Биткоин на угле: как криптовалюты губят планету
Несмотря на снижение интереса к криптовалютам в 2018 году, потребление электричества инфраструктурой для их майнинга (эмиссии цифровых денег) выросло примерно на порядок с начала 2017 года — до 73 тераватт/час. Годовые затраты на электричество (с начала лета 2017 года до конца текущего) превысили $3,5 млрд. Это несет угрозы экономике, энергетике и даже экологии.
Энергозатратный процесс
Почему биткоину, живущему только в электронной форме, нужно столько энергии? Проблема в механизме Proof-of-Work. Распределенные системы, хранящие информацию о деньгах и их движении, защищаются от злоупотреблений тем, что в блокчейн попадает информация, получаемая в результате решения сложных алгоритмических задач. Решение задачи означает создание (говорят «закрытие) нового блока, который содержит информацию о транзакциях (записях) распределенного реестра. За закрытие блока нашедшему решение выдается награда в криптовалюте. Для криптовалютной сети биткоин сейчас — это 12,5 биткоина за каждый закрытый блок. Эта премия уменьшается вдвое каждые четыре года.
Механизм Proof-of-Work дает возможность каждому узлу сети проверить корректность добавления нового блока: другими словами, убедиться в том, что другой узел, добавляющий новый блок в блокчейн, действительно проделал необходимые расчеты. В ходе проверки находится хеш (символьная строка) заголовка нового блока, которая содержит в себе ссылку на предыдущий блок. Таких операций хеширования, отмечает де Врис, в марте 2018 года в мире проводилось порядка 26 квинтильонов (миллиард миллиардов) в секунду.
Этот механизм породил индустрию майнинга (заработка на закрытии блоков) и сделал ее гигантским потребителем электричества. В 2012 году суммарная мощность сети биткоина превысила самый мощный суперкомпьютер в мире. Компьютерам для решения алгоритмических задач нужно много энергии. Они становятся все более производительными, но усложняются и расчеты в протоколе биткоина — раз в две недели, после заполнения каждых следующих 2016 блоков. Иначе бы майнеры генерировали слишком много цифовой валюты. В плане потребления энергии это порочный круг: чем более дешевым и эффективным становится оборудование для майнинга, тем более сложные задачи приходится ему решать, чтобы не вызвать перепроизводства криптовалюты.
Количество биткоинов алгоритмически ограничено, но сколько энергии на их майнинг будет потрачено? Де Врис опасается, что затраты электричества на биткоин могут вырасти с текущих 0,5% мирового энергопотребления до 5%. По его оценкам, при доходах майнинговой индустрии в $5 млрд в 2018 году затраты на оборудование и электричество составят около $3,7 млрд. Оппоненты считают его оценку завышенной в три раза.
Если доходы майнеров перестанут окупать затраты на оборудование и электричество, майнинговые фермы будут демонтированы. Если, конечно, майнеры честно платят за электричество и им приходится покупать майнинговое оборудование. Бывают и другие случаи — например, один умник использовал суперкомпьютер National Science Foundation, чтобы намайнить биткоинов примерно на $10 000. Затраты университета в связи с этим достигли $150 000. А в Оренбурге на заброшенном заводе была создана едва ли не крупнейшая майнинговая ферма в России и Европе, не заплатившая при этом за 8 млн кВт*ч электричества. Теперь она закрыта.
В августе 2018 года доходы майнеров превышали их расходы примерно на 50%. Это означает, что, если биткоин не будет дорожать, столь взрывного роста потребляемой им энергомощности мы больше не увидим. Но страшно подумать, какой величины могут достигнуть энергозатраты на майнинг, если сбудутся прогнозы криптооптимистов о цене биткоина в $50 000.
Экологическая проблема
Значительная часть электричества на Земле вырабатывается угольными электростанциями. Особенно высока их доля в Китае, на который в 2017 году приходилось 72% производства биткоинов. Правительству даже пришлось начать вытеснение майнеров из страны. Это может быть связано как с борьбой против уклонения от налогов и отмывания денег, так и с планами по созданию собственной государственной криптовалюты.
