淺談爲什么比特幣的工作量證明POW最高效最節能

發表於 2022-12-04 13:43 作者： Odaily星球日報

今天跟大家分享關於比特幣挖礦相關的見解和看法。提起比特幣挖礦，很多人就會想到比特幣是一個非常高能耗的系統，每天消耗大量的算力用在無用的哈希計算上，他們認爲電力不應該用在比特幣這種沒用的運算；還有一些競爭幣團隊希望能夠使用 POS 之類的替代性技術來消除比特幣挖礦所造成的能量浪費。

在所有的共識方案中，爲什么比特幣的工作量證明是最有效且最節能的共識達成方式呢？下面給大家分享。

工作量證明 POW 的來源  

爲什么需要挖礦？因爲比特幣是一個點對點的分布式網絡。在這樣的網絡裏大家應該聽誰的？應該怎樣達成一致的共性？這是非常困難的問題。爲此，比特幣的發明者（中本聰）創造了一種讓整個網絡達成統一共識的方案，該方案被稱爲工作量證明。

這裏簡單科普一下，要在整個系統中達成共識，就必須選舉出一個人或一個節點來發號施令，且這個人或節點必須向系統證明其付出了很大的勞動。爲了保證全網的安全穩定，你想發號施令就必須付出對應的勞動，即消耗相對應的能量，大家才認可你。因此整個系統只需要保證同時只有一個人可以發號施令，然後大家都跟隨其去行動，這樣就可以保證全網的穩定。

工作量證明 POW 的重要性  

爲什么比特幣系統只有選擇工作量證明才會穩定？我們可以通過一個物理學規律——「熵增定律」來發現一些端倪。什么是「熵增定律」？簡單定義就是一個封閉的系統，在沒有外力做功的情況下，內部總是會朝着混亂和無序的方向發展下去。這裏有兩個重點，一個是封閉系統，一個是沒有外力做功，如果這兩個條件都不滿足，那么它就不滿足「熵增定律」。

根據熵增定律，我們可以把事物分成兩類，一類是低熵的事物，一類是高熵的事物。低熵可以簡單理解爲具備一定的確定性，結構具備一定的穩定性，按常識來理解即幹淨、整潔、有序等。而高熵反之就是具備不確定性、混亂性、找不到規律可循等等。熵增定律有一定的數學本質，即低熵系統是小概率事件，高熵系統是大概率事件，因此隨着事物自然發展，系統會自發從低熵走向高熵。

這裏以日常生活例子來說明什么是熵增。以屋子爲例，一开始收拾得很整潔，往後如果不持續性收拾，屋子就會「自發」變得雜亂、無規律可循，這個就是典型的熵增案例。如果不對屋子這個系統進行做功，即不收拾屋子，那屋子就會「自發」向混亂去演變。換之而言，比特幣系統作爲一個支付系統，安全穩定是需要優先保證的，如果不對它持續做功，就會自發向着混亂和無序去演進。如比特幣系統出現雙花、錯誤的記账、盜幣等都是高熵的狀態。比特幣的挖礦就是從外部輸入能量，讓其達到維持低熵穩定的狀態。如果不對這個系統持續輸入能量，那么其最後會演變成一個混亂的系統。

再如銀行同樣作爲一個需要保持低熵狀態的支付系統，是如何保證低熵的安全和有序的狀態？銀行所消耗的能量遠大於比特幣挖礦機制所消耗的能量。爲什么一個安全穩定的支付系統需要消耗如此大的能量，具體在哪些方面呢？

