競爭的加劇將使比特幣礦業向資源密集性型產業發展,不斷下降的挖礦利潤使得礦業更趨向工業化和金融化。

撰文:Leo Zhang,Anicca Research 創始人;Anicca Research 是一家專注於算力及衍生產品的研究機構。作者授權鏈聞發表該文章的中文版本。
編譯:小毛哥

越透明的東西越神祕,宇宙本身是透明的,只要目力能及,你想看多遠就看多遠,但越看越神祕。

——劉慈欣 《三體》

比特幣挖礦呈現出一個將硬件和軟件、能源和金融市場等多因素結合的局面。看不見的規則影響礦業的各個方面。每個礦工進行挖礦的效益取決於各種不同的外部因素,這些因素大多難以量化,幾乎無法概述和預測。

從宏觀的角度來看,我們可以確定推動整個加密礦業發展的三個內部主要因素包括:供應機制、氣候週期和硬件迭代,每個因素都會對礦工利潤計算公式中不同的部分產生影響:

挖礦利潤

= 挖空收入 - 挖礦費用

=(區塊獎勵+手續費)* 比特幣價格 * 礦工的算力 / 全網算力 -(電費 + 硬件折舊)

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  • 代幣供應機制影響 區塊獎勵 (收入) ;
  • 氣候週期間接影響 行業平均電費 (運營費用) ;
  • 硬件迭代影響 礦工算力、功效比以及硬件折舊 (資本支出) 。

當 2012 年比特幣首次減半時,大多數人都使用家用電腦以及 GPU 進行挖礦,全網算力分散在世界各地,此時市場的主導力量也僅爲比特幣區塊獎勵減半的驅動。隨着挖礦產出比減少,全網算力驟跌,並暫時轉向利潤更高的萊特幣。到 2016 年第二次減半時, 商業化的 ASIC 礦機 及工業化的加密礦場已開始陸續投入使用。

在今年五月比特幣第三次減半之前,加密市場的分析師就潛在的結果進行激辯。部分分析師臆測,由於供求關係的影響,比特幣價格將翻倍。也有分析師推測,全網算力將降低 20-30% 。同時,由於此次減半發生的時間、氣候週期向豐水期的過渡、以及礦機芯片從 16 nm 向 8 及 7 nm 升級 三個因素重合發生,這三方面的因素在此次減半中相互作用,共同對挖礦收益產生影響。

代幣供應機制

比特幣是 算力 的產物,挖礦行業存在的基礎在於能持續激勵礦工投資硬件,消耗能源以鞏固比特幣網絡對交易結算的保證能力。在缺乏活躍的區塊空間市場的情況下, 區塊獎勵 是礦工的主要收入來源。多年來,由於比特幣價格的上漲,挖礦收入也顯著增長,這反過來又將礦業塑造成爲一個 價值數十億美元的產業

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與大多數有形的商品不同,比特幣的合約明確規定了四年一次的減半時間表。每天新的比特幣代幣供應中有不同比例的比特幣重新流入比特幣經濟網絡的其餘部分。由於礦工是比特幣生態中 唯一的自然供應方 ,也是最大、最穩定的賣家羣體,因此挖礦的利潤率是決定比特幣供給端的關鍵因素。

比特幣礦業三體問題:十年野蠻生長的礦業「黑暗森林法則」是什麼?​2020 年 6 月至 12 月預估回報,基於每區塊 6.25 BTC 和 1-5 月的價格,來源:blockchain.info

顯而易見的是,比特幣區塊獎勵減半會直接使得礦工的產出比下降。一些老一代機器可能因爲功率降低而無法開機。在這些時期, 礦機的買賣 和整合 往往會發生,擁有便宜電力資源的礦工將以低廉的價格批量購買部分老一代的礦機,同時 礦機的二級市場 將變得更加活躍。

