第1-5部分原作者：村头二旧

第6部分作者：群蜂社 蔡聪

本文主要讲解“矿业”相关知识。比特币挖矿是矿业生态中规模最大最主要的一种。比特币（BitCoin 或者 BTC）的矿业和交易所目前被认为是区块链行业鄙视链的顶端。通过本文将比特币矿业的相关知识，全部打通，直接了解这个神秘封闭的行业。

1. 矿业基本逻辑：电子鸡下的虚拟币

我们每个人都在日常生活中吃过鸡蛋，也很可能见过母鸡，母鸡会下蛋，这个大家都能理解。

想象一下，如果母鸡会下金蛋，市场会变成怎样？

首先，有人买金蛋，直接在市场上去卖金子，这是二级市场交易，发生在交易所。有了差价也可以赚钱，然后会有人想，我可以养母鸡，然后让母鸡下蛋，这样就可以拿着金蛋去卖，成本可以降低。从买卖金子的纯粹交易，变成了生产金子，然后卖出金子，这就是制造业了。生产然后销售。

这金蛋就现在替换成比特币，这母鸡就是矿机，世界上有养鸡场，所以世界上会有矿场，这样便于管理，而对母鸡下蛋效率的追求，不断培育更快更强的战斗鸡的过程就是矿机的迭代升级，比特币挖矿就是电子鸡下的虚拟币，虚拟币当然还可以叫做数字货币或者加密货币，这里特指比特币。叫什么不重要。各位矿工和矿场主，本质和养鸡场老板的生意模式是一样的。

当然，母鸡下蛋的能力随着新一代母鸡的培育出现，慢慢显得不够快。于是，您把母鸡（也就是矿机）从厂里拉出来卖给别人，这就是二手矿机市场。

而那些培育更优秀的算力更大的矿机的公司，本质和培育更优秀的下蛋母鸡品种的公司一样，这里面最近上市的有嘉楠耘智公司，目前头部的矿机是蚂蚁矿机（比特大陆）和神马矿机（比特微）。

矿机托管就是我买了母鸡，但是数量不是特别多或者我实在觉得管理起来比较麻烦，所以我就去找有场地的老板，谈一下，你帮我托管我的鸡，我给你托管费，这样我省心省力。

那么，云算力更好理解，我到云算力的平台（他们有养鸡场有鸡，或者能联系上这类资源），说了我买100只鸡的下蛋能力（算力），这样，我可以买一个月，一个季度，一年的协议合同，下的蛋卖掉，平台扣完费用，剩下的就是我赚的钱。

当然还有最后一个概念，叫做矿池。矿池的描述，涉及到挖矿的具体过程，也就是矿机工作原理，我们下一部分会再次提到矿池概念。在此简单描述。

一台台比特币矿机在挖矿的过程，好像一群老母鸡都在努力下金蛋（或者叫解答数学题的过程也就是矿机挖矿的过程），只要一只母鸡下了蛋大叫一声“我已经下蛋了”广播出去（也就是找到正确答案会广播到网络上），这所有的鸡都停止本次下蛋过程（在确认完人家确实下蛋了，确实已经率先解决问题了）。准备下一次下蛋的过程，所以有可能单台矿机或几台矿机挖一年一个区块也挖不出来，就是纯粹花电费赔钱，所以，有人就想招了，干脆聚合算力，一起去挖，比如1万台矿机，一段时间挖出来10000个btc，扣点手续费，那么，每台基本上能分1个比特币，大家也愿意干。所以目前比特币矿机矿场都会接入矿池。

以上的描述，母鸡、养鸡场、下蛋能力就对应了矿机、矿场和算力。同时，类比延伸出，二手矿机市场，矿机公司，矿池，云算力的概念，相信大家看到这里对整个矿业的生态和商业模式已经基本明白了。全世界70%的矿池集中在中国，而中国70%的矿池集中在四川，原因是四川的低价水电资源丰富。而应用拥有丰富的天然气电力资源俄罗斯和乌克兰也是矿池大国。

