[Из песочницы] Proof-Of-Work эффективен
Привет, Хабр! Представляю вашему вниманию перевод статьи «PoW is Efficient» автора Dan Held.
Вступление
Большинство людей думает, что энергия, потраченная на Proof-Of-Work (далее PoW), тратится впустую. В этой статье я расскажу, почему все основано на энергии, включая деньги. А также почему оценка потребления энергии субъективна, и как стоимость потраченной на PoW энергии сравнить с другими системами. Эта статья содержит мысли многих людей из области криптовалют, я лишь собрал всё вместе.
Работа состоит из энергии
Идея о том, что энергия нужна для выполнения работы, возникла у французского математика Гаспа́ра-Гюста́ва де Кориоли́са. В те далёкие времена работа полностью выполнялась людьми. Топливом для работы была еда.
Примерно миллион лет назад человек добыл огонь. В результате увеличилось количество доступной для человека энергии, теперь человек мог согреться с помощью огня, а не только благодаря съеденной пище. Таким образом, эта дополнительная энергия улучшила жизнь человечества.
Несколько тысяч лет назад потребление энергии человеком увеличилось ещё больше, благодаря одомашниванию животных. Животные делали работу для человека. Животные также требовали много пищи, и это также способствовало дальнейшему развитию.
За последние несколько сотен лет, человек сделал машины. Машины выполняли работу, используя сначала энергию воды и ветра, впоследствии используя более дешёвые источники энергии, такие как уголь и газ. В настоящее время используется ядерная и термоядерная энергия. И машины, и природа выполняют работу благодаря использованию энергии. Экономика основана не на деньгах, а на работе и энергии.
Все в нашей жизни тесно связано со стоимостью энергии. Очистка воды требует энергии. Перевозка товаров требует энергии. Производство товаров требует энергии. Приготовление пищи требует энергии. Холодильники и морозильники требуют энергии. На свободном рынке цена любого товара в значительной степени зависит от количества энергии, потраченной на его производство. Так как рынок стимулирует минимальные цены на товары, количество используемой для производства энергии также минимизируется.
Мировой ВВП (по данным Министерства сельского хозяйства США) по сравнению с Мировым потребление энергии (по данным отчёта BP за 2014 г.):
В начале 20-го века лидеры индустрии Генри Форд и Томас Аддисон рассматривали идею замены золота или доллара на «энергетический доллар», или «единицу энергии» (энергетическая валюта). Идея была популярной, т. к. такая валюта обладала характеристиками денег: чётко определённая мера расчётов, легко измеряемая, но сложно подделываемая, делимость на меньшие части и взаимозаменяемость (любая единица эквивалентна любой другой единице). Однако были и недостатки — трудно было передавать и хранить энерго-деньги.
Больше всего хочется то, что тяжело получить — Марк Твен
Перенесёмся к 31 октября 2008 г. — Сатоши опубликовал работу про Биткоин. Метод PoW был изначально придуман для борьбы со спамом. Потом Сатоши адаптировал эту технологию для использования в электронных деньгах. Майнинг использует специальные машины (ASIC) для преобразования электричества в биткоины (в виде награды за добытый блок). Машины постоянно выполняют операции хеширования (предположения/голоса), пока не найдут решение криптографической задачи. За найденное решение выплачивается вознаграждение в биткоинах. Найденное решение доказывает, что майнер потратил энергию в виде ASIC-машины и электричества. Биткоин основан на капиталистическом принципе «рискуя деньгами, получаешь голос», используя энергию и ASIC-машины для вычисления хешей (голосов) — Hugo Nguyen.
Когда Сатоши проектировал метод PoW, он принципиально изменил систему голосования с политических голосов на аполитические (хеши), используя преобразование энергии. PoW служит проверкой, что энергия была потрачена. Почему это важно? Для физического мира это самый простой и справедливый метод проверки чего-либо в цифровом мире. PoW — это про физику, не программы. Биткоины создаются из энергии, основного продукта вселенной. PoW превращает электричество в цифровое золото.
История транзакций биткоина может быть неизменной только в том случае, если её будет затратно создавать. Необходимость использования большого количества ресурсов для PoW не ошибка, так задумано. До недавнего времени защита чего-либо означала постройку толстой физической стены вокруг того, что считалось ценным. Новый мир криптовалют странный и непривычный — нет физических стен, защищающих наши деньги, нет дверей, закрывающих вход в хранилище. Публичная история транзакций биткоина защищается совокупной вычислительной мощностью: суммой всей энергии, потраченной на «строительство стены». Благодаря затратности, потребуется сопоставимое количество энергии, чтобы её сломать (неоправданная дороговизна).
