比特幣:對比 PoW 和 PoS 機制下規模經濟盈利率

原標題：相比于 PoW PoS 會讓富人更富？

對 PoS (權益證明) 共識算法的一種常見批評是它讓「富人更富」，大致可以解釋為「規模經濟有利于既有的富人，而不利于資源匱乏的人」。

通過觀察任何大規模運營的行業，我們可以很容易地看到這種情況：隨著時間的推移，那些能夠以更加高效和更大規模運營的企業，能夠利用自己的影響力和規模，推動其形成行業壟斷。我們甚至可以在民族國家層面上看到這一點，即領土更大、資源更豐富的國家擁有更大的影響力，達成更大的貿易協議，并以貧窮國家的利益為代價直接將國際事務推向有利于自身的方向。

就加密貨幣共識算法而言，也很容易看到這種情況：更大的參與者能夠在其業務中投入更多的資金，增加他們在特定區塊鏈的安全系統中的整體份額，并為自己帶來更多的回報。這形成了一種循環效應，他們能夠將這些收益回報再投資到更大的業務中，為他們帶來獲得更多回報的潛力，就這樣循環往復。

這實質上就是持續的零和游戲，因為在一個公開可訪問和參與不受限的加密貨幣安全機制中，提供的獎勵是固定的，但參與者的數量可能是無限的，如果某個參與者能夠有效利用其業務的規模經濟效益，那么他就能夠以其他競爭者的損失為代價獲得市場份額，且隨著時間的推移，他可以利用這種差異建立起不可逾越的領先優勢。很容易看出，在這樣的加密體系中，富人將如何變得更富，以及為何這種情況是十分危險的。

下面我們來談談基于 PoW (工作量證明) 和 PoS (權益證明) 的系統在規模經濟上的差異。

PoS 背后的理念是，個人將自己持有的加密貨幣 (通常是區塊鏈的原生貨幣) 作為抵押品存入到該加密貨幣協議中進行托管。他們將有權提議新區塊，并參與到對這些區塊在區塊鏈中的最終排序達成共識。作為回報，他們會因為履行這些職責獲得獎勵(獲得的獎勵通常是該原生貨幣)，因此他們受到了賺取區塊獎勵的激勵而參與進來。

秘魯：將對比特幣和其他加密貨幣服務組織進行監管:金色財經報道，1月4日消息，一項旨在為加密貨幣市場提供法律基礎的法案已提交給秘魯國會，該法案將通過該國國會全體會議的立法辯論后決定是否批準。根據秘魯立法機構的官方網站消息，該法案名為《加密資產商業化框架法》，由該國議員 José Elias ávalos 提出，旨在進一步規范提供加密貨幣服務的組織，包括比特幣交易平臺和數字錢包，同時還將創建一個加密貨幣生態系統相關服務提供商公共登記冊，任何與比特幣相關的公司都必須按照該國的立法條款在南美國家銀行和保險監管局注冊。[2022/1/4 8:24:46]

在一個無須許可的共識系統中，必須要參與到共識中才能獲得這些獎勵，否則其他參與者同樣很容易“竊取”這些獎勵。參與者對于交易歷史達成共識的目的是為了獲得這些獎勵 (以及交易費和包括 MEV 在內的其他收益)，并確保這些獎勵不會被其他人奪走。

在像以太坊2.0這樣的 PoS 算法設計中，「最終確定性」(Finality) 的概念是尤其值得注意的。在區塊鏈中，通過達成共識來確保區塊鏈的歷史記錄是處于「被敲定」(finalized) 的狀態，也即參與者無法在不違背協議規則的情況下篡改該記錄，這是有可能實現的。這正是 PoS 所獨有的，因為 PoW 并沒有這種屬性。這種屬性是有價值的，尤其是對于一個全球交易結算網絡而言，因為這樣一來就可以確定一個明確的時間軸，在這個時間軸上的交易可以被視為「被敲定」，無法在不違反共識規則的情況下被篡改。

當然，我們也應該知道 PoS 的這一屬性也有其實際的限制，也即，如果某個攻擊者能夠獲得 PoS 協議中絕大部分 (超過66.6%) 被質押的幣，并愿意為了某個目的 (比如對區塊鏈進行破壞或者為了逆轉某筆高價值的交易) 而發起攻擊。

Barstool Sports創始人：我對比特幣的看法仍與2017年一樣:Barstool Sports創始人Dave Portnoy最近在推特重新發布他在2017年關于比特幣的視頻，稱他對比特幣的看法沒有改變。

他在2017年的視頻中表示，由于當時圍繞比特幣的炒作，他當年是一名“比特幣投資者”。視頻大部分內容是在解釋他對該資產、生態系統和底層技術的困惑。“我不知道如何花掉它們。我不知道如何得到它們。你必須去找到Coinbase，這就是你購買的方式，因為太多人試圖購買比特幣，（Coinbase）它總是停機。整件事都是由Winklevoss雙胞胎兄弟負責的。”