礦機是比特幣物理形式的 雙變量看漲期權 。礦機定價的複雜性和運輸的困難性使得二手礦機市場很不透明,具體表現在流動性差,並且高度依賴行業內人員。但是,糟糕的價格發現有時給一些礦工帶來了巨大的套利機會。例如,在 2018 年末,比特幣價格急劇下跌至 3,000 美元的水平,較大比例的算力顯著下跌,引發衆多探討「 比特幣挖礦死亡螺旋 」的頭條新聞。一些礦工乘此機會找到大量低價售賣的螞蟻礦機 S9。之後的短短四個月內,比特幣價格就進入了瘋狂的牛市。這些買家不僅從他們挖出的比特幣中獲利可觀,而且這些礦機轉售價格也提高了 3 倍。這表明,即使是無法開機的礦機硬件仍然 具有期權的性質和價值

比特幣礦業三體問題:十年野蠻生長的礦業「黑暗森林法則」是什麼?​來源:Jinping Gou

礦機的買賣和整合活動改變了 挖礦硬件市場 的結構。硬件市場結構可以告訴我們整個挖礦活動消耗多少能源。雖然很多人用較爲簡單的方式嘗試計算礦工「 關機價格 」,但每個礦工的進入時間、資金數量、成本基礎和風險承受能力都不同。因此,整個行業內的成本基礎實際上是個很寬的範圍,賣出比特幣的行爲在各種價格水平上都會發生。

爲了評估比特幣網絡中礦工賣出比特幣的壓力,我們需要了解礦機的構成要素。由於行業中沒有任何一方可以掌握礦機市場的整個買賣信息及其電力成本,因此收集這些數據是非常具有挑戰性的。 Blockware 團隊 最近通過分類不同礦機類型以及電費等因素來實現這一研究。在 三月份發佈的報告中,該團隊預計部分網絡的構成要素下圖所示:

比特幣礦業三體問題:十年野蠻生長的礦業「黑暗森林法則」是什麼?​來源:讀懂比特幣減半中礦工行爲博弈過程

今年比特幣減半後,比特幣全網算力從三月份的約 109 EH/s 下降至 約 94 EH/s 。假設所有關機的硬件設備都是螞蟻礦機 S9,我們可以更新上文的構成要素圖表: (新增每日運營費用及每日折舊信息)

比特幣礦業三體問題:十年野蠻生長的礦業「黑暗森林法則」是什麼?​*螞蟻礦機 S9i 規格(13.5TH/s,1,310W,單價 21 美元),螞蟻礦機 S17 + 規格(70TH/s,2,800W,單價 1,232 美元);**S9i 平均年限 18 個月以上,S17 + 平均年限 36 個月以上

基於以上數據,我們可以計算出各種價格水平下大致的 每日礦工賣出比特幣 佔日產出比特幣的比例,以及每日礦工賣出比特幣佔全球日交易量的比例:

比特幣礦業三體問題:十年野蠻生長的礦業「黑暗森林法則」是什麼?​由於全球交易量隨價格變動而變化較大,因此價格區間相對狹窄。*每區塊 6.25 BTC。不包括交易費用。**全球交易量 11.4 億美元,來源:Bitwise

請注意,此分析的數據僅用於說明結論。以上的數據基於非常粗糙的假設:所有老舊礦機都由螞蟻礦機 S9 爲代表、新一代礦機由 螞蟻礦機 S17 爲代表。無須多言的是,礦工從多個製造商購買機器,而不同製造商的同一代礦機也具有不同的規格。實際上,市場的組成因素差異要大得多。同時,此分析是基於靜態的時間點,礦機硬件的構成要素組成非常不穩定,隨着減半後市場尋求新的平衡,礦機正在積極地換手中。即將到來的豐水期也對大多數礦工的電力成本產生了巨大影響。另外,隨着越來越多的礦工使用諸如抵押貸款、期貨、甚至是算力市場等 金融工具 ,比特幣網絡的 礦工賣出壓力 將得到部分緩解或延遲。

