矿业编年史系列之“技术装备信仰”

在矿业中，矿机厂商、矿工、矿池、矿场分别构成了在矿业产业上下游的生态支点。每一个支点都相互联系、相互制约，更重要的是相互进步。每一个技术的变化都催发了支持者对比特币乃至区块链未来的信任，技术装备信仰，信仰带来未来。本文将列举在矿业中重点的技术发展，其中贯穿前后的是挖矿方式变化。

矿机（挖矿设备）：

1CPU1算力：比特币最初的设计则是1CPU1算力，代表了可以用普通的CPU就可以轻松挖矿，在这个时候需要的算力大概是20MHash/s。这时比特币网络的挖矿难度还不高。

1GPU1算力：随着挖矿难度的提高，CPU的计算能力不足以快速挖矿。在设计逻辑上，CPU具备复杂运算的逻辑设计，而GPU则是由上千个流处理器组成，执行简单重复性高的计算特别适合，早期的显卡矿机即开始执行1GPU1算力的方式，当时显卡的算力为400MHash/s。

FPGA矿机挖矿：2013年年初，南瓜张研发了第一台FPGA矿机——南瓜机，开启了FPGA挖矿的新纪元，是第一次将专业级挖矿的理念带到产业中，FPGA矿机是使用FPGA芯片作为算力核心的矿机，是第一次针对挖矿的专业芯片设计，FPGA即现场可编程门阵列，是一个便于编程操作的计算执行组合。当时的FPGA矿机的算力大约是25GHash/s，为ASIC矿机的出现奠定了基础。ASIC芯片也开始了一轮又一轮的进化，从110nm到55nm，从55nm到28nm，从28nm到16nm。

ASIC矿机挖矿：2013年1月，阿瓦隆交付第一台商用比特币ASIC矿机。ASIC矿机开始改变比特币挖矿的生态，ASIC即专门集成电路矿机。是专业的挖矿矿机。矿机中将可执行重复命令的ASIC芯片密集组合，算力极高。当时算力可达3.5THash/s。ASIC芯片也开始了一轮又一轮的进化，从110nm到55nm，从55nm到28nm，从28nm到16nm，至今已经到7nm。

挖矿算法：

SHA256：比特币原生的密码学算法，SHA256是SHA-2下细分出的一种算法，一种以哈希函数为基础的安全散列算法，散列函数把消息或数据压缩成摘要，使得数据量变小，将数据的格式固定下来。该函数将数据打乱混合，重新创建一个叫做散列值（或哈希值）的指纹。散列值通常用一个短的随机字母和数字组成的字符串来代表。

Equihash算法：该算法是Zcash使用的POW算法，为分散式采矿算法，主要应用于于Ethereum，Zcash，Zencash等数字货币，以显卡挖矿为主。BTG在分叉完成后，也执行Equihash算法，并在Equihash基础上进行了对函数因子的扩充，以保证防止ASIC矿机抢夺挖矿机会。

Ethash算法:Ethash是Ethereum 1.0 的计划的POW算法。存在一个种子, 可以通过块高度直到该点来计算每个块。从种子, 你可以计算一个 16 MB 的伪随机缓存, 用于轻客户端存储缓存。从缓存中, 我们可以生成一个 1 GB 的数据集, 该属性表示数据集中的每个项只依赖于缓存中的少量项。完整的客户和矿工存储这个数据集。数据集会随时间线性增长。挖矿涉及抓取数据集的随机切片并将它们一起哈希。可以通过使用缓存来重新生成所需的数据集的特定部分, 从而低内存的机器可以进行验证, 因为只需存储缓存即可验证。完整的大数据集每隔30000块更新一次, 因此大多数矿工的工作将是读取数据集, 而不是对其进行更改。

矿池：

早期矿池：矿池最基本的职能就是将其用户矿工的的算力聚集起来一起去挖矿。在矿池帮助下，对矿工的技术门槛要求非常低。早期矿池下挖矿只需要下载挖矿软件，双击打开配置好的bat文件开始挖即可。并不需要下载任何零币的钱包或同步区块，甚至不需要在矿池注册，也不需要运行全节点钱包。至于接收挖到币的接收地址完全可以由第三方平台获取。

矿池将业务发给矿工，矿工然后每次计算成功完成之后，便提交给矿池一个share。当矿池验证这些share没有问题则Accepted接收并统计数量，当最后成功挖到区块时，则根据各个矿工提交的share数量的多少，按占比的比例，来分配这些新币。

