比特币挖矿

**挖礦**（英語：Mining），是指透過執行工作量證明或其他類似的電腦演算法來獲取加密貨幣，例如比特幣、以太幣、萊特幣等。由於此名稱源自對採礦的比喻，進行挖礦工作的人通常稱為**礦工**。

## 工作原理

**比特幣礦工**透過解決具有一定工作量的工作量證明機制問題，來管理比特幣網路 —— 確認交易並且防止雙重支付。

中本聰在他的論文中闡述說：

中本聰把透過消耗 CPU 的電力和時間來產生比特幣，比喻成金礦消耗資源將黃金注入經濟。
比特幣的挖礦與節點軟體主要是透過對等網路、數位簽章、互動式證明系統來發起零知識證明與驗證交易。

每一個網路節點向網路進行廣播交易，這些廣播出來的交易在經過礦工（在網路上的電腦）驗證後，礦工可使用自己的工作證明結果來表達確認，確認後的交易會被打包到資料塊中，資料塊會串起來形成連續的資料塊鏈。中本聰本人設計了第一版的比特幣挖礦程式，這一程式隨後被開發為廣泛使用的第一代挖礦軟體 Bitcoin，這一代軟體從 2009 年到 2010 年中旬都比較流行。

每一個比特幣的節點都會收集所有尚未確認的交易，將其歸集到一個資料塊中，礦工節點會附加一個隨機調整數，並計算前一個資料塊的 SHA-256 雜湊運算值。挖礦節點不斷重複進行嘗試，直到它找到的隨機調整數使得產生的雜湊值低於某個特定的目標。

由於雜湊運算是不可逆的，尋找到符合要求的隨機調整數非常困難，需要一個可以預計總次數的不斷試錯過程。此時，工作量證明機制即發揮其作用。當一個節點找到了符合要求的解，那麼它就可以向全網廣播自己的結果。其他節點就可以接收這個新解出來的資料塊，並檢驗其是否符合規則。如果其他節點通過計算雜湊值發現確實滿足要求（比特幣要求的運算目標），那麼該資料塊有效，其他的節點就會接受該資料塊。

## 出塊獎勵

除了將接收到的交易資訊打包到區塊，每個區塊都會允許「發行」一定數量的新比特幣，用來激勵成功發現新區塊的礦工。

比特幣系統按照預定的貨幣增發節奏決定發行的比特幣數量。如果其他支付交易有給手續費的，那麼礦工還會獲得手續費。由於礦工可以自行決定是否將某一個交易資訊打包到區塊中，因此礦工會優先選擇手續費較高的交易來打包。此競價交易的方式維持了區塊鏈礦工的收益，也制衡了礦工與使用者之間的力量。

區塊產生速率的預期為每 10 分鐘一個，但每個資料塊中，新發行的比特幣不能超過 6.25 個，而這個數字每產出 21 萬個區塊就會減半，大約每 4 年就會發生一次，2020 年 5 月 13 日比特幣第三次減半，減半後現在的區塊獎勵為 6.25 個。因此，比特幣的總數量不會超過 2100 萬個。隨著新發行比特幣數量的下降，手續費將成為挖礦的主要動機。

那些在較早時期將電腦資源投入到比特幣挖礦活動中的使用者，相對於較晚加入的礦工而言，獲得比特幣容易得多。這樣設計的原因，主要是為了保證在比特幣的早期發展階段可以吸引足夠的計算力來處理資料塊。事實上如果沒人挖礦，比特幣的初期交易活動就無法處理，比特幣經濟也將停止運行。

* 2012 年 12 月第一次減半
* 第二次發生減半的實際時間是 2016 年 7 月 9 日 16:46:13 UTC，每個區塊中新發行的比特幣目前為 12.5 個
* 2020 年 5 月 13 日第三次減半，每個區塊中新發行的比特幣目前為 6.25 個

## 挖礦難度

為了使得資料塊產生的速度維持在大約每十分鐘一個，產生新資料塊的難度會定期調整。

如果資料塊產生的速度加快了，那麼就提高挖礦難度；如果資料塊產生速度變慢了，那麼就降低難度。比特幣系統在每隔 2016 個資料塊被產出後（約兩週的時間），會以最近這段時間的資料塊產生速度，自動重新計算接下來的 2016 個資料塊之挖礦難度。

