Grayscale：比特币挖矿将如何影响全球能源基础设施

来源：Grayscale；编译：五铢，金色财经

摘要

• 比特币之所以能够充当全球数字货币系统，是因为比特币挖矿：用于更新区块链并协调整个网络的经济激励的竞争过程。如今，比特币挖矿网络的规模非常庞大，每秒产生“哈希”的速度超过 700 万亿。[1]

• 比特币矿工通过发行新比特币和网络交易费获得收入。他们还需要承担资本设备、电力和其他运营成本的费用。许多矿工还在资产负债表上持有比特币，而且越来越多的矿工正在向人工智能 (AI) 和高性能计算 (HPC) 服务领域多元化发展。

• Grayscale Research 估计，比特币挖矿仅占全球电力使用量的 0.2%；清洁能源在比特币挖矿所消耗的电力中所占的份额也可能高于其他行业。比特币挖矿可能有助于加速实现环境目标，特别是在甲烷排放等领域。

比特币是一个去中心化、开放的计算机网络，价值 2 万亿美元。[2] 这一现代奇迹之所以成为可能，是因为比特币挖矿：网络参与者竞争将下一个区块添加到区块链并获得奖励的权利。如今，比特币矿工的运营规模令人难以置信，将真实资源转化为数字安全。用于保护比特币区块链的计算能力是其数字“保险库门”：自主计算机网络可用作全球数字货币系统的机制。运营比特币挖矿设施所需的技术专长、资本支出和持续运营费用，以及业务的高度竞争性，有助于保持比特币网络的去中心化和攻击成本。

投资公开交易的比特币矿工可以获得区块生产的收入，以及随着时间的推移网络交易费上涨带来的潜在收入增长。实际上，大多数上市的比特币矿工都遵循不同的商业模式，许多矿工将开采的比特币保留在资产负债表上，甚至在公开市场上购买比特币。比特币矿工也开始多元化发展，运营用于人工智能和高性能计算（HPC）的数据中心。

现代奇迹

尽管技术上很复杂，但比特币挖矿的过程在概念上很简单。专用计算机竞相猜测一个随机数，最先猜出正确数字的机器将获得更新区块链的权利（“挖矿区块”）。获胜的矿工将获得新发行的比特币和交易费（“区块奖励”）。[3]

这场竞赛没有捷径可走——例如，没有任何算法可以帮助更快地找到正确的数字——比特币矿工靠蛮力竞争。这个过程可以看作是一个机会游戏。矿工们不断猜测，直到找到正确的解决方案——就像掷一个多面骰子，直到出现所需的数字。因此，获胜的概率是矿工每秒可以进行的猜测次数（“掷骰子”）的函数。拥有最多机器和/或最高效机器的操作员将做出最多的猜测，并最有可能获得区块奖励。

从技术角度来说，获胜结果不仅仅是随机数，而是该数字与其他数据相结合的“哈希值”。在计算机科学中，哈希函数是一种数学运算，可将任意数据转换为一串字母和/或数字，称为哈希值。例如，使用比特币网络中的相同哈希函数，“比特币”一词的哈希值为：

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因此，比特币矿工的目的是快速生成哈希值：猜测一个随机数，计算其哈希值（将随机数与其他数据相结合），然后检查它是否正确。

如今，估计有 500 万到 600 万台比特币挖矿机[4] 以惊人的规模生成哈希值（图 1）。在过去 90 天里，比特币矿工们总共以平均每秒 765 艾哈希 (EH/s) 的速度产生了哈希值。[5] 艾哈希等于一千万亿 (10^18) 个哈希值。因此，简单地说，比特币矿工平均每秒猜测一个随机数并计算其哈希值超过 700 千万亿次。为了将这个数字放在上下文中，估计地球上大约有 7.5 千万亿颗沙粒和 10 千万亿只活着的昆虫。[6]

图 1：比特币矿工大规模生产哈希值

生成所有这些哈希值的成本很高——这就是重点所在。为了争夺奖励，挖矿运营商需要购买专用机器和其他硬件，并支付持续的电力和维护成本。因此，通过生成正确的哈希值，矿工提供了“工作量证明”：证明他们已经花费了经济资源并且可以信任他们更新区块链。

攻击比特币意味着破坏现有的比特币挖矿行业。从理论上讲，如果恶意行为者控制了 51% 的网络哈希率，从而可以挖掘大多数区块，他们就可以破坏网络（例如，双重支付比特币或审查某些交易）。在一篇论文中，研究人员估计，截至 2024 年 2 月，对比特币网络进行一小时 51% 攻击的成本将达到 50 亿至 200 亿美元（取决于攻击者如何获取挖矿机）。[7] 实际上，没有任何行为者有经济动机去花费这些资源，而且无论如何，除了挖矿之外，网络还有其他防御机制。[8]

比特币挖矿业务

比特币矿工的收入等于挖出新区块的奖励，并且他们还需要支付运行机器和产生哈希值的电力费用（以及可能的其他运营费用，如维护、矿池费用等）。因此，比特币矿工的目标是以尽可能低的成本每秒产生最多的哈希值。