Потребление энергии
Криптопокалипсис приближается — PoW биткоина настолько ужасен, что разрушит мир к 2020 году! Возможно, вы заметили, что большинство статей про «конец света» используют результаты расследования Алекса де Райс, «финансиста и специалиста по блокчейн», который работает в аудиторской компании PwC в Нидерландах. А также ведёт блог Digiconomist. Его выводы справедливо критиковали за недостаточную точность расчётов потребления энергии. Используемая им метрика «потребление энергии на транзакцию» умышленно вводит в заблуждение по нескольким причинам:
- Энергия расходуется на блоки, которые могут содержать различное количество транзакций. Больше транзакций не значит больше энергии
- Экономическая ценность биткоин-транзакции постоянно увеличивается (С применением пакетной обработки, Segwit, Lightning и т.д.). По мере того, как биткоин все больше играет роль сети взаиморасчётов, больше экономической ценности приходится на единицу энергии
- Средняя стоимость транзакции не является адекватной метрикой при оценке эффективности PoW биткоина. Метрика должна учитывать хранение истории транзакций. Энергия затрачивается на сохранение запаса биткоинов, относительное количество которых уменьшается вместе с инфляцией. Биткоин суммирует энергию, затраченную на добычу всех блоков с момента запуска сети. Исследователь LaurentMT эмпирически определил, что PoW биткоина на самом деле становится эффективнее с течением времени. Увеличивающаяся стоимость компенсируется увеличивающейся ещё более ценностью хранимых в системе монет
Теперь, когда мы знаем, что правильная метрика эффективности определяется окупаемостью затрат на энергию, давайте посмотрим на изменение цены энергии, затраченной на PoW.
Прирост эффективности ASIC машин уменьшается. Т.к. уменьшается прибыль, можно ожидать увеличение конкуренции среди производителей ASIC машин.
https://cseweb.ucsd.edu/~mbtaylor/papers/Taylor_Bitcoin_IEEE_Computer_2017.pdf
https://research.bloomberg.com/pub/res/d3bgbon7nESTWTzC1U9PNCxDVfQ
Совокупные затраты на майнинг будут преимущественно состоять из стоимости энергии (операционные затраты), а не стоимости ASIC машин (капитальные затраты). Физическое расположение майнинговых центров неважно для сети биткоина, поэтому майнеры стремятся в места с избытком электроэнергии, и, соответственно, меньшей её стоимостью. В долгосрочной перспективе это может повлиять на эффективность рынка электроэнергии. Майнеры биткоинов будут выступать в роли арбитража электроэнергии между глобальными центрами. Для майнинга биткоинов будет использоваться избыток электричества. Это также может помочь решить проблему возобновляемых источников энергии с избыточной ёмкостью, которая никак не расходуется, например, гидроэлекьтростанций или сжигание побочного газа при добыче нефти. В будущем майнинг биткоинов может также использовать возобновляемые источники энергии с переменной мощностью. Производители электроэнергии могут подключить машины для майнинга, и сохранить избыток мощности в биткоинах.
Алюминий широко использовался в качестве средства экспорта электроэнергии из стран, в которых много возобновляемых источников электроэнергии, но нет возможностей их реализовать (например, Исландия). Для переплавки бокситов (они же алюминиевая руда) в алюминий требуется огромное количество энергии, и это односторонний процесс (также как хеширование). Те же доводы по поводу нерационального использования энергии приводились для алюминия 40 лет назад — в 1979 году (включая опасность централизации). Компании, занимающиеся выплавкой алюминия, постоянно ищут дешёвые источники энергии на планете. По мере развития производства алюминия в течение десятков лет, удельный расход энергии (кВт на килограмм произведённого алюминия) уменьшился.
https://www1.eere.energy.gov/manufacturing/resources/aluminum/pdfs/al_theoretical.pdf
Глобальная энергетическая сеть высвобождает неиспользуемые активы и создаёт новые. Представьте трёхмерную топографическую карту мира, на которой источники дешёвой энергии представлены низинами, а более дорогие — холмами. Я представляю майнинг биткоинов похожим на стакан воды, вылитый на эту поверхность, заполняющий любые впадинки и выравнивающим поверхность — Ник Картер
Майнеры биткоинов являются надёжными покупателями электроэнергии. Они стимулируют строительство новых электростанций для использования дополнительных источников энергии, которые иначе не были бы использованы.
