این حال ، در حالی که بزرگ است ، نرخ تغییر در قیمت انرژی چندین مرتبه کوچکتر از میزان تغییر در تعداد هش ها است.

شکل 3. هزینه انرژی در هر Gigajoule ، به دلار اندازه گیری شده و از قیمت های نفت خام برنت تبدیل شده است.

3. 4تخمین هزینه معدن پایین پایین

حد پایین کل هزینه های انرژی استخراج بیت کوین به عنوان حداقل هزینه انرژی هر هش ضرب شده توسط تعداد کل هش که در یک دوره زمانی معین (یک روز در مورد ما) ضرب می شود ، تخمین زده می شود. شکل 4 گزارش کل هزینه روزانه معدن را که با استفاده از معادله (4) تخمین زده می شود ، از حدود 3 دلار در روز در سال 2010 تا بیش از 4 میلیون دلار در روز در اوایل سال 2020 متفاوت است. توجه داشته باشید که این تخمین پایین تر و واقعی استاحتمالاً هزینه بسیار بزرگتر است. رشد هزینه های معدن تحت تأثیر تغییر در هزینه انرژی (شکل 3) و همچنین با افزایش نرخ هش در شبکه بیت کوین تأثیر می گذارد (شکل 2 را ببینید). توجه داشته باشیم که تغییرات در هزینه انرژی در یک باند بسیار باریک با توجه به تغییرات در تعداد روزانه هش ها نوسان می کند و بنابراین ، حداقل هزینه های استخراج بیت کوین (شکل 4) عمدتا رشد در تعداد کل هش را نشان می دهد.

شکل 4کل هزینه استخراج روزانه c_تی، گزارش شده در USD ، با استفاده از معادله (4) تخمین زده می شود.

3. 5تغییرات حجم معامله

در طی 10 سال گذشته فعالیت شبکه بیت کوین نیز با مبلغ فزاینده ای بیشتر که روزانه از طریق شبکه منتقل می شود ، افزایش یافته است. شکل 5 کل مقدار منتقل شده در روز را در شبکه بیت کوین مشخص شده به دلار گزارش می دهد. می توان دریافت که کل حجم روزانه معاملات از حدود یک هزار دلار در سال 2010 به تقریباً یک میلیارد دلار در سال 2020 برای افزایش شش سفارش از بزرگی افزایش یافته است.

شکل 5معاملات روزانه حجم V_تیگزارش شده در دلار.

3. 6نسبت بین هزینه معدن و حجم معامله

شکل 6 نسبت بین هزینه معدن روزانه c را گزارش می کند_تیو حجم معاملات روزانه V_تیوادما مشاهده می کنیم که نسبت C_تی/ v_تیهیچ روند فزاینده ای یا کاهش دهنده ندارد بلکه در بیشتر دوره از سال 2010 تا 2020 در یک باند خاص در حال نوسان است. بیشترین تغییرات در چند سال اول رخ داده است ، پس از سال 2014 ، مقدار نسبت آن به یک فلات تثبیت شده است. پرش به یک فلات بالاتر در پایان سال 2017 احتمالاً به دلیل کاهش زیاد قیمت بیت کوین از بیش از 19 ، 000 دلار در دسامبر 2017 به کمی بیش از 3 ، 000 دلار در دسامبر 2018. با وجود تغییر در این رابطه بین معدنهزینه ها و حجم معاملات در سال 2017-18 و تغییر قیمت بیت کوین در مدت مشابه ، ما توجه می کنیم که به طور کلی این نسبت با قیمت بیت کوین ارتباط ندارد. در واقع یک همبستگی منفی کمی بین این دو برای تغییرات روزانه وجود دارد. در کل دوره ، میانگین مقدار c_تی/ v_تی0. 15 ٪ است که دکوراسیون اول 0. 02 ٪ و دهکده دهم 0. 4 ٪ است. استفاده از قیمت برق منطقه ای برای محاسبه هزینه های معدن ، الگوی مشابهی را در طول زمان نشان می دهد ، اگرچه در سطح کمی بالاتر پس از سال 2014 با میانگین نسبت 0. 21 ٪ است. توجه داشته باشید که این باند نوسان در یک مرتبه از بزرگی قرار دارد در حالی که مقادیر اساسی c_تیو v_تیدر مدت مشابه شش مرتبه از بزرگی متفاوت است. اگر تجزیه و تحلیل خود را به آخرین دوره پس از پایان سال 2017 محدود کنیم ، میانگین نسبت 0. 3 ٪ و D1 ، D10 DECKES با مقادیر برابر با 0. 1 و 0. 4 ٪ را بدست می آوریم.

