工作量证明、能源与Ergo
2022年3月29日
介绍
工作量证明（PoW）在原始比特币白皮书中被描述为有两个部分。第一部分是数字签名。第二部分是一个点对点网络哈希交易时间戳到不可变的区块链上。
安全性是计算能力和链长度的特征。比特币白皮书这样描述：“最长的链不仅作为目击事件顺序的证明，而且证明它来自最大的CPU算力池。”挖矿池的大小和所做的工作保护区块链免受双重支付。
比特币的市值在2013年3月27日超过10亿美元，并在2021年2月19日超过1万亿美元。随着价值的增加，安全问题也随之增加。因此，计算能力和电力使用增加以保护区块链。这需要多少能源？
比特币的能源消耗
剑桥比特币电力消费指数跟踪比特币的电力使用。从启动到2022年2月，比特币使用了320.34太瓦时（TWh）的电力。在考虑不同地区的电价时，挖矿的运营成本可能会有很大差异。每千瓦时（kWh）的价格从卡塔尔的0.03美元到德国的0.37美元不等。
根据上述数字，比特币的电力费用在每TWh之间为3000万到3.7亿美元。总电力费用在108亿到1185亿美元之间。比特币矿工往往在电力成本较低的地方进行操作。例如，拥有丰富水电的偏远地区是比特币挖矿的好地方。因此，kWh电价可能更接近范围的下限。
在2021年，比特币消耗了86.36 TWh的电力。因此，保护比特币区块链的年度成本在26亿到1369亿美元之间。为了理解这个电力消耗的规模，比较类似的事物是有帮助的。
美国每年生产超过4000亿千瓦时（BkWh）的电力。1 TWh等于BkWh，因此考虑这个事实，来自美国能源信息管理局：
“商业部门，包括商业和机构建筑，以及公共街道和高速公路照明，2021年用于照明的电力消耗约为1520亿kWh，约占商业部门总电力消费的11%和2021年美国总电力消费的4%。”
在美国，用于照亮公共街道和高速公路的电力是浪费的吗？路灯减少了交通事故和犯罪的风险。但是，城市居民更愿意支付路灯费用，而农村居民则不然。
原因很明显。人口密度较低的地方交通事故和犯罪较少。在农村地区对路灯的需求要小得多。
在加密货币中也存在类似但相反的动态。如果一个社区已经有了路灯，对这些灯的任何更改必须是更好的。
区块链的优势
有些人甚至认为比特币更糟。它没有价值。然而，比特币的市值达到了万亿美元，比特币用户支付交易费用以使用区块链。对于比特币的用户来说，它是有价值的。
在某些指标上，比特币优于现有系统。比特币交易确认在二十分钟内完成。自动清算所（ACH）交易是电子的、银行间的资金转移，需时五天。ACH转账的电力成本是多少？如果我们考虑主机、ATM、网站等，银行是否更节能？是否可以说，为了更快的交易时间，使用更多电力是值得的？直接比较很困难，但可以合理地断言，比特币的成本更低，也是更好的选择。
区块链还带来了新的能力。通过智能合约，可以自动化世界经济的部分。 这些创新是否值得挖掘比特币和其他PoW区块链的电力和其他费用？
能源效率
关于工作量证明区块链的重要讨论涉及效率。是否可以在不支付高昂能源成本的情况下利用区块链技术的好处？
比特币于2009年作为概念验证推出。加密货币有效，但我们需要更好地理解它们。尽管研究仍在进行中，人们发现了新的共识机制、算法和其他区块链设计，但这仍然是一个新兴行业。这些新能力的最佳用途和局限性尚未完全实现。
例如，权益证明（PoS）是一种共识机制，首次在2012年实施于Peercoin。PoS要求拥有区块链的货币以激励保护区块链。PoS的能源足迹远低于PoW，但它的安全性是否与PoW一样？答案尚不清楚，只有时间会告诉我们。可以说，PoW更安全，因为已经完成的TWh工作提供了PoS所没有的安全保证。
一些人认为PoS可以取代PoW，但现实是，不同的做法有不同的权衡。PoS和PoW并不相同，且一个并不是另一个的直接替代品。
有些智能合约可能需要PoW的特性。对于其他合约，PoS的速度可能更合适。没有一种正确的做法——不同的问题需要不同的解决方案。
Ergo的能力
每个区块链都有独特的特性，这些特性源于不同的设计选择。在Ergo上，重要的设计决策包括：
- Sigma协议：高效且可组合的知识证明协议，必要时用于创建某些类型的dApps。
- Autolykos：高效使用电力的PoW算法。它是ASIC抗性，这改善了挖矿的去中心化。[1]
- eUTXO：扩展未花费交易输出，消除了维护区块链状态的需要。它还允许交易成本可预测性。
- 非交互式工作量证明（NIPoPoW）：一个指向PoW区块链的索引，可以快速验证单个交易。它支持轻客户端和一些侧链实现。
- 存储租金：保持货币流通，减少链的大小，并通过每四年收取少量存储费用来激励矿工。
Ergo是一个旨在比比特币更节能的PoW区块链。但是，多少效率才算足够？一些特性，如eUTXO模型，可以与多种共识机制一起使用，包括PoW和PoS。
然而，其他特性是PoW特有的。能源效率应该在多大程度上成为次要考虑因素？像NIPoPoWs、存储租金等特性是否应该被忽视，因为能源成本是最重要的考虑因素？每个设计决策都必须考虑实施的成本和收益。一个人的评估将取决于他们重视什么。
结论
区块链技术将彻底改变供应链管理、身份验证和现代生活的许多其他领域。这是一种新的计算范式，其重要性可与全球互联网的崛起相媲美。像互联网一样，它将以我们目前无法想象的方式发展。
比特币在未来几十年的加密货币生态系统中将发挥作用。然而，更节能的PoW区块链，如Ergo（具有许多额外功能），可能会找到能源使用和功能之间的正确平衡，使PoW更高效，提供额外的功能，并超越比特币的一些局限性。
每个解决方案都需要仔细考虑其成本、收益和风险。区块链是一个大平台。每个人都有空间。然而，PoW NIPoPows和像Ergo的存储租金这样的链特定功能提供了独特的功能，值得为某些区块链用途支付额外的能源支出。
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