通過觀察挖礦產業的構成要素隨時間的變化,可以得出的一個結論是:算力的產生是「 不對等的 」,換句話說,因爲組成要素的不斷變化,每個單位的比特幣算力都是獨一無二的。

氣候週期

氣候週期是讓挖礦行業在地理上多呈現集中佈局的原因之一。多年來,比特幣挖礦無意中得益於 中國西南地區 對水電大規模、甚至過度的投資。剩餘的廉價電力、巨大的發電能力、廉價的勞動力成本以及與礦機制造商的較近距離,使中國的西南地區成爲比特幣挖礦的理想場所。據估計,全球 超過 65%的算力 集中在以下省份。

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大約 五月至十月 是中國西南部的豐水期,這也是加密礦業的「節日」,大量的剩餘水電供應大大減少了礦工的運營費用。對於中小型礦工來說,豐水期可將 成本降低多達 40% 。對於擁有專用設施的大型礦工來說,豐水期的電費甚至可以忽略不計。到了豐水期,內蒙古、新疆等省份超過 80%的礦工將成羣遷徙到 四川、雲南及貴州 以進行豐水期挖礦,這些礦工可能在 11 月枯水期到來後搬回或出售礦機。

比特幣礦業三體問題:十年野蠻生長的礦業「黑暗森林法則」是什麼?​比特幣採礦地圖,來源:劍橋新興金融中心

蓬勃發展的加密礦業爲當地的發電廠業務帶來了利好,許多人建造或者將其設施改造成 算力中心 ,以進行礦機託管業務。

比特幣礦業三體問題:十年野蠻生長的礦業「黑暗森林法則」是什麼?​來源:微信羣

逐漸地,加密礦業圍繞着這些氣候模式進行結構調整。就像某種古代的儀式,每年在豐水期來臨之前,挖礦行業都會在四川省會成都市舉行大規模加密礦業峯會。我們還會看到的現象包括:部分設施 僅在豐水期期間 向外部客戶開放;礦機制造商在產品運輸前就計劃好新產品的發佈;礦工競相購買最新、最好的礦機。

豐水期比特幣算力的增長:

比特幣礦業三體問題:十年野蠻生長的礦業「黑暗森林法則」是什麼?​來源:coinmetrics.io

今年年初,由於宏觀經濟的不確定,投資者和礦工恢復了更加謹慎的投資方式。由於新冠疫情對供應鏈造成衝擊,新型礦機也曾暫停生產。比特幣減半後,更多的礦機關機,使得礦機託管 供應大於需求 。四川和雲南等地區許多工廠很難找到客戶,這一情況也繼續降低幣價,與去年的電費 0.24-0.26 元 / 千瓦時的成本相比,年初預計的平均成本可低至 0.10-0.20 元 / 千瓦時

更低的電力成本將部分抵消比特幣區塊獎勵減半的影響,許多礦場必須與發電廠簽訂合同,承諾使用電力的最低限度。爲了吸引業務,一些公司提供「 聯合挖礦 」的計劃,礦工每月支付最少的費用,把部分自己的挖礦收益分配給託管服務商,有效地將部分市場風險 轉移給託管商

但是類似上述的舉措並不意味着絕對可以保證降低運營成本。雖然水電設施在豐水期較便宜,但這些礦場通常位於較偏遠的地區,電源供應和互聯網連接可能不穩定,有時甚至有山洪爆發造成損失的風險。

