你很可能會聽到“比特幣挖礦”一詞，然后你的腦海中就開始想象拿著鏟子的礦工，在泥土中挖掘金子的場景。

事實證明，這樣的比喻距離還不算貼切，比特幣的挖掘遠沒有那么迷人，但同樣具有不確定性，它是由解決復(fù)雜的計算數(shù)學(xué)問題的高性能計算機執(zhí)行的（也就是說，過程很復(fù)雜以至于無法手動解決）。
解決這些問題的計算機，所需要的是運氣和計算力（工作量），這與礦工在地下挖沙時的效果是等效的。
在撰寫本文時，計算機解決這些問題中的一個的概率約為13萬億分之一，但隨著時間推移以后難度會更大。

“比特幣挖礦”的了解

首先，當計算機在比特幣網(wǎng)絡(luò)上解決這些復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題時，它們會產(chǎn)生新的比特幣，這與采礦作業(yè)從地面提取黃金的過程一樣。
其次，通過解決計算數(shù)學(xué)問題，比特幣礦工通過驗證其交易信息，使比特幣支付網(wǎng)絡(luò)變得值得信賴和安全。

所有這些都將可能變得非常有意義，為了更詳細地解釋比特幣挖礦的工作原理，讓我們從一個更接近生活的角度開始：對印刷貨幣的監(jiān)管。

通常，消費者傾向于信任印刷貨幣。這是因為法定紙幣是由中央銀行發(fā)行支持，其背后是有政府的公信力作為支撐背書的。
甚至使用支付寶、微信等數(shù)字支付也是得到了中央機構(gòu)的支持。例如，當你使用微信支付或支付寶支付進行在線購物時，該交易將由騰訊或阿里巴巴等公司處理。
除了記錄你的交易歷史記錄之外，這些公司還核實交易有沒有欺詐行為，這也是你的賬戶在從事違法行為時可能被暫停凍結(jié)的原因之一。

另一方面，比特幣不受中央機構(gòu)監(jiān)管，但比特幣得到了全球數(shù)百萬臺稱為“節(jié)點”的計算機的支持。
該比特幣網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行著與中國央行，騰訊和阿里巴巴相同的功能，但有一些主要區(qū)別。
節(jié)點存儲所有先前交易的信息，并幫助驗證其真實性。但是，與那些中央機構(gòu)不同，比特幣節(jié)點分布在世界各地，并將交易數(shù)據(jù)記錄在公共列表中，任何人，都可以訪問。

在商店或在線進行的交易由銀行，銷售點系統(tǒng)和實物收據(jù)記錄。當有人向任何地方發(fā)送比特幣時，我們稱之為“交易”。
在沒有這些機構(gòu)的情況下，比特幣礦工通過以“塊”形式將交易集中在一起并將其添加到稱為“區(qū)塊鏈”的公共記錄中來達到相同的效果。
然后，節(jié)點維護這些塊的記錄，以便將來可以對其進行驗證。

當比特幣礦工向區(qū)塊鏈添加新的交易塊時，他們的工作之一就是確保這些交易是準確的。
特別是，比特幣礦工需要確保比特幣不會被復(fù)制，這是一種獨特的數(shù)字貨幣特點，被稱為“雙重支付”或者“雙花”。
對于印刷貨幣，偽造始終是一個問題，但是通常，一旦您在商店中花費20元，該賬單就由店員掌握，不存在“雙花”問題。
但是，對于數(shù)字貨幣，情況就大不一樣了。數(shù)字信息可以相對輕松地進行復(fù)制，因此，使用比特幣和其他數(shù)字貨幣，存在這樣的風(fēng)險，即消費者可以復(fù)制自己的比特幣，然后將其發(fā)送給另一方，同時仍然保留原始信息。
讓我們假設(shè)用的是印制貨幣，也就是說有人試圖復(fù)制自己的20元鈔票，為了能夠在雜貨店里同時消費原始貨幣和偽造的貨幣（即40元）。

如果店員知道客戶在重復(fù)付款，他們所要做的就是查看賬單中鈔票序列號。如果數(shù)字相同，那么業(yè)務(wù)員就會知道錢已經(jīng)被重復(fù)使用了。這個類比類似于比特幣礦工在驗證新交易時所做的事情。
如果有人要成功地雙倍花費其比特幣，他們將需要占據(jù)網(wǎng)絡(luò)中51％的采礦能力。隨著比特幣的增長，要實現(xiàn)這一目的越來越困難。

