Алгоритм PoW эффективен

Большинство людей считают, что используемый в Биткойне алгоритм PoW «экономически неэффективен». В этой статье я буду говорить о том, что всё – и деньги тоже – есть энергия, а представления о её правильном использовании субъективны. Также я сравню величину затрат на энергообеспечение PoW с соответствующими расходами на содержание существующих систем управления.

Мировой ВВП в долларах по курсу 2010 г. (по данным Министерства сельского хозяйства США) по сравнению с мировым потреблением энергии (по данным статистического обзора мировой энергетики, представленного BP в 2014 году).

Эта работа представляет собой собрание идей многих людей – я лишь обобщил их, выбрал самое основное и объединил различные интерпретации.

Примечание: я не утверждаю, что текущая реализация PoW идеальна, и что она не будет заменена более оптимальным алгоритмом, совмещающим в себе свойства PoW и PoS.

Работа – это энергия

Французский математик Гаспар-Гюстав де Кориолис ввёл представление об энергии как о «выполненной работе». Много лет назад все виды работ выполнялись человеком, для чего ему были необходимы продукты питания.

Около миллиона лет назад люди научились добывать огонь. В результате получить энергию стало возможным не только потребляя пищу, но и греясь у костра. Таким образом, этот дополнительный источник энергии повысил уровень жизни.

Несколько тысяч лет назад, после приручения животных, потребление людьми энергии возросло ещё больше. Животные могут работать вместо людей, и этих новых работников тоже надо кормить. Для удовлетворения потребности в энергии было необходимо большое количество продовольствия, и благосостояние человечества росло.

За последние несколько сотен лет людьми были изобретены различные машины, упрощающие труд. Эти автоматизированные механизмы работали, используя энергию воды и ветра, а затем более дешёвых источников, таких как уголь и газ, а теперь получают её и из ядерных источников (в результате расщепления атома/синтеза ядра атома). И машинам, и природным явлениям необходима энергия. Наша экономика основана не на деньгах, а на работе и энергии.

Все аспекты нашей жизни тесно связаны с ценами на энергию. Для очищения воды необходима энергии. Транспортировка продуктов требует энергии, также как и их производство, охлаждение, заморозка и приготовление пищи. В условиях свободного рынка стоимость любого товара в значительной степени отражает стоимость затраченной на его производство энергии. Поскольку на свободных нерегулируемых рынках товары по более низким ценам пользуются большим спросом, производители при изготовлении продукции стремятся минимизировать затраты на потребляемую энергию. Деньги, которые являются отображением выполненной работы, необходимой для производства товаров и услуг, также можно рассматривать как запас энергии.

В начале XX века лидеры в своих отраслях, такие как Генри Форд и Томас Эдисон, были заинтересованы в замене золота или доллара на «энергетический доллар» или «единицу энергии» – т.е. на товарную/энергетическую валюту). Эта концепция была популярна, т.к. обладала необходимыми характеристиками твёрдой валюты, такими как: чётко определённая расчётная единица, простота измерения/сложность подделки, делимость на более мелкие единицы и взаимозаменяемость (каждая расчётная единица валюты эквивалентна любой другой единице). Однако энергетические деньги имели и недостатки – их хранение и передача были бы затруднительными.

Доказательство выполнения работы

«Для того чтобы человек возжелал что-либо, достаточно лишь сделать это труднодостижимым», – Марк Твен.

31 октября 2008 года Сатоши Накамото опубликовал(-и) «белую книгу» Биткойна. Используемый в Биткойне алгоритм доказательства выполнения работы (PoW) изначально был разработан как средство борьбы со спамом. Только позже Сатоши адаптировал его для использования применительно к цифровым деньгам. В основе PoW-майнинга лежит использование специализированных машин (ASIC) для преобразования электроэнергии в биткойны (посредством получения вознаграждения за блок). Машина раз за разом выполняет хэш-операции для решения поставленной задачи, пока не решит криптографическую головоломку и не получит биткойны в качестве вознаграждения за блок. Решение головоломки доказывает, что майнер потратил энергию в виде вычислительного ресурса ASIC и электричества, и это служит доказательством того, что майнер выполнил работу. «Биткойн имеет капиталистический механизм голосования – «рискуешь деньгами, получаешь голоса» – посредством использования энергии/ASIC для создания хэшей (как голосов)», – Хьюго Нгуен.

