矿机杂谈

引言

由于本人从事了多年嵌入式硬件的开发，对矿机很有兴趣，近几天花了一点时间研究了一下矿机的发展历程。

什么是挖矿

使用PoW共识机制的加密货币，需要通过解决谜题来竞争区块的生成权，并随区块的诞生发行新货币。具有代表性的有比特币、莱特币、达世币、以太坊、门罗币等。

求解谜题的过程就叫挖矿，求解谜题参与竞争需要使用的设备就称为矿机，矿机消耗电力，求解谜题，最终生成区块，获得奖励。

而运行矿机，获得收益的人群，我们亲切的称他们为矿工。

每种加密货币使用的PoW算法不尽相同：

比特币：SHA-256

莱特币：Scrypt

达世币：X11

以太坊：Ethash

门罗币：CryptoNight

打个比方来说，挖矿就是一场持续不断进行的“饥饿游戏”，全世界的矿工都会参与，而游戏的奖品就是数字代币。

矿机分类

加密货币的挖矿设备分为以下几种：

1. CPU

2. GPU

3. FPGA

4. ASIC

1. CPU矿机

在一种加密货币发展的早期，用户稀少，挖矿竞争并不激烈，使用普通的CPU即可挖到区块。

最早，BTC的创世区块就是由中本聪用他的电脑挖出来的。

但是随着算力的不断提升，用电脑CPU挖矿现在是一件得不偿失的事情。因为收益很少，根本无法覆盖电费。

2. GPU矿机

随着挖矿人群的增多，矿工间的竞争加剧，比CPU更适合挖矿的GPU，也就是我们常说的显卡开始加入，GPU的挖矿速度大约是CPU的几十倍。

你肯定听说过在2010年的5月18号，一个佛罗里达的 程序员 小哥用1W个BTC买了2个匹萨，这必然是历史上最昂贵的匹萨！即使现在BTC价格走低，这2个披萨也价值400多万人民币。所以现在每年的5月18日就成为了币圈的匹萨节。

但你有没有想过一个问题： 为什么这个程序员小哥有这么多的BTC ？

因为他是 使用GPU挖矿的第一人 。

在他之前的大部分挖矿都是使用CPU的，他觉得CPU挖矿不过瘾，然后发现GPU要比CPU挖矿快800倍，于是就在比特币还不普及的阶段，他用GPU挖了大量的比特币。根据他发的帖子记载，当时他每一天的收益是几千枚BTC，这也不奇怪为什么拿出1W枚来换取披萨了。

几年以后这个程序员接受采访，他表示并不后悔，他觉得： 购买匹萨在当时证明了比特币的货币交易属性，是一件值得骄傲的事情。 他很自豪成为用BTC买披萨的第一人。

亲爱的小伙伴，你看完后有没有受到启发？ 你现在还有机会成为用BTC购买驴肉火烧的第一人 ^_^

3. FPGA矿机

CPU和GPU属于通用设备，所以挖矿程序只能利用芯片的一部分晶体管。于是，更加专业的FPGA被用来挖矿。

要了解FPGA矿机，就得先解释一下FPGA是什么。FPGA（Field－Programmable Gate Array），中文名叫做 现场可编程门阵列 。

比较通俗的理解是，FPGA就是把一大堆逻辑器件（比如与门、非门、或门、选择器）封装在一个盒子里，盒子里的逻辑元件如何连接，全部由使用者（编写程序）来决定。这就好比我们买了一套乐高玩具，怎么拼就看熊孩子了。

根据写入程序的不同，FPGA就可以实现任意的功能，而挖矿自然也不在话下。而且由于FPGA灵活度高，可以支持不同的算法：不仅可以支持比特币的SHA256算法，也可以支持GPU矿机擅长的莱特币的Scrypt算法。

FPGA的缺点是芯片产量不及CPU和GPU，编程难度较大，设备成本更高。但是，由于FPGA减少了CPU和GPU中那部分挖矿不能利用的晶体管，相比同时代的CPU、GPU矿机，算力性能不占优，但功耗要低很多。

对于矿工来说，挖矿开支的大头并不是昂贵的矿机，而是电费。因此只要功耗低，用电少，FPGA矿机的总体收益是高于CPU和GPU的。

4. ASIC矿机

但当加密货币的价值变得足够高之后，挖矿设备的终极形态将会出现，这就是ASIC。

ASIC的全称是 专用集成电路 ，也就是说，针对加密货币专门从零开始设计一款新的芯片，芯片设计的难度非常大。同时，芯片生产（流片、封装、测试）的启动成本极高，动辄要几百万RMB。

这一切都造成了ASIC矿机产能低、价格高昂。不过由于ASIC矿机的芯片是完全针对PoW算法开发，ASIC矿机的速度非常快，比FPGA矿机的速度高一个数量级，单位能耗下完成的挖矿任务也更多。

目前全球最大的ASIC矿机生产商是比特大陆，凭借自行研发的挖矿芯片，其生产的蚂蚁矿机几乎垄断了整个市场。

由于ASIC矿机容易垄断，在利益的驱使下，现在矿机厂商有很强的动力去开发ASIC矿机。

总体上说，矿机的演进过程为: CPU→ GPU → FPGA → ASIC 。

技术演变

所以某个币种的ASIC矿机一旦出现，CPU、GPU、FPGA就会陷入挖矿收益低于电费的情况，很快这三者就会销声匿迹。

由于ASIC矿机的出现，挖矿的门槛将会极大的提高，挖矿将会变得集中化，最后集中到少数几个寡头手中。目前来看，这并不符合加密货币和区块链去中心化的思想，容易出现“矿霸”。矿霸掌握着大量的算力，对整个电子币生态的发展有着非常大的影响，2017年比特币的扩容、隔离见证、比特币现金分叉等等事件，无不显示出矿霸的巨大影响力。

为了避免矿霸的出现，减少算力集中化的趋势，比特币之后出现的加密货币在对抗ASIC上做出了很多尝试。

莱特币使用的Scrypt算法，通过使用大量内存的方式，限制ASIC的效率，增大ASIC的设计难度。然而，随着莱特币价格的高涨，算法缺陷被找到，ASIC矿机最终被设计出来。

达世币使用X11算法，使用11种Hash算法的组合，将原来只需要针对一种算法设计ASIC，变成了需要针对11种算法，这进一步提高了ASIC的设计难度和成本。最终，ASIC矿机还是被设计出来。

经过了莱特币和达世币的尝试，加密货币的设计者们慢慢总结经验和教训。

到现在为止，以太坊和门罗币的算法设计相对成功，目前，尚未设计出ASIC矿机，以显卡矿机为主。

而在ASIC矿机的出现后，FPGA矿机已经逐渐淡出人们的视线。因为ASIC是为专一功能打造，算力与功耗相较FPGA更具优势，所以现在基本已经看不到FPGA矿机，取而代之的是ASIC矿机与GPU矿机。

当然，FPGA矿机并没有死掉，现在依然有团队在研发新的FPGA矿机，针对某些没有出现ASIC矿机的币种（如以太坊和门罗币），FPGA矿机或许有一天会东山再起，取代这个币种的GPU矿机。

但一旦这个市场的利益最够大，最终肯定会有矿机厂商研发出针对这个币种的ASIC矿机，形成新一轮的迭代。最终还是符合 GPU → FPGA → ASIC的规律。