以太坊向权益证明的转变,减少了多少能源消耗?
FastDaily 2022-11-23 16:26:22 关注

开头划个重点

先是FTX,再是世界杯,最近被一波又一波的热点消息包围着,很久没在文章里聊一聊the Merge了。

今天尘埃科技就从技术和数据的角度回看一下合并后的这段日子有什么变化,有什么需要我们注意的细节。

以太坊于2022年9月完成了从工作证明到权益证明的备受期待的过渡,俗称“合并”。主流媒体对两种共识机制在相对能源强度上的差异进行了大量报道,但围绕密资产能源消耗的数据充满了错误信息,导致了一些在现实中往往毫无根据的说法。

以太坊向权益证明的转变,减少了多少能源消耗?|合并后

本文的灵感来自于Justin Drake的一句话,他认为以太坊从工作证明的转变消除了全球1/500的电力消耗。不幸的是,数据并不支持这种说法,下面让我们深入研究一下。

比特币的能源消耗模型

任何关于加密资产能源使用的讨论都应该从比特币开始。比特币不仅是最有价值的加密资产,它还拥有最大且最受研究的能源足迹。

剑桥比特币耗电量指数(CBECI)

衡量比特币能源使用的最佳工具是剑桥比特币耗电量指数,但它并非没有缺陷。从积极的角度来看,用于构建该指数的假设被表述得很清楚,且其数据导出工具允许进行相当广泛的修改。

该模型的两个主要局限性是:

  • 该模型假设所有盈利机器都有相同数量的挖矿设备。

  • 该模型假定全球平均电价恒定为0.05美元/千瓦时。

如果我们深入研究CBECI的各种电力成本假设数据,很明显,该模型的输出高度依赖于全球能源价格。

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美国能源情报署每月会公布各州的电价,如果我们把数据绘制成图表,这篇文章的写作理由就显而易见了。与世界上许多地方相比,全球能源短缺对美国的影响相对温和,但工业用电价格已从低于0.07美元/千瓦时的长期平均水平飙升至近0.10美元/千瓦时。即使是能源丰富且历来价格低廉的州也感到了压力。

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通过将剑桥的电力消耗估计与美国能源信息管理局的电力数据结合起来,我们可以生成当前比特币挖矿电力消耗的潜在更准确图像。在下图中,CBECI模型根据美国工业平均价格和廉价电力州进行了调整,出于分析的目的,仅将工业平均成本降低了27%。

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27%的降幅似乎比较随意,但如果我们将模型输出与该指数的历史估计值进行比较,我们可以看到这与2022年之前的时期非常接近。

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2022年11月9日的CBCEI估计是每年103 TWh,但经过对廉价能源州的修正后,目前的年化消耗量应该是每年87 TWh。

Digiconomist比特币能源消耗指数

由Alex De Vries(也被称为Digiconomist)创建的比特币能耗指数经常被主流媒体引用,但其在比特币社区中非常不受欢迎。

我对该模型采取的立场远没有其他许多人那么激进,甚至认为它在概念上是一个有前途的设计,但由于缺乏现实世界的输入,该模型对行业影响事件的响应能力不佳。

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尽管在学术上很有趣,但数据表明该模型历来并不准确,可信的机构不应引用。

一个简化的比特币哈希率模型

比特币网络的能源消耗建模如此困难的原因之一是近年来采矿设备效率的大幅提高。例如,相隔约三年发布的Antminer S9和Antminer S19之间的效率相差了约2.7倍。

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我们不需要创建一个随时间变化的函数来描述驱动网络的哈希率分布,而是可以分时代进行讨论。下图中的三台Bitmain Antminer设备代表了特定时代的高效率机器,但当描述S9或S17 Dominance时,肯定有代表了显著哈希率的同一时代的非Antminer设备。

如果我们假设所有的挖矿设备都是一个单一的模型,下图是对网络功耗的模拟。通过将这些数据与CBECI模型和下面的运营利润数据进行比较,我们可以进一步了解比特币挖矿历史中各个时代之间的转变。

