加密貨幣是否會(huì)破壞能源存儲(chǔ)

Mitch Leslie

Senior Technology Writer

比特幣已有十多年的歷史，據(jù)估計(jì)，它所消耗的能源已超過許多國家所消耗的能源[1]。比特幣及類似的加密貨幣系統(tǒng)的用電量及其對環(huán)境的潛在影響令一些專家感到震驚，并促使中國在2019年提出了禁止開采加密貨幣的有關(guān)規(guī)定——盡管中國政府隨后廢止了相關(guān)政令 [2]。

然而，近期在論文預(yù)印本平臺(tái)arXiv上發(fā)布的一篇廣為流傳的論文（2019年8月）介紹了一種新穎的算法，該算法可以在保護(hù)數(shù)字交易的同時(shí)，盡可能降低其所需的能源[3,4]。這只是減少加密貨幣電力需求的數(shù)百項(xiàng)提案之一。此外，尚有許多可能的解決方案仍在研究中，而其中一些已在落地實(shí)踐階段。例如，第二大加密貨幣系統(tǒng)以太坊（Ethereum）宣布將改用其他程序來處理交易，從而將其能源消耗減少99% [5]。

然而，有專家警告說，這些替代方案并沒有像比特幣程序那樣經(jīng)過嚴(yán)格的評估，它們能否被加密貨幣的用戶接受也仍然是個(gè)未知數(shù)?！把芯刻岢龅脑S多協(xié)議方案都經(jīng)過了安全性的數(shù)學(xué)證明，但這些協(xié)議都是基于與比特幣不同的假設(shè)而開發(fā)的?！泵绹~約大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)助理教授Joseph Bonneau評論說，“目前我們尚不清楚它們能否在實(shí)踐中堅(jiān)持下去。”

比特幣始于2009年，是第一個(gè)也是迄今為止最大的加密貨幣系統(tǒng)。而當(dāng)下，有近3000種形式的數(shù)字貨幣正在流通交易[6]。在某些方面，加密貨幣與普通貨幣具有類似功能。加密貨幣可以通過為加密貨幣網(wǎng)絡(luò)工作（具體過程將在下文討論）來賺取，也可以使用傳統(tǒng)貨幣購買?，F(xiàn)在，許多企業(yè)和組織都接受將加密貨幣作為支付手段，包括美國一些運(yùn)動(dòng)隊(duì)以及聯(lián)合國兒童基金會(huì)等[7,8]。加密貨幣與傳統(tǒng)貨幣之間的主要區(qū)別在于，加密貨幣不是由政府發(fā)行或支持的。

比特幣和其他加密貨幣平臺(tái)繞過了傳統(tǒng)的金融系統(tǒng)，它們無需依賴銀行和其他機(jī)構(gòu)來確認(rèn)交易。相反這類平臺(tái)號召其網(wǎng)絡(luò)中的用戶進(jìn)行交易確認(rèn)。某些被稱為“礦工”（miner）的用戶會(huì)相互競爭以對一組交易進(jìn)行處理。在每組交易獲得確認(rèn)后，該交易就會(huì)被記錄在名為區(qū)塊鏈的數(shù)字賬本上[9]。為了確認(rèn)一組交易，“礦工”必須解決一個(gè)密碼學(xué)問題，并提供所謂的“工作量證明”[10]。最終獲勝的“礦工”通常會(huì)得到新生成的一定數(shù)量的加密貨幣作為經(jīng)濟(jì)獎(jiǎng)勵(lì)。

比特幣以及大多數(shù)其他加密貨幣系統(tǒng)都通過“工作量證明”來確保其安全性與完整性，但是該過程會(huì)消耗大量的能源。將交易組（或“區(qū)塊”）添加到數(shù)字賬本所需的密碼學(xué)問題被設(shè)計(jì)為需通過試錯(cuò)法來解決，而蠻力計(jì)算通常由被稱為“礦機(jī)”的專門計(jì)算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行這些計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可能被部署在成千上萬臺(tái)機(jī)器中（圖1[11,12]。

加密貨幣對環(huán)境的影響不只局限于機(jī)組消耗的大量電能。由于“礦機(jī)”在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，所以還需要額外的能源對其進(jìn)行冷卻，此外，該過程還會(huì)產(chǎn)生各種電子垃圾[13]。

圖1. 處理加密貨幣交易組所需的密碼學(xué)問題難度極大，必須通過試錯(cuò)法解決。該過程通常由被稱為“礦機(jī)”的專門計(jì)算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行，該系統(tǒng)可能被部署在成千上萬臺(tái)機(jī)器中，例如，圖中機(jī)組就位于冰島的加密貨幣采礦“農(nóng)場”。據(jù)一些研究估計(jì)，這種計(jì)算活動(dòng)的能源消耗是巨大的，甚至與整個(gè)國家的能耗水平相同。圖片來源：Marco Krohn，維基共享資源（CC BY-SA 4.0）。

由于加密貨幣去中心化的特征，想要準(zhǔn)確量化采礦對環(huán)境的影響，特別是計(jì)算能源消耗會(huì)變得十分困難美國加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校（University of California, Santa Barbara）布倫環(huán)境科學(xué)與管理學(xué)院（Bren School of Environmental Science & Management）的Eric Masanet表示：“我們沒有有關(guān)“礦工”人數(shù)及其‘礦機(jī)’能效的官方統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。”因此，對于能源消耗的估計(jì)往往差異很大[14]。據(jù)研究，2017年比特幣的能源消耗可能高達(dá)44 TW或低至4 TW [15]。