首先銀行把總部裝修得金碧輝煌，是爲了把大量金錢投在建築物的沉沒成本中，向你證明銀行很有錢，你可以相信並把錢存進銀行。第二是在金錢的流轉和運輸上。銀行運輸現金需要配備大量警備人員、武裝運鈔車、各種各樣的安保措施來保證金錢的安全。這比普通的物流系統消耗更大的能量，但也正是這樣的消耗，才保證了金錢在運輸上的安全。第三是紙鈔的制造和防僞。紙鈔具有很高的科技含量，需要很多復雜的工序來保證紙鈔很難被僞造。在「防僞」上投入的大量科研經費，研發人員，以及大量制造所使用的設備，都是銀行系統在保證安全穩定所需投入的努力，即需要在裏面注入的能量。第四銀行內部爲了防止出現偷錢或內部人員作弊，以及內部人員貪腐之類的各種「高熵」的狀態，需要經常進行內部審計。這就需要專門的審計、監察人員對銀行的工作人員進行檢查，對他們的账戶進行審計。審計這些账目本身需要大量能量。而账目要求紙質材料保存多年，這也是能量的一種形式。銀行和法幣最終是由國家和軍隊以及機關做背書，是一個具有法定約束力的貨幣系統，這個「法定約束力」、軍隊、國家的公檢法系統等給銀行系統做背書的系統，也需要大量的能量去消耗。最後是銀行的系統。

作爲一個非常中心化的系統，銀行要保證數據是安全的，保證數據庫不被入侵。在這個系統裏要設立大量的監控、警報，要配備大量的安全人員、安全專家來對代碼進行審計，以及 24 小時的監控的去保證銀行的內部數據庫和內部的轉账系統是安全穩定的。

綜合來看，銀行在這些方面要投入大量的精力和努力，才能保證整個支付系統的低熵和穩定的狀態。如果以上能量消耗的地方缺少了一環，或者進行不足夠的能量投入，銀行的安全性就會大大下降，可能會出現「搶銀行」或者「假鈔」等各種混亂高熵的狀態。

工作量證明 POW 的高效性和節能性  

通過銀行的例子再看比特幣，比特幣唯一消耗能量的地方就是挖礦的過程，與銀行系統很大不同就是比特幣將「電能」直接消耗掉，來換系統低熵的狀態，沒有各種各樣的中間環節、邊界條件等等中間的消耗，從而大大提高能量的利用效率，因爲能量僅僅是爲了保證這個系統的穩定性。隨着系統參與的人越來越多，復雜性會愈發增加。想要維持復雜系統的穩定性，對應的能量就要慢慢增加，這也是爲什么算力一直在增長的原因。隨着採用比特幣的人越來越多，比特幣的生態越來越开放、復雜，對應而言爲了保證這個系統的穩定，能量消耗（即算力的消耗）也會越來越多。

比特幣的機制也導致它的信任成本非常低，我們不需要像信任銀行的金碧輝煌的大廳一樣，我們只需要信任比特幣背後的數字邏輯。比特幣在消耗能量的時候，更多是在消耗一些廢水廢電。比如在四川的山區、蒙古用不掉的火電站、新疆等這些產能過剩的地方去消耗電能。這也是對國家電力的一種更高效的使用，從某種角度來看是「再利用」了這些資源，讓這些資源能夠投入到一個全球人人可交換的網絡裏面。因此比特幣系統要比銀行的系統更爲節能。

除了從能量的角度來看，比特幣還有一個特別重要的特性來保證「低熵」，這就是它的开放性。上面熵增定律提到了「封閉系統」在沒有外力做功的情況下會自發地走向混亂，如果「封閉系統」這個條件不能滿足，它就不滿足熵增定律。比特幣是一個开放的系統，你去從事比特幣挖礦是不需要任何人的同意，也不需要任何人給你許可，每個人都可以參與進來，也可以離开和放棄這個系統。比特幣同時具備從內部進行淘汰，以及從外部吸引新的資源這兩種特性，所以它是一個开放的系統。开放的系統保持穩定性的過程比一個封閉的系統要容易得多。

