Продолжаю рассказ о криптовалютах

Продолжаю рассказ о криптовалютах. В прошлом выпуске речь шла о применении технологии блокчейн к созданию платёжных систем и о двух существующих криптовалютах. Сегодня поговорим о процессе майнинга и влиянии функционирования криптовалют на окружающую среду.

Как мы помним, криптовалюты обязаны своим существованием технологии блокчейн. Это обусловливает значительную, не превзойденную когда-либо ранее защищенность сделок от фальсификации, а финансов - от посягательств извне. Подделка информации в блокчейне требует выполнения колоссальной вычислительной работы, и сосредоточить достаточные для этого мощности обычно невозможно практически. Обратной стороной такой защиты служит необходимость подтверждать подлинность каждого из блоков путем проведения столь же трудоемких расчетов. Они сводятся к перебору хэшей и нахождению такого из них, который вместе с обрабатываемым блоком даст хэш-сумму определённого образца. Иными словами, майнинг представляет собой поочередное вычисление хэш-функции от блока вместе с меняющимся аргументом до той поры, пока последний не примет нужное значение. Как было сказано ранее, кроме как перебором найти такое выражение невозможно, поскольку используются необратимые хэш-функции. Оборудование, пригодное для этого процесса, достаточно энергоемко. Существуют как аппаратные, так и программные реализации алгоритма для поиска подходящего хэша.

На заре существования криптовалют для майнинга была пригодна практически любая аппаратура. Со скоростью, достаточной для успешного майнинга и получения вознаграждения от сети, хэши мог перебирать рядовой центральный процессор, вообще говоря, не предназначенный для выполнения такой работы в силу своей универсальности. Сложность сети была очень невелика. Новые блоки, как и в наши дни, создавались с периодом в 10 минут, но для их возникновения требовалось существенно меньше ресурсов. В конечном счёте это следствие зачаточного состояния системы и незначительного количества вовлеченных в майнинг мощностей. С их ростом увеличивалась сложность, то есть объем расчетов, требуемых для подбора хэша. Алгоритм криптовалюты неизменно поддерживал скорость роста цепочки из блоков на постоянном уровне. Пропорционально возрастало энергопотребление.

Поскольку за электрическую энергию приходится платить, майнинг на центральном процессоре в какой-то момент стал нерентабелен. Вознаграждение, получаемое майнером при эксплуатации только центрального процессора, стало меньше, чем плата по счетам за электричество. Это вынудило активных участников сети искать устройства, более эффективно решающие задачу поиска хэша и, в конечном счёте, вычисления хэш-функции. Такими устройствами стали видеокарты. Это заметно более специализированное оборудование, чем центральный процессор. Графические ядра предназначены для обработки изображений, представляющих собой крупные массивы однородных данных. Такая специфика обрабатываемой видеокартами информации обусловила развитой параллелизм в их работе. Так, например, современные центральные процессоры средней стоимости содержат не более десятка ядер, обладающих довольно широким набором команд, в то время как сопоставимые по потребляемой мощности графические процессоры начинены десятками тысяч специализированных ядер. Таким образом, графические модули выполняют параллельные расчеты заметно более эффективно с точки зрения расхода энергии, чем универсальные центральные процессоры.

Задача поиска хэша допускает полное распараллеливание. В самом деле, нахождение хэш-суммы от данного блока и хэша А никак не влияет на процесс нахождения такой же хэш-суммы с хэшем Б. Поэтому можно распределить вычисления на произвольное количество ядер и добиться многократного повышения скорости перебора. Вместе с ней вырастет вероятность нахождения правильного хэша и шанс получить вознаграждение за закрытый блок. Из тех же соображений ясно, что распараллеливание задачи подбора хэша к данному блоку может быть продолжено на группу однородных устройств, связанных некоторым каналом связи и трудящихся над своей частью задачи. Видеокарты, к тому же, объединяются в массивы заметно проще, чем центральные процессоры. Так возникли риги – стойки, в которых закреплено около десятка видеокарт, находящихся под управлением одной программы. Вместе с ригами появились специализированные материнские платы, содержащие большое количество разъемов под видеоадаптеры. Все эти усовершенствования технологии майнинга приводят к росту энергетической эффективности процесса и к повышению вероятности быть вознагражденным сетью.

