比特幣產業深度報告：解析比特幣原理與“挖礦”產業工作的實質

市值接近摩根士丹利 比特幣今日升至歷史新高

9月1日， 數字貨幣集體大漲。 比特幣一度升至4740美元的歷史新高。 這讓比特幣的總市值接近摩根士丹利， 超過Paypal和Netflix。 目前， 比特幣的市值已經高於標普500指數成分股中的425家公司。

比特幣與“挖礦”產業

比特幣基本原理與“挖礦”工作的實質

比特幣作為一個帶有實驗性質的虛擬貨幣， 在設計之初就被其發明人“中本聰”(互聯網帳號名， 其真實身份未知)賦予了一些反經濟學的的理念， “中本聰”在其“挖出”創世區塊的同一天(2009年1月3日)寫下了:

“The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks”

這是當天泰晤士報的頭版的標題， 中文翻譯為“財政大臣站在第二次救助銀行的邊緣”， 這條新聞的背景是當時全球金融危機愈演愈烈。 這句話反映了“中本聰”對傳統金融體系的不信任， 而比特幣以及其背後的核心技術區塊鏈本質是去中心， 反監管， 試圖顛覆傳統的受管制的金融體系，

而其顛覆之處在於:

 比特幣是一種通縮的貨幣， 總量有限， 發行次序以及時間點已知;

 比特幣去除央行這樣的中心監管節點， 由整個網路參與發行與帳目監管;

“中本聰”人為通過協議強制規定比特幣發行速度在2009~2012年保持約每十分鐘50個不變，

以後約每四年減半一次， 在2009~2013年比特幣發行約1050萬枚， 按照4年減半的速度， 最終將發行約2100萬枚後飽和。 這樣這種貨幣由固定的協議而不是央行決定發行量， 自然也就沒有濫發貨幣和通脹之虞(圖1): 獲取本文完整報告請百度搜索“樂晴智庫”。

“挖礦”的本質是重複計算隨機字串的雜湊值並檢查結果字串是否滿足頭部有足夠的零。

為了保障每個區塊生成時間具備足夠的間隔， “挖礦”所要求的頭部為零的數目定期自動增加， 人為增加計算亂數“試運氣”的難度。

硬體挖礦演變歷史

所謂“挖礦”的實質為重複計算亂數的雜湊值並檢查其是否滿足要求。

提升單個挖礦參與人效率主要依賴硬體而非軟體的性能提升:挖礦計算的演算法是固定的、簡單的並且沒有在軟體層面存在提升的空間。 因此比特幣挖礦產業產業的歷史主要是一部挖礦硬體變更的歷史:

1) 從2009年開始的比特幣創世年代， 參與比特幣挖礦的人數較少， 大家使用普通的電腦CPU即可完成挖礦;

2) 在2010年末， 人們發現AMD出產的GPU晶片有一個特定的計算部件可以快速計算雜湊演算法的關鍵步驟， 於是人們寫出專門的GPU程式並將多個GPU組裝成“GPU礦機”用於比特幣挖礦。 由於GPU大規模平行計算雜湊表的能力遠超CPU導致整個計算網路的“挖礦”難度迅速上升， CPU挖礦被淘汰。 百度搜索“樂晴智庫”， 獲得更多行業深度研究報告

3) 在2011年末，人們嘗試使用FPGA(Field Programmable Gate Array,現場可程式設計邏輯閘陣列)器件開始挖礦。FPGA可以以較高的效率完成任何人們想要其完成的計算。利用程式設計過的FPGA組裝的礦機相比GPU礦機節約了大量在挖礦過程中並不需要的圖像計算硬體單元，因此效率得以提升。

4) 在2013年初開始，數個團隊開始嘗試使用ASIC晶片加速挖礦過程。ASIC相比FPGA犧牲了靈活性，一旦設計完成並生產就主要用於挖礦，較難用於其他與雜湊表計算無關的任務，但在挖礦效能上卻可以做到盡可能高。ASIC晶片組裝的礦機迅速將FPGA與GPU礦機趕出了市場。

挖礦硬體演變的歷史符合了積體電路產業的發展規律:

當一項計算需求較為小眾的時候，人們往往使用通用計算CPU完成其計算;

