Майнинг. Потребление электроэнергии и экология

Мы уже узнали, как профессиональные майнинг-центры захватили контроль над майнингом, и как точно это совпадает с процессами, происходившими в мире золотодобычи. Многие защитники окружающей среды говорят о том, сколько вреда приносит добыча золота. И хотя биткоин ещё не вышел на такие же объёмы производства, он уже сейчас потребляет значительную энергию. В этом разделе мы увидим, сколько энергии требует майнинг, и как это влияет и на валюту, и на планету.

Термодинамические ограничения. Есть физический закон, называемый принципом Ландауэра в честь его открывателя Ральфа Ландауэра из IBM, который в 1960-х понял, что любое невозвратное вычисление должно использовать минимальную энергию. Невозвратные вычисления можно себе представить как потерю данных. В частности, принцип гласит, что стирание каждого бита потребляет не менее (kT ln 2) джоулей (k - постоянная Больцмана, равная примерно 1,38 *10-23 Дж/К, Т — температура цепи в кельвинах, ln2 - натуральный логарифм 2, т е., около 0,69). Как легко можно убедиться, это абсолютно ничтожная величина энергии на один бит.

Всё это основано на элементарной физике. Не погружаясь в расчёты, можно сказать просто — всякий раз, когда вы обращаете один бит невозвратным образом, вы должны потратить минимальное количество джоулей энергии. Энергия не может уничтожаться, она переходит из одной формы в другую — в случае расчётов она трансформируется из электричества, которое полезно, в теплоту, которая рассеивается в среде.

SHA-256 фактически не является возвратным расчётом, а из главы 1 мы уже знаем, что это основное требование для криптографических хэш-функций. Так как невозвратный расчёт обязан тратить энергию, а SHA-256, будучи основой майнинга, не является возвратной, потребление энергии становится неизбежной частью майнинга. С другой стороны, границы, установленные принципом Ландауэра, гораздо ниже тех объёмов электричества, которые используются сегодня.

Мы даже отдалённо не подошли к теоретически оптимальному потреблению на расчёты, но даже если бы мы этого добились, энергия для майнинга всё равно была бы необходима. Так почему же майнинг требует энергии? В процессе есть три этапа, требующих энергозатрат, и не все они очевидны.

1. Затраты энергии на производство. Во-первых, оборудование нужно изготовить — то есть, извлечь сырьё и превратить его в схему, а всё это требует энергии. Это так называемые затраты на производство — получив схему по почте, вы как бы потребляете огромную энергию, в том числе энергию на доставку — а ведь вы ещё даже не включили схему в сеть. Надеемся, что со временем эти энергозатраты снизятся. Чем меньше людей будут покупать новые схемы, тем дольше они будут служить, и тем лучше будет амортизироваться энергия на производство — но это займёт многие годы майнинга.

2. Электричество. Когда схему запитали и подключили, она начинает потреблять энергию. Это тот самый этап, на котором энергия потребляется по принципу Ландауэра. По мере совершенствования аппаратуры для майнинга, стоимость энергии будет снижаться, но из-за принципа Ландауэра она никогда не обнулится — и потому останется с майнингом до самого конца.

3. Охлаждение. Третий важный компонент — это охлаждение оборудования во избежание его поломок. Если оно установлено в очень холодном климате, то цена охлаждения будет очень низкой, однако обычно приходится доплачивать за удаление всей лишней теплоты, возникающей при работе. В целом, энергия, потребляемая для охлаждения, также является формой электричества.

Майнинг в масштабе. Как энергия на производство, так и электричество уменьшаются при работе в больших масштабах. Если у вас крупный дата-центр, вы можете экономить более эффективно. Дешевле создать чипы, которые рассчитаны на крупный центр, а энергию можно поставлять более эффективно, так как вам не нужно много источников питания.

Тем не менее, когда дело доходит до охлаждения, верным становится обратное. Оно тем дороже, чем крупнее ваша система.

Если вы хотите создать очень большой центр с множеством аппаратов для майнинга в одном месте, там будет мало воздуха для рассеивания теплоты по помещению, так что затраты на охлаждение будут только расти, так как охлаждать такой объём будет крайне затруднительно.

Оценка использования энергии. Сколько же энергии использует система биткоина? Конечно, точное значение рассчитать нельзя, так как сеть децентрализована, а майнеры не документируют каждый свой шаг. Но есть два основных подхода к оценке общего потребления энергии на майнинг — мы проведём его с данными на начало 2015 года.

Следует подчеркнуть, что цифры эти очень приблизительны, так как некоторые параметры невозможно оценить точно, а другие слишком быстро меняются. В лучшем случае мы можем выйти только на нужный порядок числа.

Подход сверху вниз. Первый подход — сверху вниз. Начнём с того, что за каждый найденный блок майнеру начисляется 25 биткоинов вознаграждения (около 6500 долларов). Это около 11 долларов в секунду, которые извлекаются прямо из воздуха биткоин-экономики и выдаются майнерам.

Но зададим себе вопрос: если майнеры превращают эти 11 долларов в секунду в электричество, сколько же они получат? Конечно, они не тратят все эти деньги на электричество, но это задаёт верхнюю границу трат на энергию. Электричество стоит дорого, но мы примем цену в 10 центов на киловатт-час при промышленной частоте США, что равно 3 центам за мегаджоуль. Если майнер тратит все эти 11 долларов на электричество, то может купить 376 мегаджоулей в секунду, что равно 367 мегаваттам.