Именно эта тенденция к все более активному использованию графических процессоров в майнинге вызвала продолжающийся до сих пор дефицит видеокарт на рынке. Однако батареи видеокарт - тоже не лучшее решение с точки зрения расхода энергии на одну операцию хэширования. Сколь бы высокой степенью параллелизма ни обладали бы графические процессоры, они предназначены для обработки видеоданных, но не для исполнения криптографических алгоритмов. Поэтому наиболее выгодным и эффективным решением для майнера служат специализированые микросхемы, реализующие хэш-функции аппаратно. Такие устройства обозначают аббревиатурой ASIC. Предельная узость предназначения зачастую не позволяет майнить одну криптовалюту, на ASIC, предназначенной для другой. В силу этого особенно широкое распространение получили устройства для протоколов Bitcoin и Etherium, а для большинства менее известных криптовалют ASIC не существует.

Конечно, блоки, содержащие ASIC, подобно видеокартам, могут быть объединены в крупные массивы или кластеры. Наибольшие из них насчитывают несколько сотен устройств, работающих в связке и соединённых физически с головной машиной. В погоне за дальнейшим наращиванием параллелизма при хэшировании и, в конечном счёте, прибыли, реальные кластеры объединяются в огромные неоднородные виртуальные вычислительные сети – пулы. В пуле конкретные устройства, которые могут находиться где угодно, подключены через интернет к серверу, распределяющему между ними работу. Совокупная производительность крупнейшего на планете криптовалютного пула более чем в 200 раз превосходит общую вычислительную мощность всех суперкомпьютеров из рейтинга Top-500.

Однако здесь следует сделать оговорку. Такое сравнение производительностей весьма условно. Дело в том, что все суперкомпьютеры в упомянутом рейтинге являются универсальными машинами. Они предназначены и для астрономических расчетов, и для климатического моделирования, и для решения других сложных научных задач. Криптовалютные пулы в свою очередь в большой степени состоят из устройств, основанных на микросхемах ASIC. Они на уровне системной логики предназначены исключительно для быстрого вычисления хэш-функций. Схему ASIC невозможно заставить выполнить алгоритм, разработанный для обычного универсального процессора, а процессор работать по программе для подсчета хэшей вполне способен. Наше сравнение справедливо лишь в том случае, если суперкомпьютеры и пулы сопоставляются в решении задачи перебора хэшей. С более общей точки зрения на производительность вычислительной системы подобное сравнение лишено смысла. Поэтому представляется целесообразным ввести меру скорости работы аппаратуры для майнинга. Такой величиной является хэшрейт. Хэшрейт конкретного устройства показывает, сколько хэшей оно проверяет в секунду.

Приведем для наглядности значения хэшрейта для некоторых широко распространенных устройств. Для процессора AMD Ryzen 5 3600 значение хэшрейта составляет 5,8 kH/s. Для видеокарты NVIDIA GTX 1080 Ti – 46 MH/s. Наконец, для устройства ASIC AntMiner S9 хэшрейт достигает величины 14 TH/s. То есть на 10 порядков больше, чем у названного процессора. Впечатляющая эффективность при потреблении лишь в 20 раз большей энергии. Несмотря на эти показательные соотношения, в сети Bitcoin до сих пор эксплуатируются и видеокарты, и даже центральные процессоры домашних компьютеров. Причина этого не столько в незнании об ASIC, сколько в том, что зачастую процессор рядового пользователя нагружается майнингом со стороны вредоносной программы. Вирусы-майнеры гнездятся и в пиратском программном обеспечении, и даже в веб-страницах. Они совершенно неразборчивы, и озадачат майнингом любое содержимое зараженного компьютера.