Биткоин крайне неэкологичен. На обслуживание одной транзакции в биткоинах летом 2018 расходовалось 934 кВт/ч энергии. Для сравнения, на проведение 100 000 транзакций в системе VISA нужно в 5,5 раз меньше энергии. «Углеродный след», производимый биткоином, составляет 17,7 млн т углекислого газа.
Даже в странах, которые вырабатывают в основном «зеленую» энергию, майнинг может стать проблемой. Например, в Исландии холодный климат позволяет экономить на охлаждении, а почти вся энергия получена от экологических источников (солнечные, ветровые и гидроэлектростанции).
Северная страна стала настолько привлекательной, что в 2018 году криптофермы Исландии потребят больше электричества, чем домохозяйства. Если майнинг станет невыгодным, это будет экономическим ударом для энергоиндустрии страны, а также может вызвать технологические сложности: не всегда удается достаточно быстро сократить производство электроэнергии.
В поисках решения
У криптоиндустрии есть способ снизить свою энергоемкость. Один из них — замена Proof-of-Work на другие методы закрытия блоков, например, на Proof-of-Stake. В этом случае шансов сгенерировать следующий блок будет больше у тех узлов, которые уже обладают большим количеством токенов и держат их дольше. Нет нужды строить майнинговые фермы, которые соревнуются в решении алгоритмических задач. Если бы вся криптоиндустрия разом переключилась на Proof-of-Stake, ее энергопотребление упало бы в десятки тысяч раз. В системе с Proof-of-Stake хранение одной единицы криптовалюты в кошельке у владельца эквивалентно одному голосу в борьбе за право пристроить следующий блок в блокчейн. При этом может быть сохранено вознаграждение за создание новых цифровых монет. Такой переход планирует провести сеть Ethereum. А сеть братьев Дуровых TON планирует запустить похожий подход, где эмиссию контролируют избранные пользователи, — он тоже не требует майнинга*.
Сейчас эмиссия биткоинов требует много электричества и негативно влияет на экологию. Механизм Proof-of-Stake избавит криптовалютные сети от энергетической зависимости. При этом придется решить другие этические вопросы: чтобы эмитировать криптовалюту, нужно будет уже обладать криптовалютой. Деньги, по сути, будут выпускаться сообществом людей, которые уже обладают деньгами. Минус этого механизма в том, что он стимулирует концентрацию криптобогатства в одних руках. Но такой механизм по крайней мере не будет наносить вреда экологии и нагружать энергосети, а выход можно будет искать внутри криптосообщества. Например, за счет внедрения гибридных вариантов.
*Примечание для подготовленных читателей:
Еще интереснее построена эмиссия MILE. Каждый из участников экосистемы MILE участвует в подписании блока в равной доли и может стать не только владельцем денег, но и их эмитентом, зарабатывая небольшой процент доходов от эмиссии монет. Отличие заключается в том, что MILE использует ранее не существовавший протокол минтинга (экологичного майнинга) sdBFT, который, будучи похожим на PoS, всё же им не является. Любой протокол PoS имеет ограничение в виде пары десятков активных мастернод, ввиду чего возникает высокая вероятность централизации. В отличие от привычных пользователю стратегий, в экосистеме MILE, первой реализовавшей протокол sdBFT на практике, децентрализация обеспечена программным путём: из десяти тысяч нод для закрытия блока выбираются сто, причём это происходит по алгоритму, который гарантирует энтропию высокого уровня в сочетании с низким потреблением энергии.
Источник
Почему биткоин требует много электроэнергии
Сегодня постараюсь ответить на вопрос, куда уходит электричество в сети Биткоин и почему я считаю биткоин с одной стороны шедевром в ИТ-технологиях (чем глубже погружаешься, тем больше получаешь эстетическое наслаждение), с другой стороны — безобразно адским пожирателем наших ресурсов. «Ужасно красиво» — наверное наиболее точно описывает мое ощущение.
Для справки: Энергопотребление сети Bitcoin сравнимо с потреблением Чехии(на момент написания статьи) и постоянно растет (digiconomist.net/bitcoin-energy-consumption).