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如果我们绘制同样的Bitmain比特币矿工的运营利润率,通过假设美国工业电价,我们会看到所谓的矿工市场份额的变化与利润率的上升和下降非常符合逻辑。我们现在所处的时代只有利用以尽可能低的电价供电的最新一代的机器,才能实现有利可图的比特币挖矿。利润率的大幅下降就是为什么我们开始看到越来越多的比特币矿工违约,甚至包括像Core Scientific这样的大型企业。

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在现代,所有的经济主体都必须运行Antminer s17或更新的设备,这意味着我们可以通过这两种设备得出总耗电量的逻辑界限。

最大值(S17):112 TWh

最小值(S19):85 TWh

如果我们根据不断上升的能源成本进行调整,则该模型的最小值与剑桥的值非常吻合,这表明在这一点上,长期稳定的动态只适用于S19时代及更新的机器。

以太坊(合并前)的能源消耗模型

尽管在向权益证明过渡之前,以太坊的能源消耗受到了严格审查,但这一话题的研究远远少于比特币的能源消耗。缺乏学术研究的一个主要原因是以太坊的挖矿选择的多样性——挖矿市场从未被ASIC主导,因为从工作证明的过渡被认为需要一两年的时间,这意味着研究、设计和制造专用机器并不经济。

搞笑的是,Bitmain在2022年7月发布了他们的第一个性能强大的以太坊ASIC,仅在合并之前的两个月。

Digiconomist以太坊能源消费指数

“以太坊能耗指数的设计目的、方法和假设与比特币能耗指数相同。”

-Digiconomist

Digiconomist以太坊能源消费指数是最常被引用的估算以太坊电力需求的模型(包括以太坊基金会),但该模型是Alex De Vries的比特币模型的剪切粘贴版本——我们上面展示的该模型无法对现实世界的事件做出反应,并从2021年年中开始严重高估。因此,该模型所称的2021年用电量增长是不可靠的,应该进行调查。

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作为Digiconomist以太坊指数的一个优势,如果我们查看中国挖矿禁令期间的哈希率变化和恢复情况,我们会发现以太坊哈希率的下降要小得多,恢复速度也比比特币快得多。这是合理的,因为以太坊挖矿相对来说工业化程度较低,而不得不关闭的更有利可图的矿机会受到激励,优先恢复他们的以太坊挖矿业务。

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一个简化的以太坊哈希率模型

由于以太坊挖矿环境的优化程度低于比特币,因此在解决以太坊工作证明所用算法Ethash方面的改进没有比特币ASIC的改进那么积极。

通过使用WhatToMine的数据,我们可以看到,从2016年中期到20208年底,AMD GPU在Ethash效率方面的改进约为150%。作为比较,Bitmain ASIC在同一时期内提高了约400%。

通过WhatToMine的数据,我们可以建立界限,并表明即使以太坊网络完全由低效的6年前的GPU驱动,在合并时的耗电量仍不会超过40 TWh /年——这大约是Digiconomist估计的耗电量的一半。

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以太坊在2020年末至2022年中的哈希率极度增长,与矿工获利颇丰的牛市相吻合,但也恰逢AMD和Nvidia推出的新一代GPU。在我看来主要的问题是,有多少旧GPU的哈希率被取代,有多少留下——因为使用这些旧卡挖以太坊基本上仍然有利可图。

如果我们假设所有老一代的卡仍然在线,但是新的哈希率增长主要是由于新一代卡,新卡的平均效率类似于图中所示的Nvidia RTX 3090,那么网络功耗将在每年25-30 TWh的范围内。大约是Digiconomist估计值的三分之一。

Kyle McDonald的自下而上的评估

我发现的关于以太坊能源消耗(和碳足迹)的最全面的研究是由Kyle McDonald完成的。

McDonald研究了GPU Ethash效率的变化,然后检查了矿池数据,以解构单个矿池成员的采矿库存。然后,他计算了矿池的效率,该效率应该偏向于散户水平,低于行业平均水平,在2021年底将为380 MH/kJ。