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另一個風險是地方政府的 政策風險 。在 2018 年之前,大多數當地官員都不知道什麼是挖礦,加密礦業設施通常以大數據或雲計算項目數據中心爲名上報政府。在 2018 年 ,中國的互金整治辦將加密貨幣挖礦認定爲「僞創新」,理由是加密挖礦極其浪費資源,監管層要求各地積極引導轄內企業有序退出挖礦業務,部分礦場的確在該壓力下關閉業務。但是在 2019 年下半年,國家發改委將「淘汰產業」中 「虛擬貨幣挖礦」刪除 。值得注意的是,國家發改委負責監督能源行業。豐水期大量浪費的水電資源是一個長期存在的問題,官員們或許開始意識到,比特幣挖礦是一種將多餘的本地資源轉換爲全球數字商品的有效方法。

幾個月前,四川公佈首批「水電消納示範企業」公佈,含多個比特幣挖礦公司。壞消息是,儘管有更多的加密礦業設施開始運營,但今年的降雨量卻沒有預期得大。在撰寫本文時,隨着夏季酷暑的來臨,水力發電廠的電力首要用於保證四川居民使用。

但近期四川一個叫木裏縣的地區於 5 月 21 日發佈了《關於報送虛擬貨幣「挖礦」活動情況的通知》,儘管很多當地的人士不希望執行該命令,但這也表明豐水期 能源形勢的複雜性 ,期望豐水期降低礦工電費並不是隨叫隨到的萬能藥。

在加密貨幣挖礦的這一階段, 氣候週期 是一個相當獨特的現象。如果將來挖礦業務遷移到更多不同的地點,而不再集中於單一電源供應,則氣候週期的因素將不再發揮如此重要的作用。

挖礦硬件的迭代

礦機制造商不斷競爭以製造在市場中領先的產品。長期以來,比特大陸生產的 螞蟻礦機 S9 一度佔領市場。根據比特幣在 2018 年提交的 IPO 文件,比特大陸生產的礦機佔據市場上所有 ASIC 礦機 約 74.5%的份額 。但是在過去兩年中,比特微的神馬礦機和嘉楠耘智的阿瓦隆礦機等競爭對手正在迅速蠶食比特幣大陸的市場份額。

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2017 年,神馬礦機售出 9 萬臺,佔年底全網算力 7.2%,2018 年,神馬礦機新機算力佔年底全網算力 9%,2019 年,該公司新機算力佔年底全網算力的 35%

礦機產品是一種商品,儘管有特定因素可以幫助礦機制造商脫穎而出,例如客戶服務、交貨時間、供應鏈管理等,但競爭迫使礦機制造商不懈地專注於兩個關鍵指標: 價格和能效比

礦機能效比通過單位算力功耗來衡量,該指標越低,說明挖礦所消耗的電量就越少,每一代挖礦硬件都通過改善礦機能效比來定義新產品。

比特幣礦業三體問題:十年野蠻生長的礦業「黑暗森林法則」是什麼?​*截至 2020 年 5 月 31 日;**基於 6.25 BTC 區塊獎勵,15,138,043,247,082 挖礦難度,9,500 BTC 價格

礦機能效比的改善對收益有重大影響。使用當前的比特幣難度和二手螞蟻礦機 S9i 的平均價格 (每臺機器 21 美元,能效比 97.0J/TH) ,我們可以計算出各種價格水平下的 回本天數

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以下是最新的 螞蟻礦機 S19 Pro 回本天數計算 (每臺機器 2,407 美元,每臺機器能效比 29.5 J/TH) :

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目前在大多數情況下,螞蟻礦機 S9 無法盈利,但是擁有極低價格電力資源的礦工仍然可以獲利。比較上面的兩個表,我們可以看到在 $ 0.04 / KwH 以下,礦工使用 S9 挖礦的回本週期更快。得益於廉價的電源,當新一代礦機產品投放市場時,前代產品不一定會立即退出市場。 Coin Metrics 的團隊根據隨機數分佈彙總了一段時間內螞蟻礦機 S7 與 S9 的預計使用量。正如我們所看到,隨着 S9 的普及,螞蟻礦機 S7 的使用率 不會僅僅呈現下降趨勢