當計算需求增長後GPU和FPGA等過渡方案被用作硬體加速;

當計算需求足夠大，生產專用的ASIC所獲得的性能增益已經足夠覆蓋ASIC特定的一次性成本(詳細論述見《中科創達-論下游智慧化產業發展及公司角色地位》第二章)後，ASIC方案將憑藉性能優勢替代掉之前的過渡方案。

除了比特幣礦機晶片，人工智慧加速晶片等產業均沿著這條路徑發展。

比特幣產業鏈概述

比特幣產業大致可分為挖礦硬體生產商，礦場運營商和比特幣交易與消費三個環節(圖4):

 比特幣交易與消費:礦場運營商在挖取比特幣後需要線上上交易平臺將比特幣兌現。

比特幣的消費者可大致分為:

1) 比特幣投機者:試圖通過低買高賣比特幣獲益的投機者;

2) 比特幣收藏者:相信比特幣在未來能取代法定貨幣的投資者在用現金獲取比特幣後通常選擇長時間持有比特幣;

3) 高風險交易者:使用比特幣相比現金或信用卡對於普通交易而言並不具備特別的優勢，比特幣結算速度(常常超過一小時)遠慢於信用卡交易(數秒)，還存在匯兌等其他風險。比特幣並非特別適合用於日常正常的購物等結算場景。比特幣去中心化帳本技術特點之一是其不受央行/政府的監管，因此理論上容易成為理想的洗錢道具之一。

例如，維琪解密這一組織在被美國政府封鎖了傳統金融支付通道後依然依靠接受比特幣捐款和兌現維持了正常運作。這個案例反映了比特幣在的特殊用處，而這一點也給比特幣帶來了額外的政策/法律風險。

比特幣挖礦晶片/礦機與礦場運營產業:

在比特幣網路中不同晶片獲取比特幣的數量僅與其完成的計算量成正比，而挖礦的主要運營成本為電力消耗。因此同樣完成十億次雜湊運算，收入的比特幣對不同晶片是相同的，而消耗電能低就意味著更高的運營毛利，因此能效比成為挖礦晶片的關鍵指標。表1展示了目前市面上幾種流行的挖礦晶片的性能:

對於表1中不同晶片展示的性能差異，我們認為其門檻或者技術含量並非高不可攀。比特幣礦機晶片設計相對較為簡單，在數字邏輯設計層面幾無優化空間，各家廠商主要優化重點放在了電路的低功耗設計和優化，而主要手段，如降低電壓都已經被較為充分挖掘過潛在空間了。各個廠商的生產均委託TSMC(台積電)進行，個別財力雄厚的廠商能夠委託TSMC針對晶片特性定制低功耗工藝，但所獲得的增益也較為有限。整體而言這一小眾市場是一個較為典型的多寡頭壟斷市場。

根據blockchain.info社區提供的資料，2016年6月中旬全網的算力為150萬TH/s。目前通過電商網站(比西西比特幣礦機商城)可查詢到目前市面一台3.5TH/s的礦機售價約在2500元~4000元之間(礦機廠商的議價能力與比特幣價格正相關，因此售價也跟隨比特幣價格的波動而波動)，因此可等效換算出全球大約有42萬台3.5T級別的礦機。由於礦機的算力和價格大致成正比，因此可換算出全球礦機市場總值在十億元人民幣這個量級。

而礦場運營則是一個重資產行業。本質上運營礦場就是用礦機去重複計算亂數的雜湊值，而這麼做的主要作用是維持比特幣這一虛擬貨幣的交易記錄與驗證。比特幣的發明人為了維持系統穩定人為不斷調高找到特定亂數的難度，但追逐利潤使得這個產業現在消耗了大量的資本和電能:

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3) 在2011年末，人們嘗試使用FPGA(Field Programmable Gate Array,現場可程式設計邏輯閘陣列)器件開始挖礦。FPGA可以以較高的效率完成任何人們想要其完成的計算。利用程式設計過的FPGA組裝的礦機相比GPU礦機節約了大量在挖礦過程中並不需要的圖像計算硬體單元，因此效率得以提升。