爲什么 POW 比 POS 類更高效？  

很多競爭幣團隊嘗試「砍掉」比特幣的挖礦過程來保證支付系統的穩定性，這就是大家常說的「權益證明（POS）」和「代理權益證明（DPOS）」，很多公鏈系統都聲稱要採用這種權益證明方式，來避免比特幣浪費能量的過程。根據我們對基本規律的分析，基本規律是普適的，它並不只是對比特幣這個系統生效，它對任何的系統都是生效的。如果你砍掉比特幣把電能直接轉換爲低熵狀態的過程，那么你總得有其他的途徑給它做功，讓它產生一個低熵的狀態。以下分析一下 POS 這類幣種是如何保證低熵和穩定？和比特幣的工作量證明或者挖礦相比，POS 有什么劣勢？POS 爲什么沒有比特幣挖礦更加高效？

權益證明簡單來說就是一幣一票，就如公司股權的關系，持股比例越高，你在公司的話語權就越大；相同的在 POS 系統中你的持幣量越大，那么你在系統裏的作用就越大，或者說你的壟斷地位越高。POS 有一個理論背景，就是持幣量最高的人天生會保護這個系統，如果這個系統出現了任何的錯誤或者異常，實際上對持幣量高的人的損失最大。那么，在這樣一個系統裏面如何保證系統的安全穩定，是否需要消耗能量（當然需要），它需要消耗能量的地方在哪？

作爲一個投票系統，個人需要去拉票，比如像在 EOS 裏選舉 21 個超級節點，需要去各地遊說拉票和宣傳，這就需要消耗大量的能量，同時用戶投票也會消耗能量。很多用戶甚至不知道怎么去操作投票，哪怕是持有 EOS 的用戶，都很難參與到這個投票的過程中，所以最後變成寡頭之間互相代投，以及交易所壟斷大量的幣，佔據大量的選票等等。還有類似於「賄選」、「「委員會」決策，這些能量損耗可能不比比特幣「燒電」的能量消耗低。如委員會成員要聚在一起，就需要坐飛機，而這個過程所消耗的能量也算在維持系統穩定裏。

因此，這個系統並不是說它不消耗能量，不挖礦不代表不消耗能量，只不過它並不像比特幣這樣簡單、高效直接把電能轉換成穩定性形式，它是用「人治」代表了「法制」。所以說 POS 並非不消耗能量，和比特幣不一樣的是它把能量以另一種的形式消耗掉。比特幣是直接消耗的電能，而它消耗的更多的是人力成本、交通成本、信任成本等等，沒有比特幣這種能量轉換爲穩定性來的更加直接。如果中間過程和狀態太多，能量損失就更大。

實際上，比特幣 POW 所建立的系統，直接匹配了復雜度和維持穩定所需要的能量，平衡了所消耗掉的能量，它用比較精妙的挖礦市場機制來保持這個平衡性，而 POS 就很難達到系統復雜度和所需輸入能量的平衡。因此 POS 更像是「計劃經濟」，而 POW 則是某種形式上的「市場經濟」。POS 要達成 POW 相同的穩定性，要消耗更大的能量。因爲「人」所產生的浪費遠遠大於直接將電能轉換成穩定性形式的。當 POS 系統的能量和所需要的穩定性不匹配，就會產生各種各樣「不穩定」的現象，即「亂象」。

這裏列舉一些在 POS 系統裏比較常見的「亂象」。首先是它的开放性比較差，它的准入門檻很高。如你要擁有這個網絡 50 ％的控制力，你需要擁有這個系統 50 ％的代幣，可能你买遍了所有的交易所和市場，都很難湊齊 50 ％。隨着你买的過程，可能會推高價格，導致你越來越難买到，成本也越來越高，達到 50 ％所需要付出的成本是非常巨大的。而比特幣要達到 50 ％的控制力就容易很多，你只需要購买算力。因爲算力和「幣」是兩個隔離的系統，你不需要持幣人同意你就可以去湊夠 50 ％的算力。隨着時間的增長，算力的價格會一直下降，只要愿意投入，那么一定可以達到你想要的效果。因此 POS 系統的开放性比 POW 要差很多。根據熵增定律，一個封閉的系統更容易形成混亂和無序的狀態。POS 從天生的角度來講，就比 POW 更容易暴露在混亂的風險之中。

