Деньги — это энергия, или Почему алгоритм PoW эффективен

Большинство людей думают, что алгоритм Proof-of-Work (PoW), который использует биткоин, «расточителен», то есть требует потребления неоправданно большого количества энергии. В данной статье я говорю о том, что всё есть энергия, и деньги — это тоже энергия; потребление энергии можно рассматривать с разных точек зрения, и объём энергии, который потребляется при использовании метода PoW, не так уж велик по сравнению с существующими системами. Эта статья — коллекция мыслей многих известных людей, моя задача была лишь собрать, отсортировать и скомбинировать эти мысли.

Хотел бы уточнить, что я не имею в виду, что современная реализация PoW идеальна и что она не может быть заменена более оптимальным методом PoW/PoS.

Работа — это энергия

Впервые идею о том, что работа есть энергия, высказал французский математик Гаспар-Гюстав де Кориолис, сформулировавший понятие «совершённой работы».

На первом этапе существования человека совершённая работа как понятие современной экономики определялась только процессом получения энергии в результате переваривания пищи.

Миллионы лет назад люди открыли для себя полезные свойства огня. В результате резко возросло количество используемой ими энергии. Теперь они могли получать тепло не только в результате процесса питания, но и от горения различных материалов и веществ. Эта добавленная энергия резко повысила уровень жизни людей.

Несколько тысячелетий назад потребление человечеством энергии ещё больше возросло, когда были приручены и одомашнены животные. Домашние животные могли выполнять работу за людей. Но этих новых «работников» тоже нужно было кормить. Для удовлетворения потребности в энергии требовалось большее количество продовольствия, вместе с тем увеличивалось и процветание человечества.

За последние несколько сотен лет человек создал новые прекрасные машины и механизмы. Они производили работу, сначала используя природные источники энергии, например энергию движущейся воды и ветра, а затем и более дешёвую энергию, получаемую от сжигания таких природных ископаемых, как уголь и газ, а также в результате ядерных реакций.

Механизмы, созданные человеком, и сама природа производят работу за счёт использования энергии.

На самом деле наша экономика основана не на деньгах, а на работе и энергии.

Все вещи в нашей жизни тесно связаны со стоимостью энергии. Очистка воды требует энергии, транспортировка продукции требует энергии, производство этих продуктов также требует энергии. Для приготовления пищи нужна энергия, холодильники и морозильники тоже её потребляют.

В условиях свободного рынка стоимость любого товара в значительной степени определяется энергией, затраченной на его создание. Поскольку при свободном рынке товары меньшей стоимости имеют преимущество, то приходится уменьшать количество энергии, необходимой для производства продукции.

Деньги, которые представляют собой эквивалент работы, необходимой для производства товаров и услуг, также могут рассматриваться как сохранённая энергия.

В начале XX века ведущие фигуры в промышленности, такие как Генри Форд и Томас Эдисон, интересовались возможностью замены золота или доллара «энергетическим долларом», то есть валютой, единицей которой служила бы единица энергии (товарная/энергетическая валюта). Эта концепция была популярна благодаря своим качественным характеристикам: простому учёту и лёгкости измерения (при этом её трудно подделать, зато легко разделить на более мелкие части или посчитать в других единицах). Однако концепция энергетических денег не получила широкого распространения, так как их трудно было передавать и сохранять.

Для того чтобы кто-нибудь страстно захотел обладать какой-либо вещью, пусть она достанется ему как можно труднее. — Марк Твен

Промотаем ленту времени вперёд до 31 октября 2008 года. В этот день Сатоши Накамото опубликовал white paper биткоина. Метод PoW, используемый в системе биткоина, первоначально был создан в качестве средства борьбы со спамом в электронной почте. Лишь позднее Сатоши адаптировал его для использования в цифровых валютах.

По сути, майнинг методом PoW заключается в использовании специализированных машин — ASIC — для преобразования электричества в биткоины (с помощью вознаграждения за блоки). Эти машины многократно выполняют операции с хешем до решения криптографической задачи и получения биткоина в качестве вознаграждения.

Решение криптозадачи означает, что майнер потратил тепловую и электроэнергию при работе ASIC, и это становится доказательством его работы.

