科普 | 比特币矿业三篇之密码学原理、硬件知识和发展简史

作者：村头二旧

上一篇用养鸡场的商业模式类比比特币矿场，引出矿机公司、矿场、矿池、矿机托管、二手矿机市场、云算力、算力等比特币矿业全生态的基本图景。今天是矿业三篇中的第二篇，主要描述一下，比特币的数学原理，密码学和硬件知识，以及比特币矿机的发展简史。

继续延续通俗易懂的简化形式去描述这样一个过程。

比特币为什么2100万个？

抛开设计者的经济学构思，直接说数学构思，2009年1月3号开始，约十分钟一个区块，一个区块奖励是50个btc，4年后减半成为25个btc，再过4年继续减半，以此类推。

目前处于第三个阶段，也就是打包区块奖励是12.5个，明年会减半成6.25个。

用数学公式去算。

一小时有6个十分钟，一天24小时，一年365天，四年减半。一直减半，也就是后面是个等比数列。

比特币总量=50 x 6x 24 x 365 x 4 x (1+1/2+1/4+1/8+……+1/2^n)

以上等式就是约等于2100万个，其中，(1+1/2+1/4+1/8+……+1/2^n)是一个等比数列，数学上等于2.

也可以看出来，比特币前四年，挖出来的数量是1050万个，也就是一半，然后第二个四年，挖出来是1050的一半，也就是525万，第三个四年周期是525万的一半，也就是262.5万。现在处于第三个周期的末尾（2020年五六月份减半），所以很多新闻说现在比特币的“流通量”为1700或者1800万个，可以用计算器加一下，就是这个数字，只是有几百万个或许已经永久丢失，流通量大大低于产出。

备注：挖矿的奖励实际上有两部分，一部分是区块奖励，另一部分是在这大概十分钟内全网发生的比特币交易费。后者占比极小，在目前阶段收益计算中可以忽略不计。

引用上一篇养鸡场逻辑，母鸡下金蛋，但是有些金蛋弄丢了，所以，流通总量低于产出量。

简单提一句，经济学模型，这个就是通缩模型，在经济学模型中并没有大的创新。中本聪（这个人或者这个组织）有没有诺贝尔奖级别的贡献，和这个通缩模型并没有什么关系。因为是个极简单（也比较简陋）的经济模型。历史上没有一个国家采用这种模型去获得经济繁荣。本文只讲数学模型。

比特币挖矿的过程是什么？密码学原理是什么？

简单来说：解开一个数学难题，然后广播出去，得到验证后，获得区块奖励。别的矿机收到信息后，放弃解这个数学难题，去算下一个数学难题，争取区块奖励。以此类推。

具体一些，这里接这个数学难题就是用到了一个密码学知识：单向散列函数

单向散列函数，又叫哈希函数，比特币中的哈希函数是SHA256.

之前写了很多篇关于密码学的文章，可以参考（《比特币中的密码学：哈希函数的五大特性和挖矿原理》），在此也简单讲述。

SHA256 是一种哈希函数，SHA(信息)=256位的二进制数字，输入任何信息，可以是一本《红楼梦》可以是一个字等等，都可以快速得到这256位二进制。改一点点输入信息，结果就相差很多，而且，从结果信息无法反推输入信息。

对于二进制来说，前面的0越多，这个数字越小，如果范围是小于等于这个数，意味着二进制数位上，前面的0越多，这个范围越窄，猜出来输入值的难度越高。

SHA256（SHA256（信息+x））小于等于目标值（target）。

用矿机去找或者说去猜x，知道满足条件。这就是挖矿。

公式中的信息是区块头信息，包含version，pre_hash，merkle root，ntime，nbits等等信息，随着区块高度的改变和时间的变化而改变，去猜的这个x数值也可以写成nonce，写成什么不重要，不影响理解比特币挖矿，大概知道有这会事儿就行了。

挖矿过程运用的只是单向散列函数的特性，公钥加密、签名、验证等概念，不要纠结，这个解题过程用不着。

如果依然没有看明白，请忽略以上单向散列函数的描述，简单粗暴的理解为，解一个数学题。而且解这个数学题只能靠猜，没有合理的运算方法去解这个题。

硬件知识和矿机发展简史

做这个数学难题刚开始由CPU来做，然后是GPU显卡挖矿，然后是FPGA，然后是现在的主流比特币挖矿的ASIC芯片矿机。

CPU能处理复杂问题，但是这个解题过程不需要那么复杂的头脑，使劲猜就好了。于是用GPU 并行运算等相关特性比较好，最著名的公司是英伟达（NVIDIA）和AMD公司，在矿圈，前者被称为N卡，后者被称为A卡。

GPU有耗电和其他缺点，于是用FPGA，深圳有家很牛的无人机企业叫大疆科技，背后用的就是FPGA。GPU和FPGA在人工智能领域有很多应用（知识扩展，和今天主题无关）。

FPGA 就是现场可编程门阵列（再次提醒：所有听不懂的概念，不要纠结，直接跳过），就是说白了，好编程，好调整。但是呢，功能相对还是太多了。我只是要一个能够把元宵装进盒子的人，不需要一个大学生博士生，继续简化，出现了ASIC芯片。

“我只需要一双手,而你却给了我一个人”——亨利·福特

现在AISC本质上就是简化后的产物，只剩下一双手，只解决这一个函数问题。

和CPU对比，CPU是一个博士生和产线工人比赛谁能把元宵装到盒子里装得快，由于优秀的集成，变成了一个博士生和十个一百个产线工人比赛谁装元宵装得快。结果可想而知，于是，现在比特币挖矿，只用ASIC芯片矿机。

矿机发展的逻辑以上已经讲完了，历史部分简述如下：

2009年1月3号，中本聪用CPU挖矿；2010年9月就有了GPU挖矿，2011年有了FPGA，2012年8月烤猫fried cat 众筹搞ASIC矿机，那时间开始世界矿业向中国倾斜，2012年11月，btc首次减半，差不多四年了从2009年。2013年年初，烤猫继续干。阿瓦隆ASIC矿机弄出来了，也是中国最早的一批ASIC矿机，母公司就是嘉楠耘智，最近上市纳斯达克股价大跌的那个公司。

2013年年底的大阳线，很多第一代同学入场，中国两次大规模矿工出现和炒币的人出现第一次就是2013年，第二次就是2017年。一根大阳线，千军万马来相见，说的就是这个意思。2014年之后的历史，就很容易在网上查到了。烤猫2015年1月份就失踪了，神秘失踪，这个具体为啥失踪，是被人谋害了，是穿越了被外星人带走了，还是因为矿机慢慢地不够好了，人家跑路了，我们不关心这些内容，这不是八卦类文章。烤猫同志为比特币挖矿做出大贡献，在此向烤猫同志致敬。

之后的故事大家都知道了，比特大陆崛起，在2017年2018年占了全球市场80%以上，过去一年数据的话，大概比特大陆的矿机蚂蚁矿机占60%多，神马矿机占20%+。这里面的恩怨纠葛和具体市场比例，感兴趣自己查吧。

本文讲了三块内容：比特币的挖矿基本原理，挖矿硬件相关的浅显知识，以及矿机发展的简史。

结合矿业三篇的第一篇和第二篇就可以了解整个比特币矿业的全景图，下一篇是关于算力、云算力、电费、回本周期、利润核算等内容，一堆运算公式会出现，放心，有个手机计算器就可以了。敬请期待。

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