澤稷-Barry
今天Barry來和大家聊聊比特幣及其背後挖礦的原理吧。比特幣從去年12月底開始，從19000美金的位置一路狂歡飛奔到今天的接近57000美金一枚的價格（見下圖）。今年2月份的時候，連特斯拉電動汽車公司的創始人埃隆馬斯克也加入購買比特幣的行列，宣稱他公司已經投資購買了一些比特幣，並且成功獲利了15億美元左右。這則消息又引起了市場的“正反饋”，於是更多的人衝進了比特幣市場，進一步推動其價格飛速增長到令人乍舌的地步，並且有人大膽預測，今年年底比特幣的價格將突破10萬美元關口。爲什麼比特幣一夜之間就被如此爆炒，它到底是什麼呢？
比特幣，通常被描述爲一種加密貨幣，一種虛擬貨幣或一種數字貨幣，是一種完全虛擬的貨幣。這就像線上虛擬現金。您可以使用它來購買產品和服務，但是截止到今天，並不是所有商店都接受比特幣，而且一些國家已經宣佈完全禁止使用比特幣。比如，我們中國政府就禁止比特幣在國內進行交易。但是在一些其他國家，有很多大公司，特別是金融企業開始接受其日益增長的影響力，願意主動接受比特幣。例如，去年10月開始，美國在線支付服務公司PayPal宣佈將允許其客戶購買和出售比特幣。
每個比特幣基本上都是一個計算機文件，存儲在智能手機或計算機上的“數字錢包”應用程序中。人們可以將一個完整的比特幣（或把一個比特幣進行拆分）發送到你的數字錢包，而你也可以將比特幣發送給其他人。每筆交易都記錄在稱爲“區塊鏈”的區塊（block）上。這可以方便我們追蹤每一個比特幣的交易記錄和歷史痕跡，防止人們使用虛假比特幣進行交易。
我們一般有三種方式可以來獲得比特幣。（1）你可以使用“真實”的貨幣購買比特幣；（2）你可以出售東西，並讓人們用比特幣來支付獲得；（3）可以使用計算機來開採它們。
有同學會好奇了，Barry你說的前面兩種獲取比特幣方式我還能理解，那第三種方式是什麼意思呢？
這裏我們就不得不來了解下比特幣的計算機技術了。其實比特幣的交易使用的是一種叫“區塊鏈”blockchain的技術。
區塊鏈看起來很複雜，但是其核心概念確實非常簡單。區塊鏈是一種數據庫。數據庫是電子存儲在計算機系統上的信息的集合。數據庫中的信息或數據通常以表格進行結構化，以便更輕鬆地搜索和過濾特定信息。使用電子表格而非數據庫存儲信息有什麼區別？電子表格是爲一個人或一小羣人設計的，用於存儲和訪問數量有限的信息。相比之下，數據庫被設計爲容納大量信息，一次可被任意數量的用戶快速，輕鬆地訪問，其包含的數據信息量很大。大型數據庫通過將數據存儲在由功能強大的計算機組成的服務器上來實現此目的，通常會有數百或數千臺計算機來構建這些服務器，以具備讓用戶同時訪問數據庫所需的計算能力和存儲容量。
但區塊鏈技術與典型的數據庫在存儲信息的方式上又有所不同。區塊鏈將數據存儲在“區塊”（block）中，然後像鏈條一樣把它們鏈接（chain）在一起。
隨着新數據的輸入，它會生成一個新的“區塊”。一旦一個區塊中記錄滿了數據，就將其鏈接到上一個區塊，從而使數據按時間順序鏈接在一起。
在區塊鏈上，我們可以存儲不同類型的信息。但到目前爲止，區塊鏈最常見的用途是記錄交易。
比特幣的發明人叫中本聰（Satoshi Nakamoto），但這個人也只是網絡上的傳說。截止到目前，沒有人知道真正的中本聰是誰，長什麼樣。他當時在制定比特幣記錄交易規則的時候，就希望使用區塊鏈技術，以分散的（去中心化）方式來記錄比特幣的交易。（去中心化，見下圖）