Биткоин использует «капиталистический» алгоритм консенсуса «рискуешь деньгами, получаешь голоса» с помощью энергии, которую ASIC использует для генерирования хешей (голосов). — Хьюго Нгуен

Когда Сатоши разработал PoW, он принципиально изменил механизм формирования консенсуса между людьми с «политического» голосования на «аполитическое» (посредством хешей) с помощью преобразования энергии.

PoW представляет собой доказательство траты определённого количества энергии. Почему это так важно? Это самый простой и справедливый способ для физического мира получить доказательство того, что произошло в мире цифровом. PoW — это физика, а не код. А биткоин — это супертовар, созданный из энергии, фундаментальный товар Вселенной. PoW преобразует электричество в цифровое золото.

Реестр биткоина может сохраняться неизменным только в том случае, если это требует определённых затрат. Тот факт, что Proof-of-Work требует затрат, — фича, а не баг. До недавнего времени обеспечение сохранности чего-либо требовало физических действий: постройки толстой стены вокруг того, что должно быть сохранено, и т.д. Новый мир криптовалют неинтуитивен и странен: наши деньги не защищены толстыми стенами и крепкими дверьми. Публичный реестр биткоина защищён коллективной хеш-мощностью: суммой всей энергии, затраченной для создания этой «стены». И благодаря затратной архитектуре для её разрушения потребовалось бы сравнимое количество энергии (то есть фактически такая возможность исключена).

Энергопотребление

«Грядёт криптоапокалипсис: алгоритм консенсуса биткоина Proof-of-Work настолько плох, что приведёт к разрушению мира к 2020 году!»

Нетрудно заметить, что большинство статей с таким прогнозом «конца света» основаны на результатах анализа, предоставленного Алексом де Врисом, «финансовым экономистом и блокчейн-специалистом», работающим на PWC Netherlands и по совместительству пишущим для сайта Digiconomist. Его оценка уже получила справедливую долю критики из-за плохого подсчёта потребления энергии.

Кроме того, те показатели эффективности (KPI), которые он употреблял, преднамеренно вводили читателей в заблуждение, так как де Врис оперировал понятием «энергопотребление в расчёте на транзакцию». И вот почему это неверно:

• Рассчитывалась энергия, затраченная на создание одного блока, который может соответствовать различному количеству транзакций. Большее количество транзакций не означает большее потребление энергии.
• Экономическая «плотность» транзакций биткоина постоянно увеличивается (пакетная обработка, Segwit, Lightning и т.д.). По мере того как биткоин становится, скорее, сетью расчётов, каждая единица энергии обеспечивает экспоненциально большую экономическую ценность.
• Средняя стоимость транзакций не является адекватной мерой для расчёта эффективности метода Proof-of-Work, последняя должна определяться с учётом достигаемой безопасности по сравнению с историческими примерами. Расход энергии обеспечивает безопасность существующего запаса биткоина, и его процентное соотношение снижается по мере того, как снижается инфляция. Биткоин накапливает энергию с каждым блоком, добытым с момента его создания. Аналитик, пишущий под ником LaurentMT, приводит эмпирические данные, демонстрирующие, что PoW биткоина действительно становится всё более эффективным: увеличение затрат уравновешивается возрастанием общей стоимости монет в системе.

Теперь, когда мы узнали, как правильно определить KPI для показателей окупаемости (ROI) в отношении энергопотребления, давайте посмотрим, как меняются энергозатраты для PoW биткоина.

Скорость роста эффективности ASIC замедляется. По мере того, как эффективность снижается, мы вправе ожидать увеличения конкуренции производителей из-за уменьшения маржи.

Полная стоимость майнинга будет сдвигаться от первоначальной стоимости доступного аппаратного обеспечения ASIC (капитальные издержки) к текущим затратам на электроэнергию для функционирования (операционные издержки). Поскольку фактическое расположение ферм не влияет на работу сети биткоина (их всегда можно переместить), майнеры стягиваются в районы, где есть излишек электроэнергии, для снижения предельных издержек. В долгосрочной перспективе это потенциально может привести к созданию более эффективных глобальных энергетических рынков, когда майнеры перераспределяют электроэнергию между мировыми центрами.

Стоимость майнинга станет наименьшей (избыточной) стоимостью электроэнергии. Это может решить проблему возобновляемых источников энергии, имеющих заданную мощность, которая зачастую расходуется впустую, как при образовании гидратного и факельного метана.