شکل 6. نسبت بین هزینه معدن و کل حجم معاملات C_تی/ v_تیبه صورت روزانه. باند منطقه بین دهک اول و دهم است و خط مرکزی میانگین مقدار است که برای روغن 0. 15 ٪ و 0. 21 ٪ است.

4- بحث و نتیجه گیری

اثبات کار به شبکه ای از احزاب ناشناس و غیر قابل اعتماد اجازه می دهد تا بدون کنترل اقتدار مرکزی با هم فعالیت کنند. این یک ابزار قدرتمند برای ایمن نگه داشتن یک سیستم توزیع شده از حملات مخرب است. با این حال ، هزینه بالایی دارد. ما تخمین می زنیم که در حال حاضر حداقل یک میلیارد دلار در سال توسط شبکه بیت کوین برای اثبات کار سوزانده می شود. این مبلغ با توجه به هزینه های سال 2010 با یک میلیون بار افزایش می یابد. با این حال ، اگرچه زیاد است ، اما این مبلغ است

با استفاده از داده های سال 2009 تا 2020 ، این مقاله محدودیت پایین برای هزینه های انرژی استخراج بیت کوین را تعیین می کند و رابطه بین این محدود به ارزش کل معاملات را با گذشت زمان بررسی می کند. ما نشان می دهیم که با وجود فعالیت معدن بیت کوین در مدت مشابه ، نسبت بین هزینه معدن و حجم کل معاملات در طی 10 سال گذشته افزایش نیافته و کاهش نیافته است. چنین نسبت ثابت کلی با یک استدلال سازگار است ، که توسط ASTE (2016) معرفی شده است ، نشان می دهد که چنین نسبت باید بخش قابل توجهی از حجم معامله باشد و با حداقل کسری مطابقت دارد که یک مهاجم باید دو برابر کند تا سود کسب کند (مقدار P در معادله 2). با فرض عمق بلوک پیش فرض n = 6 در معادله (2) ، و استفاده از 3 سال گذشته میانگین مقدار برای کسری C_تی/ v_تیدر~0. 3 ٪ ، ما به دست می آوریم که اثبات بیت کوین از یک حمله مضاعف حداقل در یک کسری در اطراف P محافظت می کند~1. 5 ٪ از حجم معاملات جهانی. این نتیجه نشان می دهد که حملات بیش از~1. 5 ٪ از حجم معاملات می تواند برای مهاجم سودآور باشد زیرا هزینه انرژی صرف شده برای این حمله کمتر از سود این حمله خواهد بود. این یک تخمین پایین تر است که در صورتی که تمام هزینه های اضافی ، در کنار هزینه معادل نفت انرژی معدن ، شامل واقع بینانه می تواند یک ترتیب بزرگتر باشد.

بنابراین می توانیم نتیجه بگیریم که در شبکه بیت کوین هزینه اثبات کار به هیچ وجه زیاد نیست. در مقابل ، در واقع برای محافظت در برابر حملات مضاعف بسیار کم است. با این حال ، اثبات کار تنها مکانیسم نیست که از شبکه بیت کوین محافظت می کند. این سیستم همچنین از نظر هزینه های سخت افزاری و تسهیلات معدن به موانع ورودی بالا بستگی دارد. علاوه بر این ، ارزش بیت کوین بر روی اعتماد به نفس جامعه ساخته شده است ، بنابراین پس از شناسایی یک حمله اکثریت ، مقدار بیت کوین به احتمال زیاد همراه با سود بالقوه مهاجم فرو می رود. این بدان معناست که برای شروع حمله اکثریت به بیت کوین ، مهاجم نه تنها برای به دست آوردن بیش از 50 ٪ از قدرت هشدار ، نیاز به سرمایه گذاری قابل توجهی از منابع انرژی دارد ، بلکه باید بپذیرند که بسیاری از هزینه های سخت افزاری متحمل شده بعید استبه دلیل عدم توانایی ASIC های تخصصی برای استفاده های غیر از معدن رمزنگاری ، بازیابی می شود و حتی اگر این حمله موفقیت آمیز باشد ، ارزش بیت کوین آنقدر سریع فرو می رود که سود اقتصادی کمی وجود خواهد داشت. سرانجام ، حمله ای که شامل بخش بزرگی از حجم بیت کوین است ، به احتمال زیاد قبل از اتمام آن توسط شبکه تشخیص داده می شود.