Примечание. В системе СИ энергия измеряется в джоулях, а мощность — в ваттах (1 Вт = 1 Дж/с).

Подход снизу вверх. Второй способ оценить затраты — снизу вверх. В этом случае мы рассматриваем количество хэшей, которые реально вычисляют майнеры, что можно узнать из сложности каждого блока. Если мы предположим, что все майнеры пользуются лучшей аппаратурой, можно определить нижнюю границу потребления.

Сейчас наилучшим считается значение в 3 ГХ/с/Вт. Это значит, что можно обработать три миллиарда хэшей в секунду, затратив 1 Вт мощности. Общий хэшрейт сети составляет 350 миллиардов ГХ/с, что равно 350 петагерцам (ПХ/с). Умножив одно на другое, мы получим, что на такое количество хэшей в секунду потребуется 117 МВт. Это число не учитывает, конечно, затраты на охлаждение и всю энергию на производство, но мы просто определяем нижнюю границу затрат, так что это допустимое обобщение.

Используя оба метода, мы можем найти диапазон энергии, которую потребляют майнеры. Возможно, вы не представляете, насколько это много энергии. Мегаватт — это много? Давайте посмотрим на производительность электростанций. Одна из крупнейших станций мира — «Три ущелья» в Китае, имеет мощность в 10 000 МВт. Типичная ГЭС производит около 1000 МВт. Кашивазаки-Карива, крупнейшая в мире АЭС, производит 7000 МВт, а средняя АЭС вырабатывает около 4000 МВт. Крупная угольная станция производит около 2000 МВт.

Согласно нашим подсчетам, вся сеть биткоина потребляет около 10% от выхода крупной электростанции. Хотя это и не так мало, но и не так много, в сравнении с тем, сколько энергии тратят люди на другие вещи. Любая платёжная система требует энергии и электричества. В случае традициооной валюты, энергия тратится на охрану и перевозку золота, обслуживание банкоматов, счётчики денег, кассовые аппараты и сервисы обработки платежей, а также инкассацию.

Некоторые считают, что биткоин только даром расходует энергию, так как энергия, потраченная на вычисление хэшей SHA-256 не служит определённой цели. Но то же справедливо и для традиционной валюты — много энергии уходит впустую и не служит ничему, кроме поддержки существующей валютной системы. Так что если мы ценим биткоин как полезную денежную систему, то эти затраты не следует считать пустыми.

Перенаправление энергии. Но нельзя ли найти способ получше? Можно, например, захватывать генерируемое тепло и перенаправлять его на что-то полезное, а не просто греть воздух. Эта модель называется «печью данных». Идея состоит в том, что вместо покупки традиционного обогревателя или бойлера для дома, можно купить стойку для майнинга, которую можно включить в сеть и подключить к интернету — тогда фактически обогреватель начнёт майнить биткоины, а теплота станет побочным продуктом расчётов.

И оказывается, что эффективность этого метода не так уж плоха, в сравнении с использованием обычного обогревателя. Но в этой модели не всё идеально. Хотя она даёт эффективность, сходную с эффективностью электрообогревателя, сам электрообогреватель менее эффективен, чем газовый.

Кроме того, что будет, если все выключат свою майнинговую стойку летом? Станет ли хэшрейт сезонным явлением и начнёт ли он зависеть от потребности людей в тепле? Он будет падать в более тёплые дни? Было бы интересно понаблюдать за реальным воплощением модели «печи данных».

Вопрос собственности также не совсем ясен. Если вы покупаете печь данных, то вознаграждение за намайненные биткоины будет принадлежать вам или компании, которая продала вам устройство? Большинство людей вовсе не интересуются майнингом, и, вероятно, так будет и впредь, так что, возможно, логичней было бы покупать стойку в качестве обогревателя, а вознаграждение оставлять компании, которая её вам продала.

Открытые вопросы. Есть и другие вопросы без ответов, касающиеся потребления энергии и её применения в мире биткоина. Биткоин отменит субсидирование электричества? Во многих странах власти субсидируют электричество —в основном в промышленных целях — и одна из причин этому состоит в том, что они пытаются стимулировать размещение производства в своей стране.

Но биткоин может превращать электричество в деньги, и власти из-за этого могли бы пересмотреть эту модель. Такие субсидии призваны привлечь бизнес, который вносил бы вклад в экономику страны, а субсидирование майнинга биткоина явно не нацелено на такой эффект.

Биткоин заставит людей защищать розетки? Представим себе университет или офис с большим количеством розеток. Люди могут попытаться подключить к ним майнинговое оборудование, чтобы получать прибыль, пока за электричество платят другие. Фактически, они могли бы использовать и устаревшее оборудование и не беспокоиться об обновлении, учитывая, что счета оплачивать будут не они. Станут ли в таких местах устанавливать камеры наблюдения, чтобы люди не устанавливали майнинг-оборудование в розетки, пока никто не видит?

Можно ли создать валюту без доказательства работы и с меньшим энергопотреблением? Ответ на этот вопрос хотели бы знать многие, и мы обсудим его во всех подробностях в главе 8.