Разработав алгоритм PoW, Сатоши Накамото коренным образом повлиял на возможности достижения консенсуса между людьми – теперь он возможен не только за счёт получения политических голосов, но и посредством преобразования энергии – за счёт получения «голосов», не связанных с политикой (хэшей). PoW представляет собой «доказательство сжигания», или подтверждение расходования энергии. Почему это имеет такое значение? Это самый простой и справедливый способ для физического мира валидировать (подтвердить) какое-либо событие в мире цифровом. PoW – это физическое явление, а не код. Биткойн – это универсальный товар, созданный из энергии. PoW преобразует электричество в цифровое золото.

Реестр Биткойна может сохранять неизменность записей только тогда, когда формирование реестра затратно. Доказательство выполнения работы, требующее огромных затрат, – это «фича, а не баг». До недавнего времени сохранность какой-либо ценности обеспечивалась строительством мощной стены в реальном мире. Новый мир криптовалют странен, его нельзя понять интуитивно: не существует ни физических стен для защиты наших денег, ни дверей для доступа к нашим хранилищам. Публичный реестр Биткойна защищён его коллективной хэширующей мощностью, совокупной энергией, затраченной на строительство цифровой стены. Сама конструкция требует эквивалентного количества энергии для её обрушения (дороговизна, исключающая возможность подделки).

Энергопотребление

«Криптопокалипсис приближается: алгоритм PoW настолько ужасен, что к 2020 году может уничтожить мир!» Возможно, вы заметили, что большинство статей о приближающемся «судном дне» основаны на результатах анализа, проведённого «финансовым экономистом и специалистом по блокчейну» из компании PWC и автором сайта Digiconomist, Алексом де Врисом. Его оценка уже получила справедливую долю критики из-за неубедительного расчёта энергопотребления. Но выбранный им ключевой показатель эффективности – «расход электроэнергии на транзакцию» – является некорректным по нескольким причинам:

Энергия расходуется на блок, который может иметь различное количество транзакций. Большее количество транзакций необязательно подразумевает больший расход энергии.
Плотность биткойн-транзакций постоянно возрастает (благодаря использованию батчинга, Segwit, Lightning Network и т. д.). По мере того как сеть Биткойна требует всё большего количества расчётов, каждая единица энергии обеспечивает экспоненциально возрастающую экономическую стоимость.
Средняя стоимость транзакции не является приемлемым критерием для измерения эффективности PoW. Эффективность должна определяться с точки зрения безопасности истории транзакций. Затраты энергии обеспечивают безопасность существующих запасов биткойнов, и это процентное соотношение уменьшается с течением времени по мере снижения инфляции. Биткойн «накапливает» энергию, затраченную на добычу всех блоков с момента его создания. Исследователь LaurentMT опытным путём обнаружил, что PoW Биткойна действительно становится более эффективным с течением времени: увеличение затрат уравновешивается ещё большим ростом общей стоимости, сохраняемой системой.

Теперь, когда мы разобрались с тем, что является правильным ключевым показателем эффективности в отношении потребления энергии, давайте взглянем, каковы тенденции изменения энергозатрат на PoW Биткойна.

Темпы повышения эффективности ASIC замедляются. И мы можем ожидать увеличение конкуренции производителей, поскольку наблюдается уменьшение маржи.

https://cseweb.ucsd.edu/~mbtaylor/papers/Taylor_Bitcoin_IEEE_Computer_2017.pdf
https://research.bloomberg.com/pub/res/d3bgbon7nESTWTzC1U9PNCxDVfQ

Большая доля расходов на майнинг сместится от первоначальных затрат на доступ к оборудованию ASIC (капитальные затраты) к текущим расходам на энергию (операционные расходы). Поскольку физическое расположение центров майнинга для сети Биткойна не имеет значения (они могут перемещаться), майнеры стекаются в районы, генерирующие избыточную электроэнергию с целью снижения себестоимости получаемых в качестве награды за майнинг биткойнов. В долгосрочной перспективе возможно создание более эффективных мировых энергетических рынков при помощи биткойн-майнеров, выполняющих арбитражные операции с электроэнергией между глобальными центрами. Затраты на добычу биткойнов станут самой низкой (избыточной) стоимостью электроэнергии. Это может решить проблему напрасной траты энергии из возобновляемых источников, имеющих поддающуюся оценке мощность, например, гидроэлектроэнергии и сжигаемого метана. В будущем биткойн-майнинг может способствовать более широкому применению возобновляемых источников энергии, имеющих переменную выработку, – производители энергии могут давать майнерам доступ к ним и хранить излишки энергии в биткойнах.