2024 年，矿工们总共赚了约 230,000 比特币，价值近 150 亿美元（按同期价格计算）。[9] 这比 2014 年增长了约 19 倍，年复合增长率为 34%（图表 2）。新发行的比特币的速度每四年就会下降一次，这一事件被称为比特币减半。尽管以比特币计算的发行量有所下降，但由于以美元计算的比特币价格升值，挖矿收入随着时间的推移而增加。未来，采矿收入的增长可能来自比特币价格上涨和/或网络交易费用的增长。

图 2：比特币挖矿收入随时间增长

矿工会产生运营费用，主要以运行机器所需的电力形式产生。[10] 每个运营商都会协商自己的购电协议，而这些协议在世界各地会有很大差异。为了进行启发式分析，我们可以通过使用假设的电力成本并忽略其他成本来创建比特币矿工总体经济状况的简化图景。例如，图表 3 将比特币矿工的收入与假设电价为每千瓦时 (kWh) 0.05 美元的总电力成本估计值进行了比较。收入和电力成本之间的差额可以被视为矿工营业利润率的简化衡量标准。当区块奖励的美元价值增加时，矿工会受益，而当生产哈希值的美元价格增加时，矿工会受损。

图 3：矿工营业利润率反映了区块奖励和电力成本之间的差价

鉴于全球矿工面临的电力成本差异，更直观的衡量标准可能是给定电力消耗所获得的美元价值——例如矿工每兆瓦时 (MWh) 的收入。挖矿行业参与者经常提到密切相关的概念“哈希价格”，其计算方式为每日矿工收入与网络哈希率之比。尽管概念非常相似，但随着矿工效率的提高，哈希价格将趋于下降。因此，矿工收入相对于电力消耗的比例可能更准确地反映矿工经济随时间的变化。图 4 显示了比特币矿工每兆瓦时的每日收入。这一估计值在过去两年中基本保持稳定，尽管在 2024 年减半前后出现了显著波动。

图 4：过去两年矿工每兆瓦时收入基本保持稳定

投资比特币矿工

投资公开交易的矿工的股票可以通过股票市场工具接触比特币经济。比特币矿工的商业模式可能越来越多样化，但所有矿工都参与生产哈希值、挖掘区块和赚取区块奖励的核心业务。由于电力成本、非电力运营费用和其他因素的差异[11]，每个矿工以不同的有效价格获得区块奖励。在 2024 年第三季度，最大的公开交易矿工生产比特币的平均成本为 3.4 万美元至 5.9 万美元（图表 5）。相比之下，本季度比特币的平均价格为 6.1 万美元。

图 5：不同矿工的生产成本存在差异

比特币矿工在资产负债表上持有比特币的方式各不相同。一些矿工立即清算区块奖励，一些矿工保留区块奖励，一些矿工甚至在公开市场上购买额外的比特币。当然，当比特币价格发生变化时，资产负债表政策的差异可能会对上市矿工的相对财务表现产生重大影响（图 6）。话虽如此，许多因素都会影响个体矿工的风险状况，那些拥有相对较高的比特币资产负债表持有量的矿工并不一定比那些清算区块奖励的矿工风险更大。

图 6：一些矿工在资产负债表上持有比特币

最近，比特币矿工开始向其他人工智能和高性能计算 (HPC) 服务领域进军，这些服务对数据中心基础设施的需求迅速增长。例如，高盛的研究[12]估计，数据中心的电力需求（不包括加密货币）在 2023 年至 2030 年间可能会增长 160%。比特币矿工在供应人工智能/高性能计算市场方面可能具有竞争优势，因为他们已经获得了低成本电力和相关基础设施的使用权。2024 年初，按市值计算的第三大上市矿工 Core Scientific 宣布与专门的人工智能基础设施服务提供商 CoreWeave 签订长期合同。[13]自 2024 年 6 月宣布 Core Scientific/CoreWeave 交易以来，其他几家上市矿工已采取措施向人工智能/高性能计算领域进军。

比特币挖矿和可持续性

比特币挖矿消耗实际经济资源——电力——来创建去中心化的数字安全。比特币作为数字货币系统的成功意味着挖矿现在消耗了大量的电力。比特币是一种独特的能源消耗者，已经使用了相当一部分清洁能源资源，Grayscale Research 认为它可以随着时间的推移为绿色能源转型做出积极贡献。

使用 Coin Metrics 的 MINE-MATCH 算法的数据，我们估计比特币网络在过去 12 个月内以约 175 太瓦时 (TWh) 的速度消耗电力。[14] 这与剑桥替代金融中心的估计值相当（图 7）。根据 2023 年（最新可用年份）的数据，比特币的能源消耗占全球总用电量的 0.2%（考虑到传输过程中的电力损失）。[15]根据剑桥替代金融中心的数据，数据中心每年消耗约 200 TWh 的电力，预测表明，由于使用 AI 模型，数据中心的能源消耗可能会上升。[16]