Отмечу, что данная статья не ставит целью рассказать о том, как устроен биткоин или блокчейн в целом, речь пойдет только об одной, правда достаточно важной части технологии. Ниже «пояснения на пальцах» с рядом грубых упрощений.
Блокчейн биткоина — это большой длинный файл(порядка 200 Гигабайт на момент написания статьи), который раз в 10 минут (в среднем) дополняется очередным блоком данных (размером до 1 Мбайта). Основная статистика — bitinfocharts.com/ru/bitcoin
В каждом блоке записан список «транзакций» — перемещение «денег» с адресов одних кошельков на другие кошельки. Для простоты я буду называть транзакции банковским термином «переводы».
Чтобы управлять своим счетом и делать переводы вам нужно установить специальную программу — так называемый кошелек. С помощью кошелька вы формируете заявку перевод и рассылаете ее всем майнерам (через специальные узлы сети), которые решают — брать вашу заявку в обработку или нет. Перевод может считаться завершенным (почти) только после попадания вашей заявки в файл блокчейна.
Многие думают, что предназначение майнеров — добыча биткоинов, однако это не совсем верно. Основная задача майнера — сформировать блок «переводов/транзакций» и «подписать» его «цифровой подписью». «Цифровая подпись» будет гарантировать, что операции по переводу монет останутся неизменным на протяжении всего существования биткоина. «Подпись» всегда можно перепроверить, повторно пересчитав и сравнив с той, которая хранится в блокчейне. Формируется подпись с помощью так называемой хеш-функции и выглядит в виде последовательности символов, называемых «хешем».
Хеш может выглядеть, например, вот так:
Примитивный пример хеш-функции — «сложить все цифры в числе». Давайте рассчитаем «хеш» для строки цифр «256789». Просуммируем 2+5+6+7+8+9=37. Хеш равен 37. Если кто-то попытается подделать строку, и переписать ее как 25 7 789, то пересчитав хеш, мы получим 38, а не 37 и поймем, что строка была подделана.
Конечно, такая условная хеш-функция слишком проста, если вы сделаете две правки 25 76 89 — то проверка ничего не выявит. Поэтому математики разработали более сложные алгоритмы, взломать которые за разумное время невозможно.
Итак, каждый майнер формирует блок «переводов», выбирая понравившиеся ему «заявки». Предположим сформирован такой список переводов(транзакций):
Вова перевел Саше 10 монет
Джон перевел Кларку 5 монет
Серик перевел Нурлану 12 монет
Вот пример онлайн сервиса по расчету хеш-функции SHA256 passwordsgenerator.net/sha256-hash-generator. Давайте скопируем и вставим наш список переводов и рассчитаем хеш.
Попробуйте изменить хотя бы один символ, поэкспериментируйте — даже при малейшей корректировки хеш становится совершенно другим!
Ну хорошо, скажите вы, все мутно и почти непонятно, а где бабло и электроэнергия.
Спокойствие, мы подошли к финалу. Несложно заметить, что расчет хеш-функции занимает доли секунд. Но нам нужно, чтобы расчет занимал около 10 минут. Помните, я в самом начале писал, что блоки в файл блокчейна добавляются приблизительно раз в 10 минут? Почему именно 10 минут? Данное время выбрано экспертным путем, чтобы вся система биткоина с одной стороны не была перегружена многочисленными мелкими блоками и информация о транзакциях успевала распространиться по сети среди участников системы, с другой стороны переводы совершались в разумное(условно) время. Т.е. нам нужно чтобы каждый новый блок записывался в блокчейн не чаще, чем раз в 10 минут (в среднем). Значит нужно добиться, чтобы хеш рассчитывался не доли секунд, а минуты. Как это сделать? Подумали-подумали и решили — а давайте заставим майнеров рассчитывать хеш-функции много много много раз!
Достигнуто это следующим способом. В список «переводов» добавлена еще одна строчку:
Вова перевел Саше 10 монет
Джон перевел Кларку 5 монет
Серик перевел Нурлану 12 монет
Число для подбора: 1
Задано условие — господа майнеры, система примет от вас такой блок, в хеше которого первые 10 цифр должны быть нулями! Вот вам специальный параметр — «Число для подбора», ставьте туда любое значение до тех пор, пока не получится хеш с 10 нулями в начале.