Алюминий был популярными средством «экспортирования» электроэнергии из стран с богатыми ресурсами возобновляемой энергии, оказавшихся в затруднительном положении (как Исландия). Выплавка боксита (иначе называемого алюминиевой рудой) – очень энергоёмкий процесс, и преобразование его в алюминий представляет собой одностороннюю функцию (так же как и хэш). Те же опасения по поводу «недобросовестного» энергопотребления существовали в отношении производства алюминия почти 40 лет назад, в 1979 году (включая и опасения относительно централизации процессов). Все эти компании постоянно рыскали по всему миру в поисках дешёвой электроэнергии и других льгот. По мере того как с течением времени производство алюминия совершенствовалось, показатель потребления кВт/ч на произведённый килограмм алюминия стал более эффективным.

https://www1.eere.energy.gov/manufacturing/resources/aluminum/pdfs/al_theoretical.pdf

«Эта глобальная энергетическая сеть высвобождает незадействованные активы и делает использование новых активов более рентабельным. Представьте себе топографическую 3D-карту мира, где точки доступа к дешёвой энергии расположены ниже, а к дорогой – выше. Я сравниваю майнинг Биткойна со стаканом воды, вылитым на поверхность. Вода заполняет все трещины и сглаживает эту поверхность», – Ник Картер.

PoW Биткойна является покупателем последней инстанции для всей электроэнергетической отрасли, устанавливая при этом минимальный уровень цен, который стимулирует строительство новых электростанций вокруг разрозненных источников энергии, которые в противном случае остались бы неиспользованными.

«Когда потребление энергии, применяемой для PoW, *перестанет* расти? Именно тогда, когда достаточное количество производителей энергии начнут осуществлять PoW непосредственно, когда добавочный доход от сжигания кВт/ч энергии через PoW будет равен добавочному доходу от продажи этого кВт/ч в сеть – тогда «плата» за PoW сведётся к нулю. Я называю это равновесие «точкой Накамото». Я полагаю, что, когда этот баланс будет достигнут, PoW будет использовать от 1 до 10 % мировой энергии», – Дхрув Бансал.

Некоторые выражают недовольство тем, что при майнинге Биткойна не выполняется никакой «полезной работы», такой, как поиск простых чисел. Хотя введение вторичного вознаграждения за выполнение работы может показаться удачной идеей, на самом деле это создаёт угрозу безопасности. Разделение вознаграждения может привести к ситуации, когда «будет целесообразнее выполнять вторичную функцию, нежели основную». Даже если бы вторичная функция была безобидной (например, обогрев), вместо ожидаемых 100 долларов за X хэш-кодов, мы бы перешли к 100+5 долларам обогрева за X хэш-кодов. «Майнинговый обогреватель» – это ещё один способ повышения производительности аппаратного оборудования, который приведёт к усложнению процесса и увеличению объёмов используемой энергии в расчёте на один блок. К счастью, в случае с Биткойном такая проблема никогда не возникнет, так как его безопасность гарантируется чистотой алгоритма доказательства выполнения работы.

Примечание: Биткойн уже сейчас полезен для общества (если бы это было не так, майнинг не приносил бы прибыли), и неразумно просить майнеров бескорыстно выполнять ещё какую-либо функцию без финансовых стимулов на то.

Относительные издержки

Согласно первому закону термодинамики, для всего в мире требуется энергия. Утверждения о том, что один способ использования энергии более или менее расточителен, чем другой, полностью субъективны, поскольку все пользователи оплатили использование этой электроэнергии по рыночной стоимости.

«Если люди считают, что за электричество стоит платить, то оно не будет расходоваться впустую. Те, кто потребляют это электричество, получают вознаграждение в биткойнах», – Сайфидин Аммос.

Согласно законам термодинамики, Вселенная является замкнутой системой. Использование избыточных электрических мощностей для майнинга Биткойна составляет величину, на порядок меньшую, чем потребление электроэнергии существующими фиатными системами, которые должны снабжать энергией банковскую, а также военные и политические инфраструктуры. «Положительным» итогом является компромиссное решение по использованию этой электроэнергии в целях обеспечения функционирования финансовой системы. Ниже я привожу приблизительное сравнение расходов на энергопотребление существующих финансовых, военных и политических систем с майнингом Биткойна (примечания см. в конце статьи).

Отрасль	Ежегодные затраты ($)	Потребляемая энергия (ГДж)
Добыча золота	105 млрд	275 тыс.
Переработка золота	40 млрд	25 тыс.
Бумажные денежные знаки и их выпуск	28 млрд	39 тыс.
Банковская система	1 870 млрд	2 340 тыс.
Государственное управление	27 600 млрд	5 861 тыс.
Майнинг Биткойна	4 500 млрд	183 тыс.