图 7：比特币挖矿消耗电力来创造数字安全

与典型的住宅或商业用户相比，比特币是一种独特的能源消费者。比特币挖矿具有模块化和便携性、位置无关、可中断且对电价变化高度敏感等特点。因此，矿工通常可以在清洁能源资源成本低廉的地方开展业务。据估计，比特币挖矿行业使用的电力中约有 50%-60% 来自可持续能源（包括核能）。[17] 对于美国和整个世界而言，可持续发电份额约为 40%。[18] 使用 2023 年（最新可用年份）的数据，并假设比特币电力消耗的可持续份额为 50%-60%，我们估计比特币挖矿占全球与发电相关的二氧化碳排放量的 0.2%-0.3%。[19]

Grayscale Research 认为，比特币挖矿有助于在未来几年加速可再生能源生产的采用。由于其独特的属性，比特币挖矿激励了对可再生能源基础设施开发的投资，特别是在没有传输到主要热门中心的地方。比特币挖矿还可以帮助稳定电网需求——否则电网需求会因消费模式和天气而波动——就像德克萨斯州电力可靠性委员会 (ERCOT) 系统所做的那样。[20] 另外，像可持续比特币协议这样的初创公司已经创建了基于市场的机制，以激励清洁能源的使用并奖励减少甲烷排放的努力。解决甲烷排放问题可能成为比特币矿工为环境目标做出贡献的一个特别重要的方式。甲烷是由燃烧的气体或燃烧石油生产产生的天然气而释放出来的。像 Crusoe Energy 这样的公司已经开发出捕获过量天然气而不是将其释放的方法，然后将其转化为电能并为比特币矿工供电。

技术使用的增长将在未来几年产生对电力生产的巨大需求——来自数字资产、人工智能和其他行业。Grayscale 认为，比特币有助于全球电力基础设施的健康运转，与许多其他行业相比，比特币具有独特的优势，可以帮助加速向可再生能源的过渡。

注释

[1] 来源：Coin Metrics。数据截至 2025 年 1 月 31 日。

[2] 来源：Coin Metrics。数据截至 2025 年 1 月 31 日。

[3] 这个数字被称为“nonce”（只使用一次的数字），并不是纯随机的。例如，请参阅“比特币 Nonce 模式之谜”，BitMEX Research，2019 年。

[4] 来源：Grayscale Research 根据报告的网络哈希率和对矿工平均生产力的估计进行计算。对于后者，我们使用 125 TH/s 的中心估计值，该估计值基于 Coin Metrics 的 MINE-MATCH 数据以及对不同哈希价格和电力价格组合下单个采矿机盈利能力的分析。

[5] 来源：Coin Metrics。数据截至 2025 年 1 月 31 日。

[6] 来源：“地球上的沙粒数量和天空中的星星数量哪个更大？”，NPR，2012 年 9 月；“昆虫数量（物种和个体）”，史密森尼学会。

[7] Nuzzi、Waters 和 Andrade，“打破 BFT：量化攻击比特币和以太坊的成本。”2024 年 2 月 15 日。

[8] 例如，请参阅“分析比特币共识：协议升级的风险”，Ren Crypto Fish、Steve Lee 和 Lyn Alden，2024 年 11 月。

[9] 来源：Coin Metrics。

[10] 在任何给定时间都有许多不同类型的采矿机在运行。数据提供商 Coin Metrics 已经开发出识别积极为网络贡献哈希率的机器类型的技术。我们使用这些数据来估算电力消耗和网络上活跃机器的数量。

[11] 例如，矿工可能会产生其他成本，例如矿池费用，并且收入可能因特定区块的费用收入而有所不同。

[12] 来源：“代际增长——人工智能/数据中心的全球电力激增及其对可持续性的影响”，高盛，2024 年 4 月 30 日。

[13] 来源：“Core Scientific 与人工智能公司签署 12 年协议，预计总收入为 35 亿美元”，The Block，2024 年 6 月 4 日。

[14] 在截至 2025 年 1 月 31 日的 365 天内，该方法意味着年化电力消耗为 177.8 TWh；这应该被视为具有很大不确定性的估计值。

[15] 来源：基于能源研究所世界能源统计评论和剑桥替代金融中心的数据进行灰度计算。

[16] 资料来源：剑桥替代金融中心；“人工智能和加密货币的碳排放量激增，税收政策可以提供帮助”，Shafik Hebous 和 Nate Vernon-Lin，IMF 博客，2024 年 8 月 15 日。

[17] 资料来源：例如，请参阅 Daniel Batten 的《比特币能源与排放可持续性追踪》和“比特币挖矿委员会调查证实可持续电力和技术效率逐年提高”，比特币挖矿委员会，2023 年 8 月。

[18] 资料来源：基于能源研究所世界能源统计评论数据的灰度计算。

[19] 资料来源：基于能源研究所世界能源统计评论数据的灰度计算。

[20] 资料来源：美国能源信息署。