這樣，就沒有一個人或一個團體能夠擁有對交易數據的絕對控制權，而是所有用戶共同擁有控制權。衆所周知，我們今天的互聯網技術基本都是基於中心化的數據處理方式。比如，大家在微信、淘寶上註冊的個人信息都儲存在騰訊和阿里巴巴集團的中央服務器上。因此，這兩家企業掌握着數億人的重要信息，如果他們擅自非法使用我們的個人信息，我們可能也無法察覺到，也不會有其他人警示我們有人非法篡改個人數據。但如果使用區塊鏈技術的話，那麼我們的信息在比特幣區塊鏈網絡中都會廣播，所有人都知道真實的數據信息是什麼。企業想篡改某個區塊上的數據信息幾乎不可能。因爲這將於其他區塊上展示的信息不一致，大家馬上能發現。去中心化的區塊鏈上記錄的交易信息是不可變的。這意味着輸入的數據是不可逆的。對於比特幣而言，這意味着交易將被永久記錄並且任何人都可以查看。
那有同學又繼續有疑問了。那區塊鏈上的交易到底是誰去記錄的呢？
這就是比特幣的另一大重要特徵——我們叫“挖礦”。人們可以通過成爲“礦工”的方式來當“記賬員”，並可以因此賺取比特幣這種加密貨幣，而不必花錢購買。礦工獲得的比特幣獎勵是一種激勵措施。它可以保證每一筆比特幣交易的合法化，監控比特幣交易，確保其有效性。這些礦工是分散在世界各地的“志願者”。他們通過“挖礦”的方式來把交易記錄在區塊鏈上，由於他們付出了記賬的勞動，因此將會獲得相應的比特幣獎勵來作爲其完成驗證交易，並添加到區塊鏈的獎勵。
那我怎麼樣才能成爲一名“礦工”呢？
礦工其實就像審計師的工作方式一樣來獲得報酬。我們知道，審計師是由企業股東聘請，幫助股東審覈鑑證企業編制的財務報表是否真實公允。那麼比特幣的礦工也是一樣。他們需要首先驗證比特幣交易的合法性。這個約定是爲了確保比特幣用戶進行的交易是真實的。它是由比特幣的創始人中本聰（Satoshi Nakamoto）構想規定的。通過驗證交易，礦工可以解決區塊鏈上出現的“雙重支付（double-spending）問題”。
比如，我們在現實生活中使用實物貨幣。當你遞給某人2元的鈔票來購買一瓶可樂的同時，你就將不再擁有這2元的控制權，因爲它轉移給了賣方。因此不存在使用同一張2元人民幣在隔壁購買彩票的風險。但是，使用數字貨幣時存在持有人可以複製數字令牌並在保留原始令牌的同時將其發送給賣方或另一個賣方的風險。所以，比特幣礦工的工作就是檢查交易，確保用戶沒有非法嘗試兩次支付相同的比特幣，保證每筆即將記錄到區塊上的交易真實可靠。
由於比特幣是一種加密數字貨幣。中本聰（Satoshi Nakamoto）當時對每個區塊設置了1 MB（兆字節）的限制。比如，我們假設平均一個交易的大小爲250B，那麼就只能記錄1024 * 1024 / 250 = 4194個交易。一旦礦工驗證完成了價值1 MB的比特幣交易（稱爲“區塊”）。這些礦工就有資格獲得一定數量的比特幣獎勵。請注意，驗證1 MB的交易使硬幣礦工有資格賺取比特幣，並非所有驗證交易的人都將獲得付款。
難道礦工在完成所有驗證交易的記賬工作後，還存在可能沒有得到任何比特幣獎勵的情形？對！！
那礦工怎麼樣才能最終獲得比特幣獎勵呢？
要賺取比特幣，您需要滿足兩個條件。一個是靠你自身努力，是技術上的問題。另一個，哈哈，就是要看運氣啦。
按照中本聰的規則設計，最終是否能夠獲得比特幣需要滿足兩個條件。
1）您必須驗證1MB的交易額。這是較爲簡單的記賬部分工作。
2）由於任何人都可以爲某一筆交易自願記賬，那我最終交給誰去記錄這筆帳呢？哈哈哈，中本聰當時設計了一個有趣的制度，即，所有參與記賬交易的礦工需要解答“算法題”。您必須成爲最快和最多的那個人，那麼你就可以最終獲得比特幣獎勵的礦工。這也叫“工作量證明”。
當某個礦工成功找到特定哈希的新區塊後，他會立刻向全網廣播該區塊。其他礦工在收到新區塊後，會對新區塊進行驗證，如果有效，就把它添加到區塊鏈的尾部。同時說明，在本輪工作量證明的競爭中，這個礦工勝出，而其他礦工都失敗了。失敗的礦工會拋棄自己當前正在計算且還沒有算完的區塊，轉而開始計算下一個區塊，進行下一輪工作量證明的競爭。