سیستم های توزیع شده و blockchains می توانند از طریق چندین مکانیسم دیگر که نیازی به اثبات فشرده کار محاسباتی ندارند ، ایمن شوند. در واقع اثبات کار مکانیسمی است که برای تولید رأی دهندگان واجد شرایط در سیستم احزاب ناشناس ناشناس معرفی شده است. هر مکانیسمی که بتواند هویت رأی دهندگان را تأیید کند یا به هر طریقی دیگر از کپی های کنترل نشده رأی دهندگان جلوگیری کند ، می تواند هزینه و حتی نیاز به اثبات کار را به طور کامل کاهش یا از بین ببرد. با این حال ، این مکانیسم های دیگر نیز باید برخی از خصوصیات دیگر مانند ناشناس بودن ، باز بودن یا تأیید توزیع شده برابر را آرام کنند.

صورت در دسترس بودن داده ها

داده های خام پشتیبانی از نتیجه گیری این مقاله توسط نویسندگان و بدون رزرو غیرقانونی در دسترس خواهد بود.

کمک های نویسنده

TA این تحقیق را پیشنهاد کرد ، تحت نظارت و مشارکت در جمع آوری داده ها ، انجام تجزیه و تحلیل داده ها و همزمان مقاله. Y-DS داده ها را جمع آوری ، پردازش و تجزیه و تحلیل کرده و مقاله را با هم تهیه کرده است. هر دو نویسنده تأیید نهایی را برای انتشار دادند و موافقت می کنند که در مورد محتوای کار پاسخگو باشند.

تضاد منافع

نویسندگان اعلام می کنند که این تحقیق در غیاب هرگونه روابط تجاری یا مالی که می تواند به عنوان یک تضاد احتمالی منافع تفسیر شود ، انجام شده است.

تصدیق

TA حمایت از ESRC (ES/K002309/1) ، EPSRC (EP/P031730/1) و EC (H2020-ICT-2018-2 825215) را تأیید می کند. این مقاله به عنوان پیش چاپ Arxiv به عنوان Song and Astte (2020) منتشر شده است.

پانویسها و منابع

منابع

Akcora ، C. G. ، Dey ، A. K. ، Gel ، Y. R. ، and Kantarcioglu ، M. (2018)."پیش بینی قیمت بیت کوین با زنجیره های گرافیکی" ، در کنفرانس اقیانوس آرام-آسیا در مورد کشف دانش و داده کاوی (ملبورن ، ویک: اسپرینگر) ، 765-776. doi: 10. 1007/978-3-319-93040-4_60

Andoni ، M. ، Robu ، V. ، Flynn ، D. ، Abram ، S. ، Geach ، D. ، Jenkins ، D. ، et al.(2019). فناوری blockchain در بخش انرژی: یک بررسی منظم از چالش ها و فرصت ها. تجدیدپایدارانرژی Rev. 100 ، 143–174. doi: 10. 1016/j. rser. 2018. 10. 014

ASTE ، T. (2016). هزینه منصفانه اثبات کار بیت کوین. SSRNبصورت آنلاین در SSRN موجود است: https://ssrn. com/abstract=2801048 (دسترسی به 3 مارس 2020).

ASTE ، T. ، Tasca ، P. ، and Di Matteo ، T. (2017). فناوری های blockchain: تأثیر قابل پیش بینی بر جامعه و صنعت. رایانه 50 ، 18-28. doi: 10. 1109/mc. 2017. 3571064

blockchain. com (2020). سرمایه گذاری در بازار. در دسترس آنلاین در: https://www. blockchain. com/en/charts/market-cap؟timespan=all (دسترسی به 21 ژانویه 2020).

Chan ، W. H. ، Le ، M. ، and Wu ، Y. W. (2019). نگه داشتن بیت کوین طولانی تر: توانایی های پویا محافظت از بیت کوین. Q. Rev. Econ. امور مالی 71 ، 107-113. doi: 10. 1016/j. qref. 2018. 07. 004

Derks ، J. ، Gordijn ، J. ، and Siegmann ، A. (2018). از بلوک های زنجیره ای گرفته تا شکستن یکنواخت: مطالعه ای در مورد سودآوری استخراج بیت کوین از سال 2012 تا 2016. Electron. بازارهای 28 ، 321-338. doi: 10. 1007/S12525-018-0308-3

Gervais ، A. ، Karame ، G. O. ، Capkun ، V. ، and Capkun ، S. (2014). آیا بیت کوین یک ارز غیر متمرکز است؟IEEE Secur. Priv. 12 ، 54-60. doi: 10. 1109/msp. 2014. 49

Grobys ، K. ، and Sapkota ، N. (2019). ارزهای رمزپایه و حرکت. ECONکاهنده180 ، 6-10. doi: 10. 1016/j. econlet. 2019. 03. 028

Kristoufek ، L. (2020). بیت کوین و استخراج آن در مسیر تعادل. Energy Econ. 85: 104588. doi: 10. 1016/j. eneco. 2019. 104588

Küfeoğlu ، S. ، and Ozkuran ، M. (2019). معدن بیت کوین: بررسی جهانی انرژی و تقاضای برق. انرژی Res. SOC. علمی58: 101273. doi: 10. 1016/j. erss. 2019. 101273

لوریس ، ن. (2019). دنبال کردن سیاست هایی برای رشد اقتصادی و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای. Backgrounder ، شماره 3444.