矿机连接协议：“矿池”通过矿机连接协议来协调成百上千个矿工。矿工在建立矿池账号后，设置他们的矿机连接到矿池服务器。矿机在线上运行挖矿时，需要保持和矿池服务器的连接，和其他矿工同步工作。常用协议包括：Stratum（STM协议）、getBlockTemplate（GBT协议）、GetWork（GWK协议）等。

结算模式：

PPS：即根据解决问题所做的贡献决定金额。用户可以立即提取自己赚到的奖励。奖励是由矿池中的现有余额支付的。PPS全称为Pay Per Share。为了解决PPLNS那种有时候收益很高，有时候没有收益的情况，PPS采用了新的算法。PPS根据你的算力在矿池中的占比，并估算了矿池每天可以获得的矿产，给你每天基本固定的收益。

PPLNS：和PPS很类似，全称Pay Per Last N Shares，“根据过去的N个股份来支付收益”，每过一段时间交易费也会被加入到区块奖励中，然后分摊给矿工。这意味着，所有矿工一旦发现了一个区块，大家将根据每个人自己贡献的股份数量占比来分配区块中的货币。在PPLNS模式下，如果矿池单位时间内能发现很多区块，那么分红会非常多，如果矿池一天下来都没有能够发现区块，那么大家也就没有任何收益。同时，由于PPLNS下，具有一定的滞后惯性，挖矿收益会有一定的延迟。

PPS+：可以理解为PPS+PPLNS结算的组合，PPS+模式在矿工中接受程度最高。每个区块的挖矿收益=爆块奖励（12.5个BTC）+本区块交易手续费（约为爆块奖励的1.9%），爆块奖励使用PPS方式结算保证基本收益，交易费用将根据PPLNS计算方法支付，提供激励。

SOLO：矿机爆块才有收益，如果矿机爆块可获得该块扣除手续费的所有收益，如果矿机不爆块则没有收益。

Proportional：每一轮奖励分发的过程中，矿工按照他们提交的份额获得区块的。份额收益取决于矿工在每一轮已经提交的份额，因此，hoppers将获得超额收益，而稳定的矿商却获得更少的收益。这是最糟糕的奖励制度，不能被使用。

Slush’s method：每一份额都会标记一个分数，分数这取决于提交的时间（时间的指数函数），而块的奖励是按照他们的分数来分配的。从历史上看，这是第一个专门用来对抗跳跃的方法，尽管它是不完整的，一些跳跃仍然是可能的。这种方法完全可以被间歇的矿工使用，他们的长期平均回报不会受到影响。不过，间歇性矿工的差异将尤其严重。

Geometric method：这是一种更精确地实现Slush’s method。随着更多份额的提交，份额的回报会呈指数级下降。经营者收取可变费用以维持稳定的历史。该方法的总方差很高，但其在经营者和矿工之间的分布是可调的。PPS是这种方法的一种特殊情况。

SMPPS：奖励的发放与PPS类似，但是上限不超过矿池内的总额。

ESMPPS：在这种规则下，所有的矿商收到相同份额的奖励。

Double geometric method：这是一种混合了geometric method 和 PPLNS，包括前者和后者的指数版本作为特殊情况。随着未来份额的数量和被发现的区块数量增加，份额会呈指数级衰减。成熟度、方差和操作风险是可调的。

联合挖矿：联合挖矿是指在挖一种币的同时，会赠送另外一种币。

矿池安全：

DDoS攻击：使用多个终端或大量命令同时访问矿池，导致矿池被占用或宕机。一旦矿池遭遇拒绝服务攻击，将与矿机断开连接，所有矿工的算力将浪费。

资管安全：挖矿获得的比特币和其他币种要通过资管安全方案来保护，矿池的资管和交易所的资管一样，一般是中心化的，因此，安全问题是刚需。

结语：

目前，挖矿仍旧以POW共识算法的基础在发展着，因POW在密码学的设计上机制最为公平和安全，因此，矿业的挖矿机制暂时不会发生巨大的改变。

但POW在目前资源过剩的行业中造成的资源浪费问题较为严重，在熊市中，POW的难度也造成了行业发展的不利因素，在未来，新的共识挖矿的机制可能会产生应用，但在计算逻辑上极有可能不需要通过专业矿机的形式出现，例如DPOS矿机，本质上是一个钱包与权益分红机制的结合，在POW中计算是核心，通过这样的核心才保证了安全和公平。比特币出现已十年，在信仰者通过技术的加持后，POW对行业的贡献已经凸显，在未来，区块链技术大规模应用之时，矿业还会在POW的基础上出现创新和转机，敬请期待。