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区块链技术驱动金融：数字货币与智能合约技术 5.3 能源消耗和生态环保
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我们看到大型职业化挖掘中心是如何接管了比特币的挖掘工作，我们也看到比特币挖掘与历史上的淘金热有多么类似。时至今日，金矿开采一直被环保问题所困扰，比特币挖矿虽然还没有达到那个程度，但它已经开始消耗大量能源，这已经成为热门话题。本节中，我们将着重讨论比特币挖矿的能源消耗问题，以及其对货币系统和地球生态的影响。
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热力学限制
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根据热力学里的蓝道尔原理（Landauer’s principle,蓝道尔是前苏联20世纪60年代天才物理学家），任何一个不可逆转的计算都会消耗一定的能源，逻辑上来说，这种计算也可以被认为是一种信息丢失的过程。蓝道尔原理特别指出，任何移位运算都会消耗一定量（k Tln 2）的焦耳，其中k代表玻尔兹曼常数（Boltzmann constant,大概等于1.38×10-23J/K），T代表芯片以开尔文为单位的温度，ln 2代表2的自然对数，大约等于0.69。算下来每一个单位数据的运算会消耗一点点热量，这从基础物理学原理上提供了一个能源最低消耗下限。
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这里我们不做进一步推导，大概的意思就是每进行一个不可逆的数位运算都会消耗一个最小量的焦耳，能源是永远不会被摧毁的，只会从一种形式转变成另外一种形式，在计算中所消耗的能源大多数都是从高等级的电能转换过来的，然后被转换成可以在环境中最终消失的热能。
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作为一种密码学中的哈希函数，SHA-256就是一个不可逆的运算，我们可以回忆一下第1章里所说的，不可逆转是作为密码学哈希函数的一个基本要求，既然不可逆运算需要消耗能源，那么SHA-256作为比特币挖矿的基本要素也是不可逆的，那么比特币的挖矿过程必定会消耗能源。蓝道尔原理中描述的能源消耗下限要远低于实际挖矿过程所消耗的电能，虽然我们目前无法使计算的能源消耗达到这个热力学原理中的最优消耗，但即使我们做到了，比特币挖矿也是要消耗能源的。
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比特币挖矿是如何消耗能源的？这个消耗过程分三个部分，其中有些可能还不是很明显：
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1.内涵能源。首先，比特币挖掘设备需要被生产出来，生产时所用的原材料就需要被物理开采出来，然后要把这些材料通过一系列的生产流程转化为比特币挖矿专用的ASIC，这两个过程都需要消耗能源，这被称为内涵能源。在收到那些矿机的时候，你已经消耗了巨大的能源——当然包括物流过程中产生的能耗——即使这时候你还没有开启这些矿机！
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可喜的是，随着越来越少的挖掘容量的出现，内涵能源的消耗就会降低。随着越来越少的人会去购买新的ASIC矿机，这些矿机被淘汰的速度也会减慢，那么相应的内涵能源也会在多年的挖矿中被摊销。
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2.电能。当矿机启动开始挖矿时，它就会消耗电能。根据蓝道尔原理，这一步肯定会消耗能源。随着矿机越来越高效，所消耗的电能也随之下降，但是根据蓝道尔原理这个消耗不能降为0，电能消耗将会伴随着矿工的挖矿生涯。
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3.冷却。比特币矿机需要被冷却，这是为了防止矿机出故障。如果在非常寒冷的环境中进行小规模的挖矿运营，冷却成本会微不足道。但即使是在非常寒冷的环境中，一旦在一个很小的空间运行了足够多的ASIC，还是需要承担额外的冷却成本去解决散热问题。通常冷却挖矿机的耗能形式也是利用电力。
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大规模挖矿
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内涵能源和电能的消耗（每单位挖矿工作完成）会随着挖矿运营规模的增加而降低，设计和制造运行在大型数据中心的芯片本身单位成本会降低，同时由于不需要很多电源，你可以使得电力输送更加有效。
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当讨论冷却问题的时候却恰恰相反，冷却成本会随着规模的增大而上升。如果要进行一个大规模的比特币挖矿运营，需要在一个地方运行大量的矿机，那就意味着空间比较小不易于散热。冷却成本会随着规模化而增加（每单位运算量），除非矿机运行的物理空间同等规模地增加。
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能耗预估
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整个比特币系统到底需要耗费多少能源？当然，我们无法做到精确统计，因为这是一个去中心化的网络，大量的矿机分散在各处，并且没有正式记录。但是有两种基本方法可以对比特币矿机所产生的能耗进行估算。根据2015年早期的比特币价格，我们可以进行一个快速的简单计算，我们必须强调一下，这个数字只是一个大概的估算，因为不管哪种方法，计算过程中所用的参数都是很难估计并且变化很快，这些结果只能是一个数量级上的估算。
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自上而下
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第一种是自上而下的方法。现在每一个区块奖励是25个比特币，大约值6 500美元。也就是说，比特币体系平均每秒钟凭空产生11美元给矿工。
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现在我们思考一个问题：如果矿工把所有的11美元都用在电费上，他们可以买到多少电？当然，矿工通常并不会把全部的收入都用于电费，这是用于计算电费的上限。电价在各地的差异非常大，我们可以用美国的工业电价，大约每千瓦时（kwh)10美分的价格来预估，也就是每百万焦耳(megajoules，简称MJ)大概3美分。如果比特币矿工把所有的每秒11美元收入都用来支付电费，他们可以购买每秒367百万焦耳，消耗大概367 000千瓦时电力。
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单位能耗和单位电力 国际单位制（SI）中，能耗的衡量单位是焦耳，电力的衡量单位是瓦特，1瓦特代表每秒钟1焦耳。
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自下而上
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第二种是自下而上的方法，通过观测每个区块的难度，了解矿工计算的哈希数量，并以此来进行估计。假设所有的矿工都使用最高效的矿机，我们可以推导出一个最低电耗。
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目前，最好的商业化矿机的功效数值差不多是3GH/s/W[1]。那就是，这样的ASIC矿机每消耗1瓦特的电力，可以进行每秒30亿次哈希函数运算。目前全网算力是350PH/s，也就是350 000 000GH/s。[2]根据这两个参数计算，我们就可以知道目前基于这种矿机效率，每秒钟全网的矿机需要消耗117MW的电力。当然这个数值还没有包括所有冷却需要消耗的能耗以及芯片本身的内涵能耗。因为只是做一个能耗的下限估计，这么算是可行的。
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结合上述两种方法，可以推导出比特币挖矿大概所耗电力，这是几百万瓦特（megawatt，简称MW）的数量级。
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100万瓦特究竟是多少？为了便于直观理解，可以对比一下大型发电厂产生多少电力。世界上最大的发电厂之一，中国的三峡水电站的发电总量是10 000 MW，一个普通的大型水力发电厂的发电总量一般是1 000MW。世界上最大的核电站日本柏崎刹羽核电站（Kashiwazaki-Kariwa）的发电总量是7 000MW，而平均来说核电站的发电量为4 000MW，而火电电厂的发电总量一般为2 000MW。
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