挖矿工作量证明与挖矿难度

关联词：加密货币、区块链

挖矿，也称加密货币挖矿（Cryptocurrency Mining），是创造或发现加密货币的过程。挖矿也是一种通过使用计算机处理能力来完成转账记录保存的服务。

矿工不停地将新广播的转账记录打包进一个新区块，然后将打包好的新区块向网络广播，并被其他接收数据的节点验证，从而保证区块链的连续性、完整性和不可篡改性。

挖矿活动在完成了区块链记账工作的前提下，获得了系统发行的加密货币奖励，实现了加密货币的发行过程。

关于比特币的一个基本问题是：比特币从何而来？

传统货币是由中央银行创造的，而比特币是由比特币矿工通过挖矿获得的。具体而言，矿工按时间顺序将转账记录打包进找到的比特币区块中，这样可以防止用户支付相同的比特币两次，从而解决“双花”难题。

比特币不受中央权威机构管制，相反，比特币得到了全球数百万台计算机——“矿工”的背书。该计算机网络发挥了与美联储（Federal Reserve）、Visa（威士）和万事达（MasterCard）相同的功能。

要想被其他的网络节点所接受，新区块必须包含工作量证明。使用的这套系统基于亚当·贝克（Adam Back）1997年提出的反垃圾邮件方案——哈希现金（HashCash）。工作量证明要求矿工找到一个称作随机数（Nonce）的数字，使得当区块内容与该随机数一起进行哈希运算时，其结果在数值上小于网络当前的难度目标值（Difficulty Target）。工作量证明对于网络中的任何节点来说都易于验证，但是生成该证明非常耗时，为得到一个安全的密码学哈希值，矿工必须尝试许多不同的随机数（通常测试值按自然数升序排列：0，1，2，3，...），直到小于难度目标值为止。

工作量证明系统与区块链结构一起，使得修改区块链十分困难。为了使一个区块修改的内容被接受，攻击者必须修改后续所有的区块。随着每时每刻都有新区块被挖出，修改区块的难度会随着时间流逝以及随后的区块（也称对给定区块的确认）数量的增加而增加。

比特币挖矿的结果是双重的。一方面，当矿工在比特币网络上解决复杂的数学问题时，他们“生产”出新比特币，这与黄金的开采过程没什么不同。另一方面，通过解决数学难题，比特币矿工使比特币网络值得信任；通过验证转账信息，保障转账网络的安全。(www.xing528.com)

作为对矿工努力的补偿，每当矿工向区块链成功添加一个包含转账记录的新区块时，其将获得比特币奖励。每个被开采的区块释放的新比特币数量被称为“区块奖励”。每挖出210000个区块，区块奖励减少一半，用大约4年时间。2009年比特币创世时，区块奖励为50枚比特币；2012年第一次减半，区块奖励为25枚比特币；2016年第二次减半，区块奖励为12.5枚比特币；2020年第三次减半，区块奖励为6.25枚比特币，依此类推。

第一次减半：北京时间2012年11月28日23∶24∶38，新区块由Slushpool矿池挖出，区块奖励由50枚比特币减少为25枚，比特币区块链高度为210000。

第二次减半：北京时间2016年7月10日00∶46∶13，新区块由F2Pool矿池挖出，区块奖励由25枚比特币减少为12.5枚，比特币区块链高度为420000。

第三次减半：北京时间2020年5月12日03∶23∶43，新区块由AntPool矿池挖出，区块奖励由12.5枚比特币减少为6.25枚，比特币区块链高度为630000。7

每挖出2016个区块（按照挖出每个区块平均用10分钟计算，约14天），难度目标值将根据网络最新算力表现进行调整，以使每个新区块被挖出的平均时间保持在10分钟。通过这种方式，系统可以自动地适应网络上挖矿算力的总量。

随着越来越多的比特币被挖出，挖矿难度（即涉及的算力）不断增长。挖矿难度始于2009年比特币首次亮相时的1.0。2009年年底，挖矿难度只有1.18。到2020年5月12日比特币第三次减半后，挖矿难度已超过16.1T（万亿）。

实际上，新币的发行速度会以指数级进行32次“等分”，直到第6720000块（大约在2137年被挖出），达到比特币的最小货币单位1聪。最终，在挖出693万个区块之后，所有的共2099999997690000聪比特币将全部被挖出。也就是说，到2140年左右，会存在将近2100万枚比特币。在那之后，新的区块不再包含比特币奖励，矿工的收益全部来自交易费。8

矿机（Mining Machine）是进行加密货币挖矿的硬件设备。最早，中本聪使用个人电脑的中央处理器（CPU）进行挖矿；随后早期的矿工发现图形处理器（GPU）能够更好地适应工作量证明算法，于是就用图形处理器替代中央处理器挖矿；随着比特币难度目标值的增加、全网算力的暴涨，后来的挖矿爱好者研发出现场可编程门阵列（FPGA）（一种更高级的处理器）进行挖矿。目前，比特币挖矿公司运营着大型矿场，使用效率更高的芯片专用集成电路（ASIC）矿机进行挖矿。

矿池（Mining Pool）是指矿工进行联合挖矿的平台，矿工们将自己的矿机接入矿池，贡献自己的算力共同挖矿，然后按照贡献比例分配挖矿收益。矿池平台负责矿池的运营，收取一定比例的管理费。随着全网算力的指数级增长，个人挖矿获得区块奖励的概率变得极低，近乎为零，矿工们开始联合起来与其他矿工竞争，然后平分挖矿收益，逐步形成了矿池。目前矿池的主要模式包括PPS（Pay Per Share）、PPLNS（Pay Per Last N Shares）等。PPS是指按用户有效算力在全网的占比，来分配矿池理论出块的块奖励模式；PPLNS是指按用户有效算力在全网的占比，来分配矿池实际出块的块奖励模式。