Цивилизация I типа

В поисках дешёвых источников энергии мы обнаруживаем большое их изобилие в реальном мире. Благодаря использованию этих новых или разнородных источников, Биткойн не только продвигает нас к экономике I типа по шкале Кардешёва, но может приблизить нас к энергетической цивилизации I типа (в настоящее время по данной шкале уровень технологического развития нашей цивилизации находится на отметке приблизительно 0,72). При использовании майнинга Биткойна в качестве стимула, время достижения уровня развития цивилизации I типа может сократиться от 200 лет до нескольких десятилетий. После этого отпадёт необходимость ограничивать рост потребления энергии, что повысит уровень жизни каждого человека.

Необходимость поиска дешёвых источников электроэнергии ускорит предпринимаемые усилия по строительству термоядерных реакторов. Вселенная существует за счёт энергии ядерного синтеза (звёзды). Люди подражают природе, создавая термоядерные реакторы. Предполагается, что потребуется около 80 млрд долларов для проведения многолетних исследований, которые позволят окончательно освоить технологию ядерного синтеза. Топливо для синтеза (в первую очередь дейтерий) в изобилии присутствует в океане Земли и потенциально может обеспечивать потребности в энергии всего мира в течение миллионов лет. Термоядерная энергетика обладает многими преимуществами возобновляемых источников энергии, такими как долговременное использование и отсутствие выбросов парниковых газов или загрязнения воздуха. Термоядерная реакция может обеспечить очень высокую плотность производства электроэнергии и её бесперебойную подачу. Другим аспектом использования термоядерной энергии является тот факт, что на стоимость её производства не влияет отрицательный эффект масштаба. Например, стоимость воды и энергии ветра растёт, поскольку в первую очередь разрабатываются перспективные участки, тогда как дальнейшие генераторные установки располагаются в более сложных условиях. При использовании термоядерной энергии себестоимость производства возрастёт незначительно, даже если будет построено большое количество станций, так как сырьевой ресурс (морская вода) присутствует в достатке и широко распространён.

«Вода, вода везде, ни капли для питья», – Сэмюэл Тейлор Кольридж.

Термоядерная энергетика и другие более дешёвые источники энергии решат основные проблемы человечества, такие как нехватка пресной воды. Мы окружены морской водой, но опреснительные станции, удаляющие из неё соль, требуют большого количества энергии. В настоящее время затраты на опреснение морской воды выше, чем расходы на пресную воду, добычу грунтовых вод, рециркуляцию воды и сохранение водных ресурсов.

Стремление человечества к знаниям ведёт нас от вершин гор к глубинам океанов, к сердцу атома, к самым основам пространства и времени; это стремление к росту, не ограниченному объёмами энергии. Мы сможем достигнуть звёзд.

Стоит ли поддержание не требующей доверия системы расчётов между контрагентами на сумму 1,34 трлн долларов ежегодно, при получении дополнительного преимущества в виде более дешёвой энергии, 4,5 млрд долларов при текущей стоимости майнинга? Я думаю, что ответ – уверенное да.

Примечания:

Все расходы указаны в долларах США.
«Расходы органов государственной власти» – это совокупные годовые расходы, включая расходы на оборону.
В 2006 году Министерство обороны потребило почти 30 000 ГВт/ч электроэнергии, что стоило почти 2,2 млрд долларов.
Ежегодно на военные расходы по всему миру тратится приблизительно 1,7 трлн долларов.
Данные, на которых основан анализ.
Расходы на золотодобычу, банковскую систему и переработку золота указаны начиная с 2014 года.
Банковская система и правительственные предварительные оценки представляют собой комбинацию годовых расходов, включающих в себя расходы на электроэнергию.
Энергопотребление в США в % от мировых объёмов.
Расходы на энергетику федерального правительства США.
Расходы на майнинг Биткойна.
Ежегодно 63,8 млрд долларов тратится на обеспечение электроэнергией банковской системы.
При майнинге Биткойна не было зарегистрировано смертей рабочих, тогда как при добыче золота за последние 100 лет было зафиксировано 50 000 смертельных случаев.
Инфляция фиатных валют, представляющая собой скрытый налог, уменьшающий сбережения, составляет около 2–3 % в год. Затраты слишком громоздки для расчёта и не включены в анализ.
Биткойны не выпускаются правительством, при их распределении нет места коррупции.