盡管計(jì)算結(jié)果有差異，但這些研究均證實(shí)加密貨幣的開采會(huì)消耗大量電能。例如，在2018年，美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）的環(huán)境工程師Max Krause與一名同事使用哈希率（hash rate）對包括比特幣和以太坊在內(nèi)的四個(gè)加密貨幣平臺(tái)的價(jià)值進(jìn)行了估算，他們使用哈希率來表征“礦機(jī)”正在進(jìn)行的計(jì)算數(shù)量[15]。Krause強(qiáng)調(diào)這項(xiàng)研究并非自己在EPA的工作內(nèi)容，他表示：“當(dāng)我開始計(jì)算這些數(shù)字時(shí)才發(fā)現(xiàn)，能源成本簡直是天文數(shù)字?！苯Y(jié)果表明，在2017年，四個(gè)加密貨幣網(wǎng)絡(luò)使用了16.6 TW的電能，這大約與斯洛文尼亞或古巴的年用電量相同 [15]。

英國劍橋大學(xué)替代金融中心（CCAF）開發(fā)了一個(gè)可以對比特幣電能消耗情況進(jìn)行準(zhǔn)確評估的模型，該模型包含了哈希率、向礦工支付的費(fèi)用、礦機(jī)的效率以及其他相關(guān)變量。CCAF目前關(guān)于比特幣年度能耗準(zhǔn)確度最高的估計(jì)值為每年84 TW，約占全球用電總量的0.4%[16]。這意味著比特幣網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的年用電量介于芬蘭與巴基斯坦的年用電量之間。該中心的數(shù)據(jù)還顯示，比特幣的能源消耗一直在迅速增長，從2017年年初到2019年年底增長了11倍以上。

這種能源消耗對環(huán)境的影響取決于多種因素，包括電力來源。采用可再生資源能夠有效減少采礦對氣候的影響，這對加密貨幣而言非常重要。正如CCAF的經(jīng)濟(jì)學(xué)家Michel Rauchs所指出的那樣，據(jù)估計(jì)，一半的比特幣開采活動(dòng)是在中國四川省的雨季期間開展的，在那里，礦工可以利用充裕的水電資源[17]。廉價(jià)、充裕的水利資源也吸引著人們將加密貨幣的礦機(jī)設(shè)備部署到美國的西北太平洋地區(qū)和加拿大的魁北克地區(qū)[18,19]?，F(xiàn)在，美國的蒙大拿州米蘇拉縣已明確要求新的運(yùn)營者必須使用可再生能源[20]。盡管如此，用于加密貨幣開采的能源到底有多少是可再生能源的問題目前仍然是一個(gè)有爭議的話題[21]。

另一種控制加密貨幣網(wǎng)絡(luò)的能源消耗并改善其對環(huán)境影響的方法是改變它們的運(yùn)作方式。Bonneau說，這其中有不少想法。例如，比特幣和許多其他加密貨幣系統(tǒng)為了確定每筆交易的有效性，要求用戶達(dá)成共識(shí)，而這需要耗費(fèi)大量能源的“工作量證明”。瑞士洛桑市聯(lián)邦理工學(xué)院（Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne）的計(jì)算機(jī)科學(xué)家Rachid Guerraoui 2019年在arXiv上發(fā)表了上文提到的研究，研究建議加密貨幣網(wǎng)絡(luò)放棄所有用戶達(dá)成共識(shí)的確認(rèn)模式[3,4]。相反，他們提出了該網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)用戶確認(rèn)交易的新模式，該系統(tǒng)可以確保在同等安全性的基礎(chǔ)上大幅降低能源消耗。

但是同大多數(shù)試圖減少加密貨幣能源消耗的提案相同，這項(xiàng)計(jì)劃也仍未經(jīng)過驗(yàn)證。包括Dash和Peercoin在內(nèi)的幾種小型加密貨幣系統(tǒng)開始使用一種新的節(jié)能替代方案，該方案使用“權(quán)益證明”（proof of stake）而非“工作量證明”來確認(rèn)交易。該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)仍然依賴區(qū)塊鏈。但其確認(rèn)方式變?yōu)楦鶕?jù)用戶在系統(tǒng)之中的“股權(quán)”（即持有的加密貨幣數(shù)量）來選擇部分用戶以決定每筆交易是否被確認(rèn)，所以它們消耗的能量要少得多。

為了減少能源消耗，以太坊系統(tǒng)正在將其確認(rèn)方式由“工作量證明”轉(zhuǎn)換為“權(quán)益證明”[5]。而其他加密貨幣系統(tǒng)是否會(huì)效仿以太坊系統(tǒng)仍有待觀察。Rauchs表示，未經(jīng)用戶同意，比特幣和其他使用“工作量證明”的貨幣網(wǎng)絡(luò)無法做出更改，而這些網(wǎng)絡(luò)價(jià)值數(shù)千億美元，因此用戶是否愿意承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)尚不明確?！霸S多理論報(bào)告稱，‘權(quán)益證明’與‘工作量證明’一樣安全?！彼f，“但是‘權(quán)益證明’尚未經(jīng)過實(shí)踐考驗(yàn)，很可能無法保證與‘工作量證明’相同的安全性。”Bonneau表示同意并說，“仍然沒有一種行之有效的方法”可以在不消耗大量能源的情況下確保像比特幣這樣的去中心化區(qū)塊鏈的安全。他說：“我所說的‘行之有效’是指在現(xiàn)實(shí)世界中已經(jīng)證實(shí)使用‘權(quán)益證明’的比特幣具有與原來相同的安全性。”