入站比特币挖矿正在产生惊人的碳排放

比特币采矿产生惊人的碳排放。 ｜中等

作者|李存普，重庆大学化学化工学院副教授

编辑｜陈天真

你打开手机，开始玩王者荣耀，试图从顽固的铜牌中脱身，挣扎了半个小时后，手机变得很烫，你掉了手机，又掉了进去无限的空虚……

在当今信息社会，手机、电脑等计算设备的运行伴随着大量的能源。消耗。随着 4G 和 5G 技术的发展，用户每天都会产生海量的内容，并通过互联网存储在服务器上。根据绿色和平组织和华北电力大学的报告，到2020年，全国数据中心总能耗已超过2000亿千瓦。到2023年，将超过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显的社会价值，但与此同时，另一个行业正在通过计算消耗大量能源，产生惊人的碳排放，其自身的社会价值仍在争论中，那就是比特币挖矿。

比特币挖掘和内卷

自从中本聪在2008年提出比特币的概念后，“区块链”、“虚拟货币”等词汇从初创公司逐渐转变。传播到传销组织。我们有必要先了解一下比特币的产生和交易背后的逻辑。

比特币不同于传统货币。它不是由银行等特定机构发行2011年挖比特币速度，而是由算法生成并存储在 P2P 网络中的虚拟数字货币。我们可以在比特币交易所购买比特币并将它们保存在数字钱包中。比特币的生成地址相当于一个银行账户，比特币的数量相当于金额。使用比特币时，只需使用私钥作为数字签名，就像输入银行账户密码一样。

比特币网络将所有交易历史存储在“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。比特币依赖于多分散网络中的计算机，后续的每笔比特币交易都会将交易内容广播给所有用户，并作为信息块添加到现有区块链中，成为一条新的链。

区块链可以看作是记录比特币交易的公共账本。 密码学家

其实除了交易，你还可以通过解决数学问题来获得比特币。是的，你没听错，这是一个渐进式解决问题的过程。

比特币于 2009 年 1 月 3 日正式诞生，伴随着稀缺性。根据中本聪的算法，比特币的发行率每 4 年按照收敛的比例顺序减半。到2140年，货币总量限制在2100万，以避免通货膨胀。同时，比特币网络每 10 分钟产生一个数学问题，交给参与处理区块的计算机（“矿工”）来解决。首先解决答案的“矿工”将获得一定数量的比特币作为奖励。这种获取比特币的竞争性问题解决过程需要大量的时间和计算能力，被恰当地称为“挖矿”。

上面的粗体字暗示了一个重要信息：比特币挖矿是一个非常内向的过程。随着越来越多的人加入挖矿，比特币网络会自动调整数学问题的难度，以确保问题需要大约 10 分钟才能解决，这意味着参与挖矿的计算机越多，同一台计算机的难度就越大。解决答案；同时，随着比特币的逐渐开采，所谓的“一定数量”的比特币奖励也在逐渐缩水：根据算法设置，剩余的比特币每挖出50%，奖励的比特币就会缩水50% 以确保比特币不会被快速挖出。

类似的例子是一线城市的小额促销竞争。在奥数培训刚开始的时候，优秀的初中会给有奥数经验的学生很多名额。同时，优秀初中的奥数名额奖励越来越少，这就需要“矿工”更加努力去抢越来越少的初中名额，矿工的压力越来越大。父母负担越来越重，教育越来越内向。

挖矿很像小学奥赛的内卷化

采矿的卷入导致大量能源消耗

随着比特币的价值被越来越多的人认可，以及其匿名交易特性带来的潜在洗钱应用，比特币的价格与日俱增。从最初只能买一个披萨，到现在约 57000 美元一块，“数字黄金”比特币吸引了越来越多的矿工加入。由于前面提到的挖矿越来越“内卷化”，使用个人电脑进行小规模挖矿几乎不可能盈利。所以大规模的计算中心用于挖矿，这个过程伴随着大量的能源消耗。

大型计算中心用于挖掘比特币，产生大量能源消耗。 ｜盖蒂

为什么计算机工作会消耗能量？为什么玩手机需要暖手，而电脑需要散热风扇？因为他们用电。那是……当然是真的，但是如果你继续深入思考这个问题，你最终会被引导到一个叫做“信息熵”的概念。