Когда прекратится увеличение количества энергии, используемой для PoW? В точности тогда, когда достаточно производителей электроэнергии включат у себя оборудование для PoW, и прибыль от работы этого оборудования сравняется с прибылью от продажи электричества потребителям. Таким образом «дополнительная прибыль» от работы майнингового оборудования уменьшится до ноля. Я называю это равновесие точкой Накамото. Я предполагаю, что на PoW будет тратиться от 1 до 10% общемировой энергии, когда равновесие будет достигнуто. — Друв Банзал
Существует представление, что майнинг биткоинов не делает полезной работы, в отличие от поиска простых чисел, например. Идея использования PoW для выполнения ещё какой-то ещё задачи может показаться хорошей, но на самом деле это негативно сказывается на защищённости сети. Разделение награды может привести к ситуации, когда более выгодно выполнять второстепенную работу, чем основную. Даже если второстепенная работа безобидная (обогреватель, например), вместо дохода $100 за X хешей, он оказывается $100 + $5 (в качестве тепла) за X хешей. Обогреватель с функцией майнинга это просто пример увеличения эффективности оборудования, приводящий к увеличению сложности и, как следствие, расходу энергии на добычу блока. Такой проблемы никогда не будет в биткоине, потому что PoW используется только для защиты сети.
Замечание: Биткоин сам по себе чрезвычайно полезен для общества (иначе майнинг был бы невыгоден), поэтому нерационально просить майнеров выполнять побочную работу, без особого стимула.
Сравнение затрат
Энергия используется везде (первый закон термодинамики). Мнение о том, что использование энергии для какой-то работы более расточительно, чем для другой, полностью субъективно, т.к. все пользователи платят рыночную цену за электричество.
Если люди посчитают, что это выгодно, электричество будет тратиться. Те, кто потратит электричество, будут вознаграждены биткоинами. — Сайфедин Аммос
В термодинамике, вселенная является закрытой системой. Использование избыточного электричества для майнинга биткоинов на порядок меньше, чем используется для существующих фиатных систем, которые основываются не только на банковской системе, потребляющей электричество, но также на существовании вооружённых сил и политической системы. Использование этого электричества для защиты основы финансовой системы выгодно. Ниже в таблице приведено сравнение с существующими финансовой, военной и политической системами.
Цивилизация I типа
В процессе поиска дешёвых источников энергии, мы сможем использовать ещё больше мировых возможностей. Благодаря разработке этих источников энергии, биткоин не только приближает нас к экономике типа I по Кардашёву, но и к цивилизации типа I по Кардашёву (пока мы примерно на уровне 0.72 по шкале Кардашёва). Может потребоваться значительно меньше времени для достижения Т1, благодаря стимулу в виде майнинга биткоинов. Несколько десятков лет вместо 200-т. После достижения типа I будет меньше необходимости ограничивать потребление энергии, и это улучшит условия жизни для всех.
Стимул найти дешёвое электричество ускорит создание термоядерных реакторов. Природа подсказывает как, обеспечивая термоядерной энергией всю вселенную (звезды). Человечество в процессе создания подобного механизма с помощью строительства термоядерных реакторов. Считается, что потребуется примерно $80 млрд. на исследования и разработки в течение нескольких десятилетий, чтобы научиться использовать термоядерную энергию. Топлива для термоядерных реакторов (в основном дейтерий) предостаточно на Земле в океанах. Его вполне хватит для обеспечения человечества энергией на миллионы лет. Термоядерная энергия обладает большинством преимуществ возобновляемых источников энергии, таких как получение энергии в течение длительного времени, отсутствие выброса парниковых газов или загрязнения воздуха. Плотность термоядерной энергии очень высока, а производство непрерывно. Ещё один аспект термоядерной энергии заключается в том, что её стоимость не растёт пропорционально объёмам Например, стоимость энергии воды и ветра растёт, по мере того как оптимальные местоположения для электростанций уже использованы. Стоимость термоядерной энергии сильно не увеличится, даже если будет построено много станций, потому что исходного сырья (морская вода) предостаточно в разных местах планеты.
Вода, вода везде. Но ни капли попить. — Самюэль Тейлор Кольридж
Термоядерная энергия и другие дешёвые источники энергии решат многие проблемы, например, доступность свежей питьевой воды. Мы окружены морской водой, но станции по опреснению потребляют большое количество энергии. Стоимость опреснения морской воды на данный момент выше, чем стоимость воды из скважин, очистка и хранение воды.
Человеческое желание исследовать самые высокие горные вершины, самые глубокие моря и океаны, сердце атома и сущность пространства-времени, не должно ограничиваться энергией. Мы будем тянуться к звёздами.
Стоит ли годовой объем $1,34 трлн. взаиморасчётов, не основанных на доверии, плюс дешёвая энергия для всех, $4,5 млрд. потраченных на майнинг на данный момент? Я думаю ответ уверенное да.