礦工與挖礦獎勵

一天中會發(fā)生多達500,000筆買賣，因此，驗證每筆交易對于礦工而言可能是一件繁重的工作，這里的比特幣礦工與微信，支付寶之間存在另一個重要區(qū)別。
作為對他們努力的補償，每當?shù)V工向區(qū)塊鏈添加新的交易塊時，他們都將獲得比特幣，也被成為比特幣的“挖礦獎勵”，以此來激勵網(wǎng)絡(luò)中的礦工持續(xù)維護網(wǎng)絡(luò)交易的正常記錄。

大約每隔四年，區(qū)塊獎勵會減半一次，即每產(chǎn)生210,000個區(qū)塊左右。
2009年獎勵為50個BTC，2013年為25個BTC，2018年為12.5個BTC，到2020年為6.25個BTC。比特幣于2020年5月11日完成其第三次挖礦獎勵減半。

從那時起，大約需要經(jīng)歷1458天，會進行下一次減半，即每個新區(qū)塊僅能開采3.125比特幣，作為挖礦獎勵。該系統(tǒng)將持續(xù)到2140年左右，所有比特幣將被挖出。
屆時，礦工只能獲得交易費用作為獎勵。這些費用確保了礦工仍然有動力進行交易打包并保持網(wǎng)絡(luò)運轉(zhuǎn)。
個人認為，對交易費用的競爭將使它們在減半后仍然保持較低的水平。

挖礦如何運作？

為了使比特幣礦工能夠從驗證交易中實際賺取比特幣，必須發(fā)生兩件事。
首先，他們必須驗證價值1兆字節(jié)（MB）的事務(wù)，理論上該事務(wù)可以小到只有1個事務(wù)，但通常有幾千個，具體取決于每個事務(wù)存儲的數(shù)據(jù)量。其次，為了向區(qū)塊鏈添加交易塊，礦工必須計算解決一個復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題，也稱為“工作量證明”。

他們實際上正在嘗試尋找一個小于或等于目標哈希的64位十六進制數(shù)字。
基本上，礦工的計算機會根據(jù)單位每秒散列數(shù)（MH/s），每秒千兆位散列（GH/s）或什至每秒兆兆散列（TH/s）的速度去尋找符合條件的值，猜測所有可能的“哈希”直到找到解決方案為止。

換句話說，這是一場猜大小的賭博。

在撰寫本文時，最新區(qū)塊的難度級別超過13萬億。也就是說，計算機產(chǎn)生低于目標的哈希值的機會是13萬億分之一。從一個角度來看，與嘗試一次就正確命中哈希值相比，單張彩票獲獎的可能性高出約44,500倍。
幸運的是，專用挖礦計算機系統(tǒng)單位時間內(nèi)獲得哈希值的數(shù)量是巨大的。盡管如此，挖掘比特幣還是需要大量的電力和復(fù)雜的計算設(shè)備，而且以后還會需要更多。難度級別會每2016個區(qū)塊或大約每2周調(diào)整一次，以保持采礦速率恒定為目標。
也就是說，有更多的礦工競爭解決方案，那么計算的問題將變得更加困難，反之亦然。

一個有用的類比解釋，假如我現(xiàn)在是一個五歲的孩子：“我告訴三個朋友我腦中想到一個1到100之間的數(shù)字，
然后將該數(shù)字寫在了紙上并將其密封在信封中。我的朋友們不必猜測出確切的數(shù)字，他們只需要有人能夠猜測出一個數(shù)字小于或等于我寫在紙上的數(shù)字，這個人就將獲得獎勵，而且不限制猜測的次數(shù)，他們可以一直嘗試（即挖礦）直到有人成功。

比方說，我想了一個數(shù)字19。如果朋友A猜21，他們就輸了，因為21>19。如果朋友B猜16，而朋友C猜12，那么理論上他們都得出了可行的答案，因為16<19并且12<19。即使B的答案更接近目標答案19，但也不會多給B額外的獎勵。現(xiàn)在想像一下，我提出了'猜我在想什么數(shù)字'這個問題，但是我不是在問三個朋友，也不是在問一個介于1到100之間的數(shù)字。
相反，我是在問數(shù)百萬個的比特幣礦工，我在找一個64位的十六進制數(shù)字，這個數(shù)字是上一個區(qū)塊的計算結(jié)果+隨機數(shù)后進行哈希計算且符合以17個0開頭，比如說小于
0000000000000000057fcc708cf0130d95e27c5819203e9f967ac56e4df598ee的值。
現(xiàn)在你會發(fā)現(xiàn)這很難猜測正確的答案，必須大量設(shè)備的嘗試計算才可能找到，如果是找18個0開頭的值那么難度就會更大了。