Именно поэтому сеть Bitcoin в целом крайне неоднородна и содержит в качестве физических узлов самые разнообразные приборы. Её полная производительность на данный момент равна 94 EH/s. Если предположить, что майнинг осуществляется исключительно на максимально эффективных ASIC, то таких устройств потребуется около 30 млн. Из сказанного же ясно, что на самом деле используемой сетью электроники гораздо больше. Сколько ей всей нужно энергии для работы? Колоссальное количество. Несколько лет назад оно было пренебрежимо мало в масштабах мирового потребления. С резким ростом стоимости криптовалют, произошедшим в 2020 году, устремился вверх объем расходуемой майнерами электрической энергии и численность вводимого в эксплуатацию нового оборудования. К настоящему времени среднегодовое потребление электроэнергии сетью Bitcoin приблизилось к 128 ТВт*ч. Насколько велико это значение? Это больше, чем потребление таких стран как Чили, Австрия, Бангладеш, Беларусь, Аргентина и многих других. Этого количества энергии хватило бы на выплавку 600 млн. тонн стали. Этой энергией, при усредненных её затратах, можно было бы опреснить около 13 млрд. кубических метров солёной воды и обеспечить питьем весь африканский континент на 7,5 лет вперед. Этого было бы достаточно для обогрева в течение всех холодных месяцев 5 млн. жилых домов. Однако не будет ни стали, ни воды, ни тепла, ибо сеть требует все больших и больших расходов для поддержания стойкости блокчейна.

Каждая транзакция в системе затрачивает около 657 кВт*ч, столько же потребляет британская семья за 59 дней. Операции с монетами Bitcoin являются наболее энергоемкими в истории мировой экономики. Углеродный след функционирующей криптовалютной сети оценивается десятками миллионов тонн. То есть такая масса углекислого газа попадает в атмосферу Земли за счет работы Bitcoin. Отметим, что вся приведенная устрашающая статистика относится только к одной из более чем полутора тысяч криптовалют. Bitcoin, конечно, крупнейшая из них по всем показателям, однако прочие криптовалюты имеют значительный потенциал роста. Достаточно вспомнить простой факт: в 2021 году лишь 54% населения планеты имеют доступ к интернету. Участие в криптовалютной сети подразумевает пусть и не постоянное, но хотя бы эпизодическое подключение к глобальным каналам передачи информации. Для майнинга же непрерывная связь с абонентами системы совершенно необходима. Доля человечества, обретшая связь с мировой сетью, растет с каждым годом, и криптовалюты захватывают новые рынки. Чем больше пользователей – тем больше нагрузка на систему, а значит, тем больше майнеров, оборудования и, наконец, траты электроэнергии.

«Тенденция использования энергии за последние несколько месяцев безумна,» - заявил Илон Маск в мае этого года, имея в виду Bitcoin. После этой записи в Twitter цена Bitcoin уменьшилась на 15%. Этот факт обнадеживает. Поскольку стоимость актива определяется балансом спроса и предложения, можно сделать вывод, что держатели Bitcoin не окончательно забыли об экологическом аспекте существования криптовалют, чему свидетельство – массовый отказ от её дальнейшего использования. Увы, политика отказа со стороны пользователя и запрета со стороны государства вместе со сбережением ресурсов Земли ведет также к утрате ценных свойств распределенных финансовых систем, в частности, криптовалюты. Этому бесперспективному пути следует предпочесть разработку новых правил формирования блокчейна с меньшими расходами. Такие алгоритмы существуют, интенсивно развиваются. Местами они потесняют традиционное доказательство работы и его вариацию - доказательство доли владения. Об одной из новых и почти «зеленой» криптовалюте я расскажу в следующей заметке.

Источник: vk.com

Комментарии: