Mitch Leslie

Senior Technology Writer

比特幣已有十多年的歷史，據(jù)估計(jì)，它所消耗的能源已超過(guò)許多國(guó)家所消耗的能源[1]。比特幣及類似的加密貨幣系統(tǒng)的用電量及其對(duì)環(huán)境的潛在影響令一些專家感到震驚，并促使中國(guó)在2019年提出了禁止開(kāi)采加密貨幣的有關(guān)規(guī)定——盡管中國(guó)政府隨后廢止了相關(guān)政令 [2]。

然而，近期在論文預(yù)印本平臺(tái)arXiv上發(fā)布的一篇廣為流傳的論文（2019年8月）介紹了一種新穎的算法，該算法可以在保護(hù)數(shù)字交易的同時(shí)，盡可能降低其所需的能源[3,4]。這只是減少加密貨幣電力需求的數(shù)百項(xiàng)提案之一。此外，尚有許多可能的解決方案仍在研究中，而其中一些已在落地實(shí)踐階段。例如，第二大加密貨幣系統(tǒng)以太坊（Ethereum）宣布將改用其他程序來(lái)處理交易，從而將其能源消耗減少99% [5]。

然而，有專家警告說(shuō)，這些替代方案并沒(méi)有像比特幣程序那樣經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的評(píng)估，它們能否被加密貨幣的用戶接受也仍然是個(gè)未知數(shù)?！把芯刻岢龅脑S多協(xié)議方案都經(jīng)過(guò)了安全性的數(shù)學(xué)證明，但這些協(xié)議都是基于與比特幣不同的假設(shè)而開(kāi)發(fā)的?！泵绹?guó)紐約大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)助理教授Joseph Bonneau評(píng)論說(shuō)，“目前我們尚不清楚它們能否在實(shí)踐中堅(jiān)持下去。”

比特幣始于2009年，是第一個(gè)也是迄今為止最大的加密貨幣系統(tǒng)。而當(dāng)下，有近3000種形式的數(shù)字貨幣正在流通交易[6]。在某些方面，加密貨幣與普通貨幣具有類似功能。加密貨幣可以通過(guò)為加密貨幣網(wǎng)絡(luò)工作（具體過(guò)程將在下文討論）來(lái)賺取，也可以使用傳統(tǒng)貨幣購(gòu)買?，F(xiàn)在，許多企業(yè)和組織都接受將加密貨幣作為支付手段，包括美國(guó)一些運(yùn)動(dòng)隊(duì)以及聯(lián)合國(guó)兒童基金會(huì)等[7,8]。加密貨幣與傳統(tǒng)貨幣之間的主要區(qū)別在于，加密貨幣不是由政府發(fā)行或支持的。

比特幣和其他加密貨幣平臺(tái)繞過(guò)了傳統(tǒng)的金融系統(tǒng)，它們無(wú)需依賴銀行和其他機(jī)構(gòu)來(lái)確認(rèn)交易。相反這類平臺(tái)號(hào)召其網(wǎng)絡(luò)中的用戶進(jìn)行交易確認(rèn)。某些被稱為“礦工”（miner）的用戶會(huì)相互競(jìng)爭(zhēng)以對(duì)一組交易進(jìn)行處理。在每組交易獲得確認(rèn)后，該交易就會(huì)被記錄在名為區(qū)塊鏈的數(shù)字賬本上[9]。為了確認(rèn)一組交易，“礦工”必須解決一個(gè)密碼學(xué)問(wèn)題，并提供所謂的“工作量證明”[10]。最終獲勝的“礦工”通常會(huì)得到新生成的一定數(shù)量的加密貨幣作為經(jīng)濟(jì)獎(jiǎng)勵(lì)。

比特幣以及大多數(shù)其他加密貨幣系統(tǒng)都通過(guò)“工作量證明”來(lái)確保其安全性與完整性，但是該過(guò)程會(huì)消耗大量的能源。將交易組（或“區(qū)塊”）添加到數(shù)字賬本所需的密碼學(xué)問(wèn)題被設(shè)計(jì)為需通過(guò)試錯(cuò)法來(lái)解決，而蠻力計(jì)算通常由被稱為“礦機(jī)”的專門計(jì)算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行這些計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可能被部署在成千上萬(wàn)臺(tái)機(jī)器中（圖1[11,12]。

加密貨幣對(duì)環(huán)境的影響不只局限于機(jī)組消耗的大量電能。由于“礦機(jī)”在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，所以還需要額外的能源對(duì)其進(jìn)行冷卻，此外，該過(guò)程還會(huì)產(chǎn)生各種電子垃圾[13]。

圖1. 處理加密貨幣交易組所需的密碼學(xué)問(wèn)題難度極大，必須通過(guò)試錯(cuò)法解決。該過(guò)程通常由被稱為“礦機(jī)”的專門計(jì)算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行，該系統(tǒng)可能被部署在成千上萬(wàn)臺(tái)機(jī)器中，例如，圖中機(jī)組就位于冰島的加密貨幣采礦“農(nóng)場(chǎng)”。據(jù)一些研究估計(jì)，這種計(jì)算活動(dòng)的能源消耗是巨大的，甚至與整個(gè)國(guó)家的能耗水平相同。圖片來(lái)源：Marco Krohn，維基共享資源（CC BY-SA 4.0）。

由于加密貨幣去中心化的特征，想要準(zhǔn)確量化采礦對(duì)環(huán)境的影響，特別是計(jì)算能源消耗會(huì)變得十分困難美國(guó)加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校（University of California, Santa Barbara）布倫環(huán)境科學(xué)與管理學(xué)院（Bren School of Environmental Science & Management）的Eric Masanet表示：“我們沒(méi)有有關(guān)“礦工”人數(shù)及其‘礦機(jī)’能效的官方統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)?！币虼?，對(duì)于能源消耗的估計(jì)往往差異很大[14]。據(jù)研究，2017年比特幣的能源消耗可能高達(dá)44 TW或低至4 TW [15]。

盡管計(jì)算結(jié)果有差異，但這些研究均證實(shí)加密貨幣的開(kāi)采會(huì)消耗大量電能。例如，在2018年，美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA）的環(huán)境工程師Max Krause與一名同事使用哈希率（hash rate）對(duì)包括比特幣和以太坊在內(nèi)的四個(gè)加密貨幣平臺(tái)的價(jià)值進(jìn)行了估算，他們使用哈希率來(lái)表征“礦機(jī)”正在進(jìn)行的計(jì)算數(shù)量[15]。Krause強(qiáng)調(diào)這項(xiàng)研究并非自己在EPA的工作內(nèi)容，他表示：“當(dāng)我開(kāi)始計(jì)算這些數(shù)字時(shí)才發(fā)現(xiàn)，能源成本簡(jiǎn)直是天文數(shù)字?！苯Y(jié)果表明，在2017年，四個(gè)加密貨幣網(wǎng)絡(luò)使用了16.6 TW的電能，這大約與斯洛文尼亞或古巴的年用電量相同 [15]。

英國(guó)劍橋大學(xué)替代金融中心（CCAF）開(kāi)發(fā)了一個(gè)可以對(duì)比特幣電能消耗情況進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估的模型，該模型包含了哈希率、向礦工支付的費(fèi)用、礦機(jī)的效率以及其他相關(guān)變量。CCAF目前關(guān)于比特幣年度能耗準(zhǔn)確度最高的估計(jì)值為每年84 TW，約占全球用電總量的0.4%[16]。這意味著比特幣網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的年用電量介于芬蘭與巴基斯坦的年用電量之間。該中心的數(shù)據(jù)還顯示，比特幣的能源消耗一直在迅速增長(zhǎng)，從2017年年初到2019年年底增長(zhǎng)了11倍以上。