比特幣礦業三體問題:十年野蠻生長的礦業「黑暗森林法則」是什麼?​來源:Coin Metrics 第 51 期 State of the Network

如同在前文「代幣供應機制」部分中所述,擁有便宜電力資源的礦工將以低廉的價格批量購買部分老一代礦機,從中賺取較高的利潤。這種套利機會通常在 算力相對較高而比特幣價格相對較低 時出現。儘管算力的價值在很大程度上取決於比特幣的價格,但由於硬件市場對金融市場動向的 反應延遲 ,算力和價格之間存在差異。製造定製化的芯片會產生一次性工程成本,礦工製造商及其供應鏈合作伙伴需要按製造的芯片數量來攤銷這種 一次性成本費用 。除非礦機制造商是擁有大量訂單的長期合作客戶,在多數情況下,晶圓代工廠會要求礦機制造商全額支付儲備晶圓的訂單。

晶圓訂單的生產週期通常爲 12 到 13 周,該時間週期使製造商制定具有前瞻性的業務計劃變得更加有挑戰性。在 2017 年底 ,許多製造商在牛市期間沒有足夠的庫存,無法向市場出售產品,因此錯誤地判斷牛市持續的時間。包括 Nvidia 在內的製造商高估了 2018 年的訂單量,並不得不在下半年逐漸虧本清倉庫存。

比特幣礦業三體問題:十年野蠻生長的礦業「黑暗森林法則」是什麼?​來源:BitInfoCharts

一旦礦業市場完成從 16nm 芯片到 7nm 芯片 礦機的升級,後端產品技術的競賽將停止很長時間。新型礦機的平均壽命將從之前的 2 年 延長到 3 到 4 年 ,礦機設備的故障率將成爲更加重要的因素。實際上,故障率與價格、能效比都被認爲是關鍵的礦機評估指標。

頻繁的礦機故障會降低礦機的算力,並在保修期結束後內迅速增加維護費用。嚴重的故障意味着維護將損失一部分收入。例如,由於 散熱設計的缺陷 ,螞蟻礦機 S17 系列的壞損率 高達 20%-30% 。故障原因是散熱片鬆動或移位導致算力板短路停擺,這個故障修復的成本非常昂貴——儘管螞蟻礦機 S17 系列基於先進的製造過程,產品卻不盡如人意。

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更先進的礦機硬件意味着更高的前期資本支出,這反過來又促使加密礦業進一步工業化。不久後,更多數據中心將自己定義其基礎架構,以適應於特定的挖礦需求。富餘的天然氣能源挖礦, 沉浸式液冷 和內部監控解決方案將開始出現。

另外,我們是否應該擔心「工業化」將進一步使得加密礦業更加中心化?

硬件製造是一種再生產過程,可以主動消除對基因突變的需求。在當前狀態下,硬件製造受益於標準化和集中管理。加密礦業的工業化勢不可擋,而去中心化挖礦最好可以關注下游算力投票權,例如 去中心化挖礦協議 Stratum V2 支持的「工作協商」模型。 (鏈聞注:Stratum V2 是下一代的礦池挖礦協議,它將提高挖礦數據傳輸的效率和安全性,並減少挖礦所需的硬件設施,它同時也引入了三個新的子協議,讓礦工通過與礦池的協商過程來選擇他們自己的交易集,由礦工決定在區塊中加入哪些交易,而不是由礦池來決定。)

經過十年的野蠻增長,加密礦業正處於發展的十字路口。供應機制、氣候週期和硬件迭代,這三種力量的糾纏產生不可預測的短期變化,但是從長期來看,隨着比特幣與加密經濟的其他部分越來越深入地融合,加密礦業將變得更加競爭,並傾向於 資源密集性型產業 。過去,礦工只需保持儘可能低的運營費用。而展望未來,不斷下降的挖礦利潤率將迫使礦工更加意識到現金流和風險管理的重要性,加密礦業未來將更加趨向「工業化」和「金融化」。