На самом деле ставится условие — хеш должен быть меньше определенного числа, называемого «Сложность Майнинга». Эта сложность периодически пересматривается. Если статистика показывает, что время нахождения «правильного» хеша стало меньше 10 минут, сложность повышается, т.е. (чтобы окончательно запутать тех, кто дочитал) число, определяющее сложность майнинга уменьшается.
Теперь вы можете попробовать себя в роли майнера. Скопируйте указанный текст и начинайте перебирать «число для подбора» в ожидании, когда же вывалится хеш с нужными параметрами.
Сразу предупрежу — в силу своей сложности нет никакого разумного способа рассчитать данное число, кроме тупого перебора.
По этой причине куча майнеров со всего мира денно и нощно рассчитывают хеш-функции, перебирая числа, пока кому-то не повезет и у него вывалится хеш с нужным количеством нулей. Еще раз — майнеры не рассчитывают какую-то одну очень-очень сложную математическую операцию, для которой требуется много вычислительных ресурсов и времени. Они просто тупо перебирают результаты, в поисках красивого нужного количества нулей в начале хеша. Совершенно бессмысленная (с точки зрения стороннего наблюдателя) работа, так как 100%-1 рассчитанных по всему миру хешей никем и никогда не используются! С таким же успехом (но гораздо большей пользой), можно было заставить майнеров, например, приседать 600 раз (постепенно увеличивая это число по мере роста силы ног), вот только приседания проконтролировать сложнее.
Это один из ключевых моментов, важно в нем разобраться.
Итак, чтобы записать блок транзакций/переводов в блокчейн, нужно его подписать «цифровой подписью», на расчет которой уходят доли секунды, а электричества тратится столько, что лампочка даже не успеет моргнуть. Никаких сложных расчетов для работы системы в целом не нужно. Несколько лет назад, когда биткоин никому не был известен, система работала на слабеньких компьютерах и вполне себе нормально существовала. Для работы блокчейна не играет роли, сколько нулей будет в хеше в самом начале — десять, пять или ни одного. Это никак не скажется на надежности хранения информации и защите от взлома. Сложность создана искусственно, для увеличения времени попадания каждого блока в блокчейн до 10 минут.
Ответ на вопрос куда уходит электричество — на расчет миллиардов и миллиардов хеш-функций в поисках результата с нужным количеством нулей в начале.
Ну и самое важное — если майнер нашел хеш, удовлетворяющий требованиям, и если его блок записывается в блокчейн, система начисляет вознаграждение такому майнеру — несколько новых биткоинов (сейчас 12.5). Вот оно, то самое место, где появляются деньги! Ради этой награды жгут электричество и покупают видеокарты (уже нет). Именно так создаются новые биткоины в системе.
Также майнер зарабатывает на комиссиях от каждой проведенной им транзакции, но пока это не самые интересные доходы.
Надеюсь теперь вы понимаете, почему биткоин на блокчейне — красивая технология с точки зрения ИТ-эстетики, но совершенно чудовищная, с точки зрения использования вычислительных ресурсов и ресурсов нашей планеты в целом.
Можно ли что-нибудь сделать? Можно ли как-нибудь другим способом выдерживать эти 10 минут? Есть кое-какие предложения (Proof of Stake), как можно модифицировать протокола блокчейна в части криптовалют, предложения эти существуют уже давно, однако успешной практической реализации пока не получили.
Поэтому шуршим ноликами и греем атмосферу.
P.S.:
Если кто-то хочет почувствовать майнинговую удачу и найти правильный результат хеш-функции, предлагаю вам поиграться с фразой «Hello, world!»
Введите «Hello, world! 0 » в сервис по расчету хеш-функций => 1312af178c253f84028d480a6adc1e25e81caa44c749ec81976192e2ec934c64
теперь последовательно меняйте «нолик» на следующие цифры до тех пор, пока в начале хеша не выпадет 4 нуля.
Открываю тайну — правильный результат:
Надеюсь, что в процессе упрощения не выкинул «ребенка вместе с водой». Если у вас есть вопросы или дополнения, пишите в комментарии, постараюсь ответить.
Источник