這種能源消耗對(duì)環(huán)境的影響取決于多種因素，包括電力來(lái)源。采用可再生資源能夠有效減少采礦對(duì)氣候的影響，這對(duì)加密貨幣而言非常重要。正如CCAF的經(jīng)濟(jì)學(xué)家Michel Rauchs所指出的那樣，據(jù)估計(jì)，一半的比特幣開(kāi)采活動(dòng)是在中國(guó)四川省的雨季期間開(kāi)展的，在那里，礦工可以利用充裕的水電資源[17]。廉價(jià)、充裕的水利資源也吸引著人們將加密貨幣的礦機(jī)設(shè)備部署到美國(guó)的西北太平洋地區(qū)和加拿大的魁北克地區(qū)[18,19]?，F(xiàn)在，美國(guó)的蒙大拿州米蘇拉縣已明確要求新的運(yùn)營(yíng)者必須使用可再生能源[20]。盡管如此，用于加密貨幣開(kāi)采的能源到底有多少是可再生能源的問(wèn)題目前仍然是一個(gè)有爭(zhēng)議的話題[21]。

另一種控制加密貨幣網(wǎng)絡(luò)的能源消耗并改善其對(duì)環(huán)境影響的方法是改變它們的運(yùn)作方式。Bonneau說(shuō)，這其中有不少想法。例如，比特幣和許多其他加密貨幣系統(tǒng)為了確定每筆交易的有效性，要求用戶達(dá)成共識(shí)，而這需要耗費(fèi)大量能源的“工作量證明”。瑞士洛桑市聯(lián)邦理工學(xué)院（Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne）的計(jì)算機(jī)科學(xué)家Rachid Guerraoui 2019年在arXiv上發(fā)表了上文提到的研究，研究建議加密貨幣網(wǎng)絡(luò)放棄所有用戶達(dá)成共識(shí)的確認(rèn)模式[3,4]。相反，他們提出了該網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)用戶確認(rèn)交易的新模式，該系統(tǒng)可以確保在同等安全性的基礎(chǔ)上大幅降低能源消耗。

但是同大多數(shù)試圖減少加密貨幣能源消耗的提案相同，這項(xiàng)計(jì)劃也仍未經(jīng)過(guò)驗(yàn)證。包括Dash和Peercoin在內(nèi)的幾種小型加密貨幣系統(tǒng)開(kāi)始使用一種新的節(jié)能替代方案，該方案使用“權(quán)益證明”（proof of stake）而非“工作量證明”來(lái)確認(rèn)交易。該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)仍然依賴區(qū)塊鏈。但其確認(rèn)方式變?yōu)楦鶕?jù)用戶在系統(tǒng)之中的“股權(quán)”（即持有的加密貨幣數(shù)量）來(lái)選擇部分用戶以決定每筆交易是否被確認(rèn)，所以它們消耗的能量要少得多。

為了減少能源消耗，以太坊系統(tǒng)正在將其確認(rèn)方式由“工作量證明”轉(zhuǎn)換為“權(quán)益證明”[5]。而其他加密貨幣系統(tǒng)是否會(huì)效仿以太坊系統(tǒng)仍有待觀察。Rauchs表示，未經(jīng)用戶同意，比特幣和其他使用“工作量證明”的貨幣網(wǎng)絡(luò)無(wú)法做出更改，而這些網(wǎng)絡(luò)價(jià)值數(shù)千億美元，因此用戶是否愿意承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)尚不明確。“許多理論報(bào)告稱，‘權(quán)益證明’與‘工作量證明’一樣安全?！彼f(shuō)，“但是‘權(quán)益證明’尚未經(jīng)過(guò)實(shí)踐考驗(yàn)，很可能無(wú)法保證與‘工作量證明’相同的安全性?！盉onneau表示同意并說(shuō)，“仍然沒(méi)有一種行之有效的方法”可以在不消耗大量能源的情況下確保像比特幣這樣的去中心化區(qū)塊鏈的安全。他說(shuō)：“我所說(shuō)的‘行之有效’是指在現(xiàn)實(shí)世界中已經(jīng)證實(shí)使用‘權(quán)益證明’的比特幣具有與原來(lái)相同的安全性?！?/p>