這裏通過兩個 POS 常見的攻擊例子來說明，當 POS 系統的能量輸入不足以支撐穩定性的時候會產生怎樣的亂象？其中第一個被稱爲「Nothing At Stake"攻擊，中文叫做」權益粉碎攻擊「或者」無權益攻擊「。POS 系統可以在不同的分叉上」挖礦「，而 POW 系統只能從一個分叉上挖礦。POS 在不同的分叉上挖礦導致了一些人可以以很少的權益比例去影響整個系統。比如有 99 ％的人在兩個分叉上都投了票，而只有 1 ％的人沒有投票，那這 1 ％的算力就可以決定 99 ％算力的走向，這就是所謂的」無權益攻擊「。這裏只是簡單的說明一下它可能帶來的風險，就是只需要掌握 1 ％的票數就可能去影響整個系統的走向，或者 1 ％的權益就可以分叉整個網路。那 POS 系統怎樣去防範這種」無利害攻擊「呢？其實能做的並不多，只能通過」質押「等手段來懲罰進行」nothing at stake" 攻擊的幣。通過經濟手段來避免攻擊的產生，同時也增加了這個系統的復雜度，讓這個系統達成穩定就更加困難，要付出的能量和代價更多。

另外一種被攻擊的方式被稱爲長程攻「Long Range Attack」。這種攻擊方法就從 0 开始，從第一個創世區塊开始，重新造一條新的鏈，比原來的鏈更長，修改掉其中部分的交易，或者篡改裏面一部分信息，這樣對於新加入這個網絡節點來說，它沒有辦法區分真正的主鏈和被篡改過的主鏈。因爲它們從理論上來講都是合法的，這就造成一部分的網絡會產生分離，一部份新的加入節點會被鏈接到惡意的節點上，造成這個網絡整個的混亂。

對於 POS 系統不得不提到的一個問題，就是它的「通脹性」，爲什么它要通脹呢？因爲它沒有辦法直接滿足能量的消耗，在沒有辦法滿足能量消耗的情況下它需要變相的向其中補充能量，而通脹就是補充能量的一種方法。通過多發行貨幣可以有效降低所有持幣人所持幣的價值，通過降低價值所對應的能量來維持系統的穩定性。所以通脹是 POS 幣中很難避免的一個坎。我們看到的 POS 幣種基本上都帶有「通脹」的特性。

總結  

通過對銀行和 POS 系統的分析可以得出這樣的結論：想達到和比特幣相同的安全性和穩定性，那其他的解決方案一定要付出更大的能量，會浪費更大的能源，沒有比特幣來得高效。如果試圖要繞過比特幣的挖礦機制，試圖繞過直接的能量輸入，則會帶來各種各樣的安全問題和不穩定性，從 POS 上可以看到這一點。因此，POW 是最公平、最高效、最節能的達成共識的方案，因爲它將電能直接地、沒有任何損耗地轉換成整個系統的穩定性，沒有損耗地降低了整個系統的「熵」。

最後我想探討一個非常有趣的話題，就是關於「生命」的話題。薛定諤提出過一個理論，就是「薛定諤的貓」：什么是生命？以負熵爲食就是生命（或「生命以負熵爲食」）。一種能夠從外部獲得能量來保持其內部穩定性的物體被稱爲生命。從這個角度來看，比特幣和 POW 系統源源不斷地從外部獲得能量，在變得越來越復雜的情況下，還能保持超高的穩定性，所以，比特幣是不是生命的一種呢？

原文來源：Scaling Labs

來源：星球日報

標題：淺談爲什么比特幣的工作量證明POW最高效最節能

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