В будущем майнинг биткоина поможет и в случае с возобновляемыми источниками энергии, которые имеют переменную мощность: производители энергии смогут воспользоваться услугами майнеров и хранить в биткоинах избытки мощности.

Алюминий был популярным средством «экспорта» электричества из тех богатых возобновляемыми источниками энергии стран, которые находились в кризисе (к примеру, из Исландии). Алюминиевая руда (бокситы) требует для переработки огромных затрат энергии, и получение из неё алюминия — односторонняя функция (как и хеш). Жалобы на «несправедливый» характер потребления энергии для производства алюминия регулярно звучали лет 40 назад (что сопровождалось беспокойством по поводу централизации производства).

Компании — производители алюминия прочёсывали земной шар в поисках мест с дешевой электроэнергией и другими преимуществами. Поскольку производство алюминия постоянно росло, оно становилось всё менее затратным в отношении объёма электроэнергии на килограмм сырья.

Эта глобальная энергетическая сеть задействует многопрофильные активы и создаёт новые. Представьте себе трёхмерную топографическую карту мира, где области с дешёвой энергией стоят ниже, а с дорогой — выше. Я могу сравнить майнинг биткоина с водой из стакана, вылитой на неровную поверхность, заполняющей трещины и неровности и делающей эту поверхность гладкой. — Ник Картер

PoW биткоина становится покупателем излишков электроэнергии, делая поверхность поля электроэнергетики гладкой и стимулируя строительство новых электрогенерирующих установок вокруг разрозненных и разномасштабных источников энергии, которые в противном случае оставались бы неиспользованными.

Когда же перестанет расти количество энергии, затрачиваемой на обслуживание PoW? Ровно в тот момент, когда производители излишков энергии начнут использовать PoW напрямую, так что маржа от сжигания одного киловатта электроэнергии с использованием PoW будет равна марже от продажи, то есть когда вознаграждение в PoW уменьшится до нуля. Я называю точку этого равновесия «точкой Накамото». По моим оценкам, когда эта точка будет достигнута, на PoW будет тратиться от 1 до 10% мировой энергии. — Друв Банзал

Некоторые жалуются, что майнинг биткоина не выполняет никакой полезной работы, за исключением поиска простых чисел. Хотя введение дополнительного вознаграждения за выполнение работы может показаться хорошей идеей, фактически оно создаёт проблему безопасности. Дополнительное вознаграждение может привести к ситуации, когда будет более выгодно решать второстепенную задачу, чем основную. Даже если вторичная функция будет лишь стимулом (например, обогрев), вместо ожидаемого вознаграждения в $100 за Х хешей можно будет получить $100 + $5 в качестве тепла на Х хешей. Обогрев приведёт к излишнему усложнению майнинга и, следовательно, к росту энергопотребления в пересчёте на блок. К счастью, у биткоина никогда не возникнет такой проблемы благодаря тому, что его безопасность гарантируется чистотой и надёжностью алгоритма Proof-of-Work.

Между прочим, биткоин уже приносит пользу обществу (майнинг не был бы прибыльным, если бы это было не так), и неразумно требовать от майнеров выполнять альтруистическую работу без стимулов.

Относительные затраты

Любая деятельность требует затрат энергии, как гласит первый закон электродинамики. Утверждение, что один способ использования энергии более расточителен, чем другой, полностью субъективно, поскольку все пользователи платят рыночную ставку за использование электроэнергии.

Если люди считают, что электроэнергия стоит того, чтобы за неё заплатить, значит, она не пропала даром. Те, кто тратит больше энергии, получают соответствующее вознаграждение в валюте биткоина. — Сайфиддин Аммус

В термодинамике Вселенная определяется как конечная замкнутая система. При использовании биткоином избыточной электрической мощности расходуется меньше энергии, чем для поддержания функционирования существующей системы фиатных валют, которая состоит не только из энергозатратной банковской инфраструктуры, но и из военной и политической машин.

Использование этой электроэнергии, расходуемой на содержание основ финансовой инфраструктуры, было бы «чистым положительным» результатом.

Ниже я даю черновое сравнение существующих финансовых, военных и политических систем (примечания в конце статьи).