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在用其他测量方法确认这个数字并考虑到采矿过程中的损失之后,他构建了网络总功耗的最佳猜测和边界。

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通过这些计算,他的模型表明,年化耗电量的历史最高纪录是每年40 TWh。他对合并时的功耗的最佳猜测是每年21.4 TWh,上限和下限为每年15.5到30.1 TWh。

以太坊合并

以太坊工作证明时代的结束使网络和代币持有者摆脱了对未来能源消耗和排放的责任,但多年来链上挖矿的高利润使得GPU没有在一夜之间全部关闭。

最容易比较的群体是那些从占主导地位的以太坊链转移到挖矿以太坊Classic和以太坊PoW的矿工。这两个网络最初获得了以太坊主链约30%的哈希能力,但在过去两个月里,这一数字已下降到约21%。

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转移到其他以太坊链的挖矿只是测量的一部分。测量转移到其他工作证明链上的哈希率是一项更复杂的任务。粗略估计有多少矿工进行了转换的一种方法是,假设主以太坊链上的所有挖矿都是使用单一类型的GPU执行的,然后看一下各链的比较哈希率。通过将相对哈希能力与以太坊合并后其他链上的哈希率变化进行配对,我们可以描绘出目前在其他哈希算法上工作的同等数量的挖矿设备的大致情况。

我选择了Nvidia RTX 3090来执行这些计算,并生成了下面的配置文件。

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我们看到的是,近50%的同等GPU最初似乎已经转向开采其他加密资产,但由于利润微薄,这一数字现在已下降到约30%。这些数字包括上文提到的以太坊Classic和以太坊PoW。

在哈希率流入最大的以太坊Classic上,挖矿立即从极度有利可图变成了极度饱和。即使在具有吸引力的工业电价下,挖掘以太坊Classic现在也是徒劳的努力。其他可由GPU开采的工作证明链也是如此,所以矿机流入的30%似乎将继续下降,直到采矿再次变得有利可图。

我的猜测是,在中期,替代币可以吸收以太坊约10%的哈希率,同时保持盈利,所以仍有很多前以太坊矿工会屈服于此。

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另一个没有被广泛讨论的因素是,以太坊挖矿在相当长一段时间内明显比比特币挖矿更有利可图。这自然导致许多比特币挖矿业务开始将其部分工业空间和力量用于挖矿以太坊。一旦开采以太坊不再是一个选择,许多这些设施将重新利用他们用来挖矿以太坊的空间和电力,并用ASIC取代他们的GPU来开采比特币。

这些挖矿设备的更换导致比特币的哈希率在合并后直接飙升,一旦合并完成就迅速趋于平稳。

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我们不可能把比特币哈希率的增长全部归功于以太坊合并,但它可能发挥了一个不容忽视的作用。数据十分复杂,但比特币哈希率增加的10%的幅度可能代表每年7到9 TWh的电力。在这一点上,我只是在猜测,但为了尽量减少错误,我将把一半的增长归因于工业机架空间的重新利用:大约4 TWh。

结果

  • 在合并之前,以太坊的年化耗电量在每年20至25 TWh之间。

  • 以太坊大约30%的GPU哈希能力被重定向到其他工作量证明链上。

  • 每年大约有2到6 TWh的电力可能被重新用于挖掘比特币。

因此:

  • 合并使全球电力消耗每年减少8至15 TWh。

  • 据估计,全球耗电量每年为24000 TWh,这表明合并导致需求下降了0.03至0.06%。

虽然全球电力消耗下降的幅度低于许多人的预期,但对于防止用电量进一步增长而言,这仍然是一个至关重要的事件。如果没有从工作证明过渡到以太坊挖矿,从而减少了对以太坊挖矿的长期需求,以太坊的功耗和哈希率将远远高于其最终值。

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