比特币挖矿的过程以及密码学原理解析

今天是矿业三篇中的第二篇，主要描述一下，比特币的数学原理，密码学和硬件知识，以及比特币矿机的发展简史。

继续延续通俗易懂的简化形式去描述这样一个过程。

比特币为什么2100万个？

抛开设计者的经济学构思，直接说数学构思，2009年1月3号开始，约十分钟一个区块，一个区块奖励是50个btc，4年后减半成为25个btc，再过4年继续减半，以此类推。

目前处于第三个阶段，也就是打包区块奖励是12.5个，明年会减半成6.25个。

用数学公式去算。

一小时有6个十分钟，一天24小时，一年365天，四年减半。一直减半，也就是后面是个等比数列。

比特币总量=50 x 6x 24 x 365 x 4 x （1+1/2+1/4+1/8+……+1/2^n）

以上等式就是约等于2100万个，其中，（1+1/2+1/4+1/8+……+1/2^n）是一个等比数列，数学上等于2.

也可以看出来，比特币前四年，挖出来的数量是1050万个，也就是一半，然后第二个四年，挖出来是1050的一半，也就是525万，第三个四年周期是525万的一半，也就是262.5万。现在处于第三个周期的末尾（2020年五六月份减半），所以很多新闻说现在比特币的“流通量”为1700或者1800万个，可以用计算器加一下，就是这个数字，只是有几百万个或许已经永久丢失，流通量大大低于产出。

备注：挖矿的奖励实际上有两部分，一部分是区块奖励，另一部分是在这大概十分钟内全网发生的比特币交易费。后者占比极小，在目前阶段收益计算中可以忽略不计。

引用上一篇养鸡场逻辑，母鸡下金蛋，但是有些金蛋弄丢了，所以，流通总量低于产出量。

简单提一句，经济学模型，这个就是通缩模型，在经济学模型中并没有大的创新。中本聪（这个人或者这个组织）有没有诺贝尔奖级别的贡献，和这个通缩模型并没有什么关系。因为是个极简单（也比较简陋）的经济模型。历史上没有一个国家采用这种模型去获得经济繁荣。本文只讲数学模型。

比特币挖矿的过程是什么？密码学原理是什么？

简单来说：解开一个数学难题，然后广播出去，得到验证后，获得区块奖励。别的矿机收到信息后，放弃解这个数学难题，去算下一个数学难题，争取区块奖励。以此类推。

具体一些，这里接这个数学难题就是用到了一个密码学知识：单向散列函数

单向散列函数，又叫哈希函数，比特币中的哈希函数是SHA256.

之前写了很多篇关于密码学的文章，可以参考（《比特币中的密码学：哈希函数的五大特性和挖矿原理》），在此也简单讲述。

SHA256 是一种哈希函数，SHA（信息）=256位的二进制数字，输入任何信息，可以是一本《红楼梦》可以是一个字等等，都可以快速得到这256位二进制。改一点点输入信息，结果就相差很多，而且，从结果信息无法反推输入信息。

对于二进制来说，前面的0越多，这个数字越小，如果范围是小于等于这个数，意味着二进制数位上，前面的0越多，这个范围越窄，猜出来输入值的难度越高。

SHA256（SHA256（信息+x））小于等于目标值（target）。

用矿机去找或者说去猜x，知道满足条件。这就是挖矿。

公式中的信息是区块头信息，包含version，pre_hash，merkle root，ntime，nbits等等信息，随着区块高度的改变和时间的变化而改变，去猜的这个x数值也可以写成nonce，写成什么不重要，不影响理解比特币挖矿，大概知道有这会事儿就行了。

挖矿过程运用的只是单向散列函数的特性，公钥加密、签名、验证等概念，不要纠结，这个解题过程用不着。

如果依然没有看明白，请忽略以上单向散列函数的描述，简单粗暴的理解为，解一个数学题。而且解这个数学题只能靠猜，没有合理的运算方法去解这个题。

硬件知识和矿机发展简史

做这个数学难题刚开始由CPU来做，然后是GPU显卡挖矿，然后是FPGA，然后是现在的主流比特币挖矿的ASIC芯片矿机。

CPU能处理复杂问题，但是这个解题过程不需要那么复杂的头脑，使劲猜就好了。于是用GPU 并行运算等相关特性比较好，最著名的公司是英伟达（NVIDIA）和AMD公司，在矿圈，前者被称为N卡，后者被称为A卡。

GPU有耗电和其他缺点，于是用FPGA，深圳有家很牛的无人机企业叫大疆科技，背后用的就是FPGA。GPU和FPGA在人工智能领域有很多应用（知识扩展，和今天主题无关）。

FPGA 就是现场可编程门阵列（再次提醒：所有听不懂的概念，不要纠结，直接跳过），就是说白了，好编程，好调整。但是呢，功能相对还是太多了。我只是要一个能够把元宵装进盒子的人，不需要一个大学生博士生，继续简化，出现了ASIC芯片。

“我只需要一双手，而你却给了我一个人”——亨利·福特

现在AISC本质上就是简化后的产物，只剩下一双手，只解决这一个函数问题。

和CPU对比，CPU是一个博士生和产线工人比赛谁能把元宵装到盒子里装得快，由于优秀的集成，变成了一个博士生和十个一百个产线工人比赛谁装元宵装得快。结果可想而知，于是，现在比特币挖矿，只用ASIC芯片矿机。

矿机发展的逻辑以上已经讲完了，历史部分简述如下：

2009年1月3号，中本聪用CPU挖矿；2010年9月就有了GPU挖矿，2011年有了FPGA，2012年8月烤猫fried cat 众筹搞ASIC矿机，那时间开始世界矿业向中国倾斜，2012年11月，btc首次减半，差不多四年了从2009年。2013年年初，烤猫继续干。阿瓦隆ASIC矿机弄出来了，也是中国最早的一批ASIC矿机，母公司就是嘉楠耘智，最近上市纳斯达克股价大跌的那个公司。

2013年年底的大阳线，很多第一代同学入场，中国两次大规模矿工出现和炒币的人出现第一次就是2013年，第二次就是2017年。一根大阳线，千军万马来相见，说的就是这个意思。2014年之后的历史，就很容易在网上查到了。烤猫2015年1月份就失踪了，神秘失踪，这个具体为啥失踪，是被人谋害了，是穿越了被外星人带走了，还是因为矿机慢慢地不够好了，人家跑路了，我们不关心这些内容，这不是八卦类文章。烤猫同志为比特币挖矿做出大贡献，在此向烤猫同志致敬。

之后的故事大家都知道了，比特大陆崛起，在2017年2018年占了全球市场80%以上，过去一年数据的话，大概比特大陆的矿机蚂蚁矿机占60%多，神马矿机占20%+。这里面的恩怨纠葛和具体市场比例，感兴趣自己查吧。

本文讲了三块内容：比特币的挖矿基本原理，挖矿硬件相关的浅显知识，以及矿机发展的简史。