為什麼採礦需要高計算能力？

Bitcoin儘管有環境問題，但採礦的高計算需求源於復雜的數學問題，哈希功能，難以調整，經濟激勵措施和安全需求。

2025/04/16 12:07

在加密貨幣世界中進行採礦，特別是在Bitcoin和其他工作證明（POW）加密貨幣的情況下，是一個需要大量計算資源的過程。本文深入研究了這種對計算能力的高需求的原因，探討了需要此類資源的技術複雜性和基本原則。

加密貨幣開采的基礎知識

加密貨幣挖掘涉及解決複雜的數學問題以驗證交易並將其添加到區塊鏈中。此過程對於維持區塊鏈的完整性和安全性至關重要。礦工競爭解決這些問題，第一個這樣做的人會在區塊鏈上增加一個新的區塊，並獲得新鑄造的加密貨幣的獎勵。

這些問題的複雜性是驅動對高計算能力的需求的原因。每個問題都被設計為難以解決，但易於驗證，以確保一旦找到解決方案，就可以通過網絡快速確認。

哈希功能的作用

採礦的核心是哈希功能的使用。哈希函數獲取輸入（或“消息”），並返回固定大小的字符串字符串，通常用於索引數據表中的數據。在採礦的背景下，礦工使用哈希功能來創建塊標頭的哈希，其中包括交易數據和其他信息。

Bitcoin（SHA-256）中使用的哈希功能被設計為計算密集型。它需要重要的處理能力來產生滿足所需標準的哈希（即，低於某個目標值的哈希）。定期調整此目標值以維持一致的塊時間，對於Bitcoin約為10分鐘。

難度調整機制

難度調整機制是驅動高計算能力需求的關鍵因素。該機制根據網絡的總計算能力來調整採礦問題的難度。如果越來越多的礦工加入網絡並增加哈希速率，則難度會增加以確保塊時間保持一致。

相反，如果礦工離開網絡並降低了哈希速度，則難度將減少。這種動態調整可確保區塊鏈保持安全，並且新的區塊創建速度保持穩定，但這也意味著礦工必須不斷升級其硬件以保持競爭力。

高計算能力的經濟激勵

礦工使用高功率設備的經濟動力是需要大量計算資源的另一個推動力。他們成功地挖掘的每個區塊都會獲得加密貨幣的獎勵，並且他們的設備越強大，他們就越有可能首先解決問題並要求獎勵。

這場獎勵的競爭導致了採礦硬件的軍備競賽，礦工不斷尋求更高效，更強大的設備。這包括專門的硬件，例如專門為採礦而設計的專用集成電路（ASIC），其效率比通用硬件更高。

高計算能力的安全含義

採礦所需的高計算能力在區塊鏈的安全性中也起著至關重要的作用。致力於採礦的計算能力越多，任何一個實體控制大多數網絡哈希速率的難度就越大，這對於發起51％的攻擊是必要的。

51％的攻擊涉及一名攻擊者可以控製網絡採礦能力的一半以上，從而使他們能夠操縱區塊鏈。高計算能力要求使這種攻擊極為困難和成本高昂，從而增強了網絡的安全性。

高計算能力的環境影響

採礦中高計算能力的需求也引起了人們對其環境影響的擔憂。採礦業務消耗大量電力，導致碳排放和其他環境問題。這導致討論了POW加密貨幣的可持續性和探索替代共識機制，例如股權證明（POS），這些機制不需要相同的計算能力。

但是，儘管有這些擔憂，但高計算能力要求仍然是POW加密貨幣的基本方面，這是在確保區塊鍊和激勵礦工的經濟激勵措施的必要性的驅動下。

常見問題

問：可以使用普通計算機進行採礦？
答：雖然從技術上講可以使用常規計算機來開採加密貨幣，但由於高難度水平和所需的專業硬件，它並不是實用或有利可圖。普通計算機缺乏與ASIC和其他專業採礦設備競爭所需的處理能力和效率。

問：採礦難度如何影響挖掘一個塊的時間？
答：採礦難度直接影響挖掘塊所需的時間。更高的難度意味著需要更多的計算工作才能找到有效的哈希，這可以增加挖掘塊所需的時間。相反，較低的難度減少了所需的計算工作，可能會減少開採塊的時間。定期調整難度以保持目標塊時間，例如Bitcoin的10分鐘目標。

問：是否有任何不需要高計算能力來採礦的加密貨幣？
答：是的，有些加密貨幣使用不需要高計算能力的替代共識機制。例如，諸如以太坊2.0（過渡之後）之類的股份證明（POS）加密貨幣依靠驗證器，這些驗證者被選擇根據其持有的硬幣數量創建新塊，並願意將其作為抵押而不是其計算能力。

問：礦工如何減少其業務的環境影響？
答：礦工可以採取幾個步驟來減少環境影響，例如使用可再生能源來為其運營提供動力，提高硬件的能源效率並參與碳偏移計劃。一些採礦業務也位於具有豐富可再生能源資源的地區，以最大程度地減少其碳足跡。