他隨后稱比特幣是一個騙局，盡管他確實表示希望參與其中，以免錯過周圍人吹噓的所有收益。Portnoy在6月20日的推文提到Tyler Winklevoss。“好吧，我已經決定我喜歡你，盡管我認為你和你的兄弟是機器人。”（Cointelegraph）[2020/6/21]

這種攻擊行為的成本是非常高的，因為當前以太坊的 PoS 協議中已經質押了價值數十億美元的 ETH，因此單筆交易的價值不太可能高于逆轉這筆交易帶來的成本，攻擊者也不太可能獲得足夠的資源來發起違反協議規則的行為。但這仍然是可能的。

PoS 與其他共識系統 (比如 PoW) 之間仍有相似之處，從根本上說，它們的結構通常是相同的：共識參與者需要獲得所需的資源來參與提議區塊和對區塊達成共識，并因此而獲得獎勵。但是，這兩種不同的共識協議在每個細節上也有很大不同，包括執行這些職責所獲得的獎勵的相對份額、參與者可能獲得的協議外收益、投入的資源的機會成本，以及涉及到參與進來的其他外部因素。

在這篇文章中，我想深入研究這些共識實現的細節，以及協議的共識選擇如何驅動協議的應急行為。這些細微的差異可能導致截然不同的結果。分析這些差異非常重要，這樣我們就可以識別這些共識實現結構中的潛在問題，從而構建更好的系統。

動態 | Primitive Ventures創始人：對比特大陸自營挖礦的收入表示驚訝:9月27日消息，前丹華資本董事總經理、Primitive Ventures創始人Dovey Wan表示，很驚訝比特大陸自營挖礦的收入在2018年占比不到5%，懷疑核算方式是否恰當。[2018/9/27]

例如，比特幣區塊鏈目前大約每 10 分鐘挖出一個區塊并提供 6.25 BTC 的區塊獎勵 (合計每天大約 900 BTC)，且用戶為了發送交易而向礦工支付的交易費大約相當于該區塊獎勵的 6%。因此比特幣礦工們的年收入合計約為 200 億美元。

為了獲得這些收入，比特幣礦工需要從少數幾家挖礦硬件制造商那里購買 ASIC 設備，這些設備制造商提供的挖礦設備必須有著使挖礦有利可圖的效率水平，從而不會使你虧本挖礦。大型買家購買這些硬件的實際成本是很難推測的，因為這些銷售數據很難獲取，且這些硬件制造商傾向于與大買家達成私下交易。但是，到目前為止，最大的成本并不是購買這些礦機所需的資金，而是在大型礦池配置中 24/7 運行這些設備以持續挖礦比特幣所需的電力運營費用。

雖然在理論上比特幣挖礦是任何人都可以參與的，但我們可以看到，由于比特幣網絡的結構及其參數，參與比特幣挖礦是存在進入門檻的，比如需要獲取 ASIC 設備以及存儲和運行這些設備的空間、電力成本，以及以必要的規模購買這些設備來與其他有著類似規模的礦工進行競爭的資本支出。因此，并不是每個人都能夠獲得這些機會，參與進來需要一定的資本水平，而且這還沒有考慮到運行一個大型礦場需要考慮的成本，以及不同地區之間的電力成本的差異。

另一方面，挖礦的規模經濟也面臨局限性。例如，最有可能的是，你不能只是去一個特定的地區并購買所有可用的電力來運行你的所有挖礦設備，因為這將吸引政府的注意，政府通常希望確保其他公民也能公平地獲得電力；你也可能無法找到一個無限大的建筑來安置所有的設備，或者建造一個足夠強大的冷卻系統來冷卻那么多的廢熱。此外，這些挖礦設備制造商每年生產的設備有限，你不可能買斷所有的設備 (至少這也會把設備的價格推高至超過你的挖礦盈利點)。

研究稱量子計算機不會對比特幣構成威脅:一篇名為《量子對比特幣的攻擊，以及如何防止攻擊》的文章認為，目前ASIC礦機處理hashcash PoW的高速率，以及量子計算機的緩慢發展，不會讓量子計算機占有優勢。未來量子計算機出現實質性改進時，礦機可能早已獲得足夠的改進，以抵消其優勢。[2018/5/31]

然而，盡管有這些內在的限制，但隨著時間的推移，更多的挖礦硬件被制造出來，硬件的效率不斷提升，且降低挖礦運營成本的創新不斷被發掘，比特幣挖礦的經濟規模每年都在增長。