很多同學肯定想問，那這是到什麼樣的算法題呀？？
其實這不是大家想象的奧利匹克數學競賽題，實際上是一道“哈希值”算法的題目。大家都努力去嘗試成爲第一個提供小於或等於目標哈希值的64位十六進制數字。啥是64位16進制數字，比如，長這樣：0000000000000000057fcc708cf0130d95e27c5819203e9f967ac56e4df598ee。這個大家如果以後有興趣可以自己瞭解。我就不在這裏展開解釋了。
其實得到這個值的正確答案就是猜測，看誰猜的快。由於數字太複雜靠人腦肯定不夠用，所以大家都會配置計算能力超強的計算機來進行計算。在比特幣剛推出的早期，人們可能用普通的家用計算機就能來爭奪區塊的記賬工作。但現在情況已不再如此。其原因是，按照中本聰的遊戲腳本規定，隨着時間的推移，比特幣挖礦的難度會發生變化。
比特幣網絡的目標是每10分鐘左右生成一個新的區塊。所以，如果有人擁有1萬臺挖礦設備來解哈希值的算法題，那一定會比只有10臺挖礦設備的礦工更快得出答案。因此，比特幣網絡會評估和調整每2,016個區塊（大約每兩週）進行一次採礦的難度。當有更多的計算能力共同爲比特幣挖礦時，採礦的難度增加了，以使塊礦的產量保持穩定。較少的計算能力意味着難度降低。爲了方便同學能更形象的瞭解其中涉及多少計算能力，我給大家舉個例子。比特幣在2009年剛推出時候，最初的難度等級是1。截至2019年11月，它已超過13萬億美元。什麼意思？這就意味着你現在想成爲礦工，第一步先要至少花13萬美元去購買先進的GPU（圖形處理單元）和專用集成電路（ASIC）來作爲你的挖礦設備。這樣你才能確保可能會有機會戰勝其他礦工，即，第一個得到目標哈希值，得到獎勵。因此，加密貨幣挖礦的過程是艱苦，耗費成本的一項工作。個人如果要去挖礦的話，那每年的電費就可能是一個天文數字。挖礦也是要計算自己的成本和收益的。儘管如此，挖礦仍舊對許多對加密貨幣感興趣的投資者具有很大吸引力，因爲比特幣的價值在不斷的上升。
至於比特幣爲什麼會不斷升值，一方面是因爲越來越多人認同其價值的存在。另一方面是因爲其發幣的規則導致的。
挖礦除了我們上文提到的驗證交易作用外，還有一個重要目的，即，這是將新的加密貨幣釋放到市場的唯一途徑。換句話說，礦工基本上是在“鑄造”貨幣。
截至2020年11月，大約有1850萬個比特幣在流通。除了中本聰創建的第一個區塊之外，其他所有比特幣都是由於礦工挖礦產生的。大家可以想象一下，如果沒有礦工的話，比特幣將仍然存和正常使用，但是永遠不會有任何新的比特幣產生。根據《比特幣白皮書》中的規則，中本聰設定了比特幣最終總數的上限：2100萬個比特幣。因此，比特幣的開採率會隨着時間的推移而降低。這也就意味着，比特幣挖礦的獎勵每四年減少一半。當2009年首次開採比特幣時，開採一個區塊可以賺取50 個比特幣，到2012年時，這一數字減半至25 個比特幣。2016年，這一數字再次減半至12.5 個比特幣。截止2020年，獎勵再次減半至6.25 比特幣。按照2021年3月的比特幣市場最高價值，每個比特幣56,722美元，這意味着您完成一個區塊將獲得大概354,513美元（6.25 x 56,722）。
最後，告訴大家一個事實：有證據顯示，比特幣網絡前36000個區塊都是由同一臺電腦挖出的，挖礦的人只可能是比特幣創始人-中本聰。當時每個區塊的獎勵是50個幣。那麼他目前理論上持有超過180萬個比特幣。
按照比特幣最新市場價格計算，他理論上已經是世界首富了。