而難度基本上就決定了一個有效的資料塊標頭（英語：Block Header）的 SHA-256 雜湊值應小於一定值，也就是說該雜湊值必須要恰好落在目標區間之內才算有效，當目標區間越小就意味著命中機率越低。換句話說就是挖礦的難度越高。

由於 ASIC 計算裝置的爆炸式加入，目前挖礦難度呈現幾何級數的上升，目前年均難度增長約為 3%，讓普通個人挖礦者的挖礦工作變得異常困難。

## 挖礦裝置

最早，比特幣礦工都是透過 Intel 或 AMD 的 CPU 產品來挖礦。但由於挖礦是運算密集型應用，且隨著挖礦人數與裝置效能的不斷提升難度逐漸增加，現在使用 CPU 挖礦早已毫無收益甚至虧損。

截至 2012 年 (2012-Missing required parameter 1=_month_!)，從 2013 年第一季度後，礦工逐漸開始採用 GPU 或 FPGA 等挖礦裝置。同時，ASIC 裝置也在 2013 年中旬大量上市。

從 2013 年 7 月起，全網算力由於 ASIC 裝置大量投入運營呈現直線上漲，以 2013 年 7 月的平均算力計算，所有 CPU 挖礦裝置均已經無法產生正收益，而 FPGA 裝置也接近無收益。2013 年 9 月平均算力估算，現有的針對個人開發的小型 ASIC 挖礦裝置在未來 1-2 個月內也接近無正收益。大量算力被 5 THash/s 以上的叢集式 ASIC 挖礦裝置獨佔。個人挖礦由於沒有收益，幾乎被擠出挖礦群體。有一些比特幣礦工則集資在某些可取得低價電力的地方興建機房安裝大批挖礦裝置進行挖礦。

部份比特幣礦工為省下自己挖礦的成本，將挖礦程式製作成惡意程式，在網路上感染其他人的電腦，來替自己挖礦。

## 礦池

由於比特幣全網的運算水準在不斷的呈指數級別上漲，單個裝置或少量的算力都無法在比特幣網路上獲取到比特幣網路提供的區塊獎勵。在全網算力提升到了一定程度後，過低的獲取獎勵的概率。促使一些「bitcointalk」上的極客開發出一種可以將少量算力合併聯合運作的方法，使用這種方式建立的網站便被稱作「礦池」（Mining Pool）。

在此機制中，不論個人礦工所能使用的運算力多寡，只要是透過加入礦池來參與挖礦活動，無論是否有成功挖掘出有效資料塊，皆可經由對礦池的貢獻來獲得少量比特幣獎勵，亦即多人合作挖礦，獲得的比特幣獎勵也由多人依照貢獻度分享。

截止 2020 年 5 月，全球算力排名前五的比特幣礦池有：F2Pool、Poolin、BTC.com、AntPool、58COIN&1THash，目前全球約 70% 的算力在中國礦工手中。

## 手續費

比特幣礦工會對大部分交易收取少量費用，其主要目的是防止有人大量發送無聊的小額交易，浪費網路資源。當前每筆交易的手續費大部分是฿ 0.0001/KB （即 0.0001btc/KB） ，實際上 0.9.0 版本之後將預設手續費降為฿ 0.00001/KB （即 0.00001 btc/KB）。因為大部分交易占用的資料量都小於 1 千位元組，所以一般情況下฿ 0.00001（即 0.00001 btc/KB）的手續費就足夠了。同時，在將來比特幣區塊獎勵較少時，手續費將成為礦工收入的主要來源，比特幣的手續費會與該交易佔用的位元組數相關。

目前比特幣系統中手續費的計算標準並非強制性的，因此使用者也可以在交易進行時不給予任何手續費，但大多數礦工在組建資料塊時通常會優先考慮帶有較高手續費的交易，以便在挖礦成功時能獲得較高的報酬，因此無附帶任何手續費的交易，可能會需要等待較長的時間才能被處理並納入區塊鏈中。

此外，現在因為區塊容量上限「1MB」以及近期比特幣交易量大增的因素，手續費大幅上漲，而且等待交易被確認的時間也變長了許多。

## 參考資料

## 外部連結

* 比特幣維基 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）