2. 为什么会有人挖矿？为什么不直接买币？

任何商品都有一个源头，2009年1月3日开始中本聪挖出来第一个区块，那时候世界上才有了比特币，比特币挖矿成本如果高于二级市场价格，很可能大多数矿工会选择关机，影响整个网络。

大多数时候比特币挖矿的成本比二级市场低，直接养母鸡下一个蛋，卖一个，用来交饲料食物（也就是矿机对应的电费等，电费是大头儿），只要销售额大于电费的消耗，这就是赚钱的事儿，然后过段时间，赚的钱超过了当时买机器的钱（这段时间叫做机器的回本周期），就可以买更多的机器，扩大规模继续生产——这是制造业的基本逻辑。

所以，币圈很多人不了解矿圈，很正常，币圈是金融逻辑矿圈是制造业逻辑，本身相差甚远，大矿主大多数对炒币不感兴趣，多数时候也无所谓涨跌，因为涨跌对他来只是短时间内的利润多少而已，币圈很多人也对矿机不甚了解，因为矿机需要的是生产规模、重金投入以及硬件知识。

3. 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，2020年五六月份会减半成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2,100万个，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1,050万个，也就是一半，然后第二个四年，挖出来是1,050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1,700或者1,800万个，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。

引用上一部分养鸡场逻辑，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。

4. 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，直到满足条件。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。

5. 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。

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，差不多4年，比特币首次减半。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，母公司就是嘉楠科技（CAN.O），2019年11月上市，2020年2月10日，市值7亿美元。从嘉楠科技的股价走势来看，比特币挖矿这个生意并不为市场所看好。

数据来源：Wind @2020年2月10日

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%+。

6. 挖矿成本收益的核算

算力

顾名思义算力就是“计算能力”，就是计算的速度，再具体讲对于比特币挖矿就是解SHA256函数的速度。也叫做Hash rate， 单位是H/s 或者 hash/s，表示每秒钟做的SHA256函数计算的次数。1 hash/s 就是一次SHA256函数计算。前面我们不是说过，比特币挖矿过程其实就是不断用数字去碰，找到那个正确的数字的过程。其实就是一种最笨的方法（当然除了这方法也没有什么别的方法），一个一个试，碰运气，直到你找到为止。谁的挖矿机计算速度快，谁就越有可能建立区块或者BTC的奖励。

截至2020年1月10日，整个比特币网络所有机器的算力是：110.19 EH/s。

数据来源：BTC.com @ 2020年2月10日

这是各个层级单位的关系：

1EH/s = 1024 PH/s;

1PH/s = 1024 TH/s;

1TH/s= 1024 GH/s;

1GH/s = 1024 MH/s;

1MH/s = 1024 KH/s;

1KH= 1024 H/s。

而矿机的算力也一样用这个指标衡量。

下面这种图横轴是区块的编号，最晚产生的区块编号越大。目前比特币的区块链上已经产生了61.5万个块。全网的算力，从2017年开始快速增长，在2018年10月快速回调与2018年比特币的暴跌直接相关，2019年重新迅猛增长2019年9月进入一个平稳期，最近几个月又重拾涨势。

数据来源：BTC.com 制图：群蜂社

例如，以蚂蚁矿机S17 Pro的挖矿方案为例，算力就是 53TH/s。 每秒钟可以做53* 1024 *1024* 1024次哈希函数的运算。

平均出块时间

平均出块时间，就是在比特币的区块链上，新增一个区块所需要的时间。下面是比特币自诞生以来，平均出块时间大约在10分钟，相当比较稳定。

每区块奖赏的比特币

2009年1月3号开始，一个区块奖励是50个BTC；4年后2013年，减半成为25个BTC；2017年减半为12.5个BTC，目前处于这个阶段。而2020年大概在五月，再减一半，每一个区块奖励6.25个BTC。这个变化会很大的影响挖矿的收益。