McNally ، S. ، Roche ، J. ، and Caton ، S. (2018)."پیش بینی قیمت بیت کوین با استفاده از یادگیری ماشین" ، در سال 2018 26 کنفرانس بین المللی یورومیکرو در مورد پردازش موازی ، توزیع شده و مبتنی بر شبکه (PDP) (کمبریج ، انگلستان: IEEE) ، 339-343. doi: 10. 1109/pdp2018. 2018. 00060

مور ، G. E. (1998). جمع کردن اجزای بیشتر بر روی مدارهای یکپارچه. پروکIEEE 86 ، 82-85. doi: 10. 1109/jproc. 1998. 658762

Nakamoto ، S. (2019). بیت کوین: یک سیستم نقدی الکترونیکی همتا به همتا. گزارش فنی ، Manubot.

O'Dwyer ، K. J. ، and Malone ، D. (2014)."معدن بیت کوین و ردپای انرژی آن" ، در 25 کنفرانس سیگنال ها و سیستم های IET ایرلندی 2014 و 2014 کنفرانس بین المللی چین و ایرلند در مورد فناوری های اطلاعات و ارتباطات (Limerick) ، 280-285. doi: 10. 1049/cp. 2014. 0699

Sin ، E. ، و Wang ، L. (2017)."پیش بینی قیمت بیت کوین با استفاده از گروه های شبکه های عصبی" ، در سیزدهمین کنفرانس بین المللی محاسبات طبیعی ، سیستم های فازی و کشف دانش (ICNC-FSKD) (گیلین: IEEE) ، 666-671. doi: 10. 1109/fskd. 2017. 8393351

Song ، Y.-D. ، and Aste ، T. (2020). هزینه استخراج بیت کوین هرگز واقعاً افزایش نیافته است. ARXIV 2004. 04605. doi: 10. 2139/ssrn. 3574512

Stoll ، C. ، Klaaßen ، L. ، and Gallersdörfer ، U. (2019). ردپای کربن بیت کوین. ژول 3 ، 1647-1661. doi: 10. 1016/j. joule. 2019. 05. 012

Thum ، M. (2018)."هزینه اقتصادی معدن بیت کوین" ، در انجمن سزیفو ، جلد. 19 (München: Ifo Institut-Leibniz-Institut Für Wirtschaftsforschung an Universität München E. V.) ، 43-45.

Vranken ، H. (2017). پایداری بیت کوین و blockchains. curr. نظراتمحیطپایدار28 ، 1-9. doi: 10. 1016/j. cosust. 2017. 04. 011

کلمات کلیدی: بیت کوین ، اثبات کار ، رمزنگاری ، blockchain ، هزینه معدن

استناد: Song Y-D و Aste T (2020) هزینه استخراج بیت کوین هرگز واقعاً افزایش نیافته است. جلو. blockchain 3: 565497. doi: 10. 3389/fbloc. 2020. 565497

دریافت شده: 25 مه 2020 ؛پذیرفته شده: 31 اوت 2020 ؛منتشر شده: 22 اکتبر 2020.

Joerg Osterrireder ، دانشگاه علوم کاربردی زوریخ ، سوئیس

دانیل ترایان پله ، آکادمی مطالعات اقتصادی بخارست ، رومانی لوکا دی پرسیو ، دانشگاه ورونا ، ایتالیا داگمار لینرتووا ، دانشگاه ماسارکیا ، چک افتیم زیدروسکی ، مقدسین سیریل و دانشگاه متدیوس ، اسکوپج ، شمالی درجدونیا داووورادو ، KPMG ، KPMG ، Belgiumg

کپی رایت © 2020 Song and Aste. این یک مقاله با دسترسی آزاد است که تحت شرایط مجوز انتساب Creative Commons (CC توسط) توزیع شده است. استفاده ، توزیع یا تولید مثل در سایر انجمن ها مجاز است ، مشروط بر اینکه نویسنده اصلی (ها) و مالک (های) حق چاپ (دارایی) اعتبار داشته باشند و با توجه به عمل دانشگاهی پذیرفته شده ، انتشار اصلی در این ژورنال ذکر شده است. بدون استفاده ، توزیع یا تولید مثل مجاز نیست که این شرایط را رعایت نمی کند.