礦工之間的競爭

如果說計算正確結(jié)果概率是13萬億分之一聽起來不那么困難，那么更困難的是比特幣礦工不僅必須提出正確的哈希，而且還必須是第一個這樣做的人。因為比特幣的挖掘本質(zhì)上是猜測，所以說一位礦工找到正確的答案幾乎與計算機產(chǎn)生哈希的速度有關(guān)（即單位時間內(nèi)嘗試的次數(shù)）。
就在十年前，比特幣的挖礦還可以在普通臺式計算機上進行。但是，隨著時間的流逝，礦工們意識到視頻游戲中常用的圖形顯卡GPU對挖礦更加有效。

2013年，比特幣礦工開始使用專門設(shè)計用于盡可能高效地開采加密貨幣的計算機，稱為專用集成電路（ASIC）。這些礦機可以從數(shù)千元到數(shù)萬元不等，但它們在開采比特幣方面的效率更高。

如今，比特幣挖礦競爭如此激烈，以至于只有使用最新的ASIC才能盈利。使用臺式計算機，GPU或較舊型號的ASIC時，能耗成本實際上超過了產(chǎn)生的收入。即使擁有最新的設(shè)備，一臺計算機也很少能與眾多礦工所組成的“礦池”競爭。一個采礦池是一組礦工，結(jié)合自己的計算能力組成的，最后按照算力比例分配獲得的獎勵。

現(xiàn)狀是，擁有大量礦池的公司在比特幣的計算中占有很大的比例，比如中國的比特大陸。

比特幣擴容之爭

在13萬億分之1的概率下，在難度級別遞增以及龐大的用戶驗證交易網(wǎng)絡(luò)中，大約每大約10分鐘驗證一次交易。比特幣網(wǎng)絡(luò)每秒可處理約7筆交易，每10分鐘將交易記錄在區(qū)塊鏈中一次。
相比之下，Visa每秒可以處理約24,000筆交易。但是，隨著比特幣用戶網(wǎng)絡(luò)的不斷增長，在10分鐘內(nèi)完成的交易數(shù)量最終將超過10分鐘內(nèi)可以處理的交易數(shù)量。
屆時，除非更改比特幣協(xié)議，否則等待交易的時間將開始并持續(xù)更長的時間。

比特幣協(xié)議的核心問題稱在于“擴展容量”。盡管比特幣礦工普遍同意必須采取一些措施來解決規(guī)模擴張問題，但人們卻很少達成共識。提出了兩種主要解決方案來解決縮放問題。
社區(qū)的開發(fā)人員提出了不同的建議：

（1）為比特幣創(chuàng)建第二個“離線”層，以允許更快的交易，之后再被區(qū)塊鏈驗證。
（2）增加每個區(qū)塊可以存儲的交易數(shù)量。

解決方案1減少了每個區(qū)塊要驗證的數(shù)據(jù)量，將使礦工的交易更快，更便宜。解決方案2將通過允許增加塊大小每10分鐘處理更多信息來達到擴展效果。

2017年7月，代表比特幣網(wǎng)絡(luò)計算能力約80％至90％的比特幣礦工和采礦公司投票決定合并一項程序，該程序?qū)p少驗證每個區(qū)塊所需的數(shù)據(jù)量。也就是說，他們采用了解決方案1。
礦工投票添加到比特幣協(xié)議中的程序稱為“隔離見證”，即SegWit。該術(shù)語是“隔離”（Segregated）和“見證”（Witness）的合并，表示“比特幣交易的簽名”。
因此，隔離證人意味著將交易簽名與區(qū)塊分離，并將它們作為擴展區(qū)塊附加。雖然在解決方案中似乎沒有能將單獨的程序添加到比特幣協(xié)議中進行修改，但據(jù)估計簽名數(shù)據(jù)最多占每個交易塊中處理數(shù)據(jù)的65％，還是能達到一定的擴容效果。

不到一個月后，即2017年8月，一群礦工和開發(fā)人員發(fā)起了一次硬分叉，離開了比特幣網(wǎng)絡(luò)，使用與比特幣相同的代碼庫創(chuàng)建了新的貨幣。盡管該小組同意采用方案1解決擴展的問題，但他們擔(dān)心采用隔離見證技術(shù)無法完全解決擴展問題。
所以，他們采用了解決方案2。由此產(chǎn)生的貨幣稱為“比特幣現(xiàn)金”（BCH），將塊大小增加到8MB（原來BTC是1MB），以便加速驗證過程，每天可以執(zhí)行約200萬筆交易。

在2019年11月6日，比特幣現(xiàn)金的價值約為302美元，而比特幣約為9,330美元。