矿机的功率

挖矿要投入的一次性成本为矿机购买的价格，而挖矿的主要变动成本为电费。而电费的消耗量取决于矿机的功率。我们中学物理学过，电气功率的单位为：瓦特W。以上面的蚂蚁矿机S17为例，功率为2.1KW。众所周知一度电就是1KW*H，即1KW功率的机器运作1小时。所以，这台矿机，一小时要耗2.1度电。我们家电中，达到1KW的电器一般是电饭煲、电磁炉、电热水器，微波炉，电烤箱，空调。这些电器基本上都不会持续开着。而持续的电器，例如电冰箱，电视机，电脑大概就两三百瓦。所以，可想而知，专用的矿机需要一直持续的开，是名副其实的电老虎。

电费

既然专用挖矿的矿机是电老虎，那么电力资源和电力取得的成本，对挖矿收益来说就相当的关键。每个矿工取得电费的成本相差比较大，有的是0.2元一度电，有的是0.38元一度电。只从价格来看，火电水电不同，不同的时间段也不同。我们家庭用电一般是0.68元一度。用这个价格的电去挖矿几乎无利可图。

矿机的功耗比

顾名思义，这是矿机的算力和耗电相比的一个指标，用于对比不同矿机之间的效益。例如，上述的S17 Pro矿机，功耗比为 2100W / (53TH/s)= 39.62 W*s /TH。 而1焦耳(J)=1瓦特×秒(W·s)，所以用焦耳来表示，就是 39.62 J/Th。

挖矿收入

挖矿并没有技术含量，大家都在做一个碰运气的活。如果你只有一台矿机在独立的挖矿，那么你可能运气很差挖不到比特币，但是如果你加入一个巨大的矿池，共同出力去挖，而这个矿池中的矿机挖到了都作为矿池集体奖励，再按照每台矿机贡献的比例去分配集体，那么对每一台矿机来说其获得比特币的概率是比较恒定的，非常容易计算。

比特币每10分钟出一个区块，也是一个比较恒定的值，每个区块奖励多少比特币，这是算法已经设定好的。一台矿机能够获得多少收益取决于其算力占全网整体算力的比例。

例如，以上述蚂蚁ST矿机为例，其算力为53Th/s。占全网算力110Eh/s的 4.58* 10^(-7)。一天全网产生可以获得的比特币数量：12.5 个比特币/10分钟 * 60分钟/小时 * 24 小时/天 = 1,800个BTC。 按照算力比例，一台矿机可以分到0.0008257个BTC。 按照2020年2月10日 的比特币的市价：68,789人民币/BTC，获得56.8元的收益。

挖矿成本

挖矿成本主要就是电费。例如，以上述蚂蚁ST矿机为例，我们计算消耗的电费非常容易。2.1KW。开一天，每度电为0.38元/度，就是2.1KW * 24h*0.38元/度 = 19.15元。

挖矿利润

一台矿机一天可以获得37.64元的收益。投资了多少台，开机多少天，很容易就可以计算出来。当然可能还需要考虑一个故障率，例如我们预计是2%，那么平均每台矿机收益就是36.8872。

矿机回本周期

有了一台机器的挖矿收益后，我们用矿机的成本13,500元除以每天获得的收益36.8872，就计算出来回本天数365天。刚好一年。

挖矿真的是一门好生意吗？

计算的原理很简单。一讲就明白。从上面计算挖矿回本周期是365天！而且现在还有众多的云挖矿服务平台，提供一站式的服务，完全没有门槛就可以轻松的挖矿。1年回本的生意，哪里找啊？这绝对是一个好生意！真的吗？恐怕还不能这样分析，因为比特币的算力、比特币的价格、区块的奖励都在动态的发生改变。需要建立一个时间维度的动态的预测模型，才能精准的计算收益率。究竟是否值得投资挖矿，我们另外再撰文探讨，也欢迎加入群蜂社与我们探索各个领域的机会。

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