4) 在2013年初開始，數個團隊開始嘗試使用ASIC晶片加速挖礦過程。ASIC相比FPGA犧牲了靈活性，一旦設計完成並生產就主要用於挖礦，較難用於其他與雜湊表計算無關的任務，但在挖礦效能上卻可以做到盡可能高。ASIC晶片組裝的礦機迅速將FPGA與GPU礦機趕出了市場。

挖礦硬體演變的歷史符合了積體電路產業的發展規律:

當一項計算需求較為小眾的時候，人們往往使用通用計算CPU完成其計算;

當計算需求增長後GPU和FPGA等過渡方案被用作硬體加速;

當計算需求足夠大，生產專用的ASIC所獲得的性能增益已經足夠覆蓋ASIC特定的一次性成本(詳細論述見《中科創達-論下游智慧化產業發展及公司角色地位》第二章)後，ASIC方案將憑藉性能優勢替代掉之前的過渡方案。

除了比特幣礦機晶片，人工智慧加速晶片等產業均沿著這條路徑發展。

比特幣產業鏈概述

比特幣產業大致可分為挖礦硬體生產商，礦場運營商和比特幣交易與消費三個環節(圖4):

 比特幣交易與消費:礦場運營商在挖取比特幣後需要線上上交易平臺將比特幣兌現。

比特幣的消費者可大致分為:

1) 比特幣投機者:試圖通過低買高賣比特幣獲益的投機者;

2) 比特幣收藏者:相信比特幣在未來能取代法定貨幣的投資者在用現金獲取比特幣後通常選擇長時間持有比特幣;

3) 高風險交易者:使用比特幣相比現金或信用卡對於普通交易而言並不具備特別的優勢，比特幣結算速度(常常超過一小時)遠慢於信用卡交易(數秒)，還存在匯兌等其他風險。比特幣並非特別適合用於日常正常的購物等結算場景。比特幣去中心化帳本技術特點之一是其不受央行/政府的監管，因此理論上容易成為理想的洗錢道具之一。

例如，維琪解密這一組織在被美國政府封鎖了傳統金融支付通道後依然依靠接受比特幣捐款和兌現維持了正常運作。這個案例反映了比特幣在的特殊用處，而這一點也給比特幣帶來了額外的政策/法律風險。

比特幣挖礦晶片/礦機與礦場運營產業:

在比特幣網路中不同晶片獲取比特幣的數量僅與其完成的計算量成正比，而挖礦的主要運營成本為電力消耗。因此同樣完成十億次雜湊運算，收入的比特幣對不同晶片是相同的，而消耗電能低就意味著更高的運營毛利，因此能效比成為挖礦晶片的關鍵指標。表1展示了目前市面上幾種流行的挖礦晶片的性能:

對於表1中不同晶片展示的性能差異，我們認為其門檻或者技術含量並非高不可攀。比特幣礦機晶片設計相對較為簡單，在數字邏輯設計層面幾無優化空間，各家廠商主要優化重點放在了電路的低功耗設計和優化，而主要手段，如降低電壓都已經被較為充分挖掘過潛在空間了。各個廠商的生產均委託TSMC(台積電)進行，個別財力雄厚的廠商能夠委託TSMC針對晶片特性定制低功耗工藝，但所獲得的增益也較為有限。整體而言這一小眾市場是一個較為典型的多寡頭壟斷市場。

根據blockchain.info社區提供的資料，2016年6月中旬全網的算力為150萬TH/s。目前通過電商網站(比西西比特幣礦機商城)可查詢到目前市面一台3.5TH/s的礦機售價約在2500元~4000元之間(礦機廠商的議價能力與比特幣價格正相關，因此售價也跟隨比特幣價格的波動而波動)，因此可等效換算出全球大約有42萬台3.5T級別的礦機。由於礦機的算力和價格大致成正比，因此可換算出全球礦機市場總值在十億元人民幣這個量級。

而礦場運營則是一個重資產行業。本質上運營礦場就是用礦機去重複計算亂數的雜湊值，而這麼做的主要作用是維持比特幣這一虛擬貨幣的交易記錄與驗證。比特幣的發明人為了維持系統穩定人為不斷調高找到特定亂數的難度，但追逐利潤使得這個產業現在消耗了大量的資本和電能:

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