“熵”本身是一个物理和化学的概念，代表一个系统的“微观状态数”。我们可以通过“水到渠成”这句成语来简化认知熵。考虑一个水盆，每个水分子都被限制在盆内一个比较小的空间内，微观状态的个数比较少，即熵比较小；而当一盆水倒出来时，水分子的存在范围是有限的。放大到整个地面和空中，微观状态的数量变大，熵变大。自然界有一个基本规律，熵的增加是自发的，熵的减少必然比熵增加的过程消耗更多的热量。所以倒出一盆水很容易，但要收回倒出来的水却很难。此外，这就是为什么我们倾向于认为房间会自发地变得杂乱（熵增加），并且要回到我妈妈认为的整洁（熵减少），这需要大量的工作2011年挖比特币速度，然后需要大量的食物（能量消费）。

信息熵的概念起源于物理化学中的熵。当计算机面临一个需要计算的问题时，答案就会有不确定性。这种不确定性可以直接类比为微观状态的数量。不确定性越大，信息熵越大。计算机操作的目的往往是给出一个明确的答案：例如一列Excel数据的计算结果，鼠标移动后光标的位置，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，即伴随着能量的消耗。

其实人脑也是一台电脑。考试中做选择题的过程就是信息熵变化的过程：每道题的四个选项对应四个可能的选项。此时，信息熵最大；随着人类的思考，逐渐选择了一个确定的答案，信息熵变得最小。显然，思考的过程伴随着能量消耗：降低信息熵需要消耗卡路里。如果同样的问题变成了一个不定的选项，那么初始熵会更大，解决问题所消耗的能量也会更多；如果把问题改成填空问题，初始熵会进一步增加，需要的能量也会更多。

在计算机算力提高、竞争加剧的前提下，比特币数学题的难度逐渐增加：这意味着问题的初始信息熵越来越大，最终的答案是最快找到的。最优解是最小化问题的信息熵——因此需要消耗大量能量。

如下图所示，据Nature Communications 4月6日的一篇论文报道，目前中国的矿场占全球比特币算力的75%以上。在没有政策干预的情况下，到 2024 年，中国比特币矿场的能耗峰值将达到约 2965.900 GWh（超过全国数据中心的总能耗），产生 1. 3050 亿吨碳排放。这一数值将超过菲律宾、捷克等国的碳排放量，足以跻身中国182个城市碳排放量前10名之列，跻身所有工业部门前10名。

比特币区块链的算力分布。中国矿场占全球比特币算力的75%以上。 ｜来源：[1]

比特币挖矿的碳排放量足以跻身中国 182 个城市的前 10 名。 ｜来源：[1]

由于这部​​分能源消耗并没有实际生产产品，将严重影响我国“碳达峰、碳中和”目标的实现。

比特币矿场需要干预

人类消耗能量来创造知识，开辟新的研究领域是合理的，但“挖矿”并没有真正创造价值吗？以同样的低成本消耗大量能源的资格可能值得考虑。

政策干预可能是比特币行业未来发展的重要监管手段。虽然没有明确的价值产生，但现阶段的比特币已经具备了一定的金融特征。作为财政援助，全面禁止“矿场”做生意是不明智的。一些可能的干预措施包括：

1）为比特币矿场设置门槛，禁止低效矿场开展业务；

2）比特币矿场区域限制，只允许在水利资源丰富的地区开展比特币挖矿业务，并在高能耗的前提下实现低碳排放；征收额外的碳税。

根据前述《自然通讯》文章的预测，后两项措施可以显着减少碳排放，而为比特币矿场设置门槛的策略效果有限。此外，仅将比特币采矿作为一个工业类别也将有助于控制其总碳排放量。

比特币惊人的碳排放将影响我国“碳中和”目标的实现。 ｜来自网络

如果你像我一样喜欢单机游戏，你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）比CPU（中央处理器）具有更高的解决问题的能力，比特币价格的上涨吸引了矿场大量购买显卡用于采矿。这部分本应流入游戏玩家手中，作为单机游戏或高清网游的显卡价格不断被推高。影响不仅在于玩家无法获得最佳的游戏大作体验，还导致游戏销量减少，导致游戏开发公司收入减少，游戏开发动机明显下降。是否可以忍受？ ！

好在随着比特币矿工的不断卷入，一些效率更高的“专业矿机”逐渐大规模部署，显卡可以松一口气了。而且，这些高效的矿机也会在一定程度上降低矿场的能源消耗。

相信随着后续政策的介入，虚拟货币最终会在自身价值和社会价值之间取得平衡。

参考文献

[1] 姜 S.、李 Y.、卢 Q. 等。中国比特币区块链运营的碳排放流量和可持续性政策评估。 Nat Commun 12, 1938 (2021).

[2]点亮绿色云：中国数据中心能源消耗和可再生能源利用潜力研究.pdf