Цивилизация типа I

При вынужденном поиске источников дешёвой энергии открываются большие возможности для экономического изобилия в реальном мире. Биткоин, используя эти новые источники энергии различного масштаба, не только продвигает нас вперёд к экономике типа I по шкале Кардашёва, но и приближает нас к энергетической цивилизации (сегодня мы находимся на отметке приблизительно в 0,72 по шкале Кардашёва). Майнинг биткоина выступает стимулом для роста экономики и позволит сократить срок перехода к экономике первого типа с 200 лет до менее чем нескольких десятилетий. Когда цивилизация достигнет уровня первого типа, не будет необходимости в ограничении потребления энергии, что повысит уровень жизни всего населения Земли.

Необходимость поиска источников дешёвой электроэнергии придаст новый толчок разработке термоядерных реакторов. Природа указывает нам путь, питая всю Вселенную с помощью ядерного синтеза (звёзды). Люди пытаются эмулировать явления природы, строя ядерные реакторы. По оценкам учёных, потребуется около $80 млрд. для того, чтобы получить управляемую реакцию ядерного синтеза. Топливо для такого синтеза (в первую очередь дейтерий) в изобилии содержится в океанах и морях Земного шара, что потенциально может обеспечить потребности мировой энергетики на миллионы лет.

Установки термоядерного синтеза имеют много преимуществ по сравнению с возобновляемыми источниками энергии, например непрерывное и долгосрочное получение энергии, а также отсутствие выбросов парниковых газов и загрязнения воздуха. Термоядерный синтез может обеспечить очень высокую мощность и бесперебойную выработку.

Другой положительный аспект энергетики термоядерного синтеза заключается в том, что себестоимость производства не зависит от масштаба и расположения станций. Например, стоимость энергии воды или ветра вырастает, так как приходится размещать энергетические установки в определённых местах, наиболее подходящих для производства энергии, в то время как другие генераторы будут расположены в худших условиях. При производстве энергии с помощью термоядерного синтеза себестоимость продукции не будет сильно меняться, так как сырьё (морская вода) находится в избытке практически повсеместно.

Вода, вода, одна вода, но нет ни капли пить. — Сэмюэль Тэйлор Кольридж

Мощность установок термоядерного синтеза и другие, ещё более дешёвые источники энергии позволят решить основные проблемы человечества, такие как нехватка пресной воды. Мы окружены океанами и морями с морской водой, но станции опреснения требуют большого количества энергии. Расходы на опреснение в настоящее время превышают стоимость добычи пресной воды, использования подземных вод, расходы на водопользование и водосбережение.

Желание человека исследовать, подниматься на горы, спускаться в бездны океана, проникать в самое сердце атома, до самой ткани пространства и времени, желание расти не будет ограничено нехваткой энергии. Мы пойдём дальше — и к звёздам.

Так выгодна ли возможность ежегодно проводить транзакции на $1,34 трлн. без необходимости доверять третьей стороне и с бонусом в виде более дешёвой энергии для всех притом, что затраты на майнинг составляют $4,5 млрд.?

Я думаю, что ответ однозначен: да.

Примечания:

• Все цифры даны в долларах США.
• «Правительства» — это общие годовые расходы, включая военные.
• В 2006 году Министерство обороны США израсходовало почти 30 000 ГВт·ч электроэнергии на сумму около $2,2 млрд.
• Ежегодно военные расходы в мире составляют около $1,7 трлн.
• Этот анализ сделан на основании исследования Хасса Маккука.
• Данные по затратам на добычу и переработку золота, а также на содержание банковской системы представлены на 2014 год.
• Затраты на банковскую систему и правительственные сметы представляют собой совокупные расходы, которые включают стоимость электроэнергии.
• Энергопотребление США — в процентах от мирового.
• С расходами Федерального правительства США можно ознакомиться здесь.
• А на майнинг биткоина — здесь.
• $63,8 млрд. в год тратится только на содержание банковской системы.
• В сфере биткоина было зарегистрировано ноль смертей работников, в то время как в золотодобывающей промышленности — 50 000 за последние 100 лет.
• Инфляция по фиатным валютам составляет 2-3% ежегодно, что является скрытым налогом и снижает эффективность сбережений. Расходы на поддержание фиатных валют составляют гигантскую сумму и не приводятся.
• Биткоин не выпускается правительством, таким образом, коррупция не может влиять на его распределение.

Источник: coinspot.io