相比之下，PoS 的這些參數有著很大不同，在 PoS 中有著不同的限制和進入門檻。比如，以太坊2.0的 PoS 設計提供的區塊獎勵會隨著參與進來的驗證者的數量的增加而減少 (當前每年的區塊獎勵大約是 400,000 ETH)。目前，在 PoW 以太坊主網中，每天用戶支付給礦工的交易費大約是 4,000 ETH，當以太坊 PoW 鏈與 PoS 鏈進行合并時，這些交易費從理論上來說應該不變甚至更高。此外，在過去一年里，檢測到超過 5 億美元的 MEV (礦工可提取價值) 價值已經被捕獲，而且隨著我們找到更加復雜的方式來檢測 MEV，這一價值將會繼續增長。總的來說，這意味著以太坊驗證者的年收入合計約為 64 億美元。

上圖：以太坊2.0的獎勵曲線 (獎勵會隨著驗證者數量的增加而減少)

為了成為 PoS 以太坊中的驗證者，你需要至少質押 32 ETH (價值約 100,000 美元) 才能成為一名驗證者，這將給予你 1/N 的幾率被隨機選中參與到協議共識中。由于協議的構建方式，驗證者實際上在本地集中在一起，這減少了區塊獎勵的易變性，因為每個驗證者獲得的的區塊獎勵都差不多；但這并不會影響驗證者獲得的交易費或者潛在的 MEV 價值，當驗證者被選中提議區塊時，交易費和潛在的 MEV 價值都是專門獎勵給區塊提議者的，這意味著驗證者保持在線很重要，這樣就不會錯過賺取這些費用的機會。

美國財政部對比特幣出手:美國財政部部長史蒂芬·姆努欽近日對媒體透露，有關當局正在仔細地“調查”人們“以非法目的”使用比特幣的行為。[2017/11/13]

在 PoS 中，驗證者離線將帶來損失。驗證者會因為無響應 (離線) 而導致其質押金被扣除，如果在同一時間有足夠多的驗證者同時不響應，那么該懲罰將呈指數級增長，以阻止協議共識的停止和區塊鏈的停止運行。這推動了驗證者分布的去中心化，以及軟件設置的多元化 (從而確保盡可能高的正常運行時間)。在不同的地點進行質押的成本幾乎沒有變化，這使得質押變得容易得多。此外，為了運行大量驗證者節點而運行更加復雜的驗證者設置將增加技術成本，削減整體盈利能力。

在無須許可的加密貨幣安全系統中，從理論上來說，任何人都可以滿足必要的進入門檻和盈利能力要求，以確保自己能夠參與到協議的這場持續的零和游戲中。然而，在實踐中，存在一些隱性或顯性的限制，阻止那些資源較少的個人參與進來。

計算 PoS 的進入門檻很容易。對于以太坊來說，這個門檻是獲取 32 ETH (約 10 萬美元)、最低規格的硬件 (購買硬件的費用大約 1000-2000 美元，或者租賃設備每月大約 200 美元)，以及一個可靠的互聯網連接 (每月大約 100 美元)。如果驗證者質押 18 個月，那么合計大約是 10.5 萬美元，其中大部分是資本成本。使用我們上文提及的數字，該驗證者在 18 個月共計可以獲得大約 45,000 美元的收入 (假設該驗證者沒有因不當行為或者離線而被懲罰，也忽略運行驗證者節點產生的人力成本)，以 ETH 計算的年化總回報率約為 28% 。當我們將這些成本計算進去時，那個這個回報率將下降很多。更加合理的估計是，在未來的條件下，年回報率可能更接近5%。

而對于 PoW，計算這個數字要困難得多。首先，PoW 沒有像 PoS 那樣在可用的驗證者的插槽數量方面存在協議內限制 (因為 PoS 中的驗證者數量受到了幣的總供應的限制，而 PoW 中的礦工數量可以是無限的)；其次，PoW 挖礦的資本成本與 PoS 差異很大 (PoW 挖礦涉及到 ASIC、電力、場地、設備維護等)；再次，PoW 生態系統也不透明得多，難以進行類似的盈利能力比較，但我們將盡最大努力從哈希率圖表和 ASIC 設備的公開成本中得出結論。

ASIC 設備在開始失效或被新型號的 ASIC 替換之前有大約 18 個月的盈利窗口期，所以希望我們在 PoS 計算中選擇相同的窗口期是有意義的。挖礦行業也是一個更成熟、更大的行業，年化回報率 (以 BTC 計算) 可能比我們這里計算的要低得多。

首先，讓我們做一些更直接的比較。ETH 的最大數量決定了可以質押的驗證者總數 (插槽) 的上限。如果 ETH 的總供應量的上限為 1.2 億 ETH (注意，理論上 ETH 的供應量是沒有上限的，但實際上大概是這么多)，那么總共大約有 375 萬個驗證者插槽可用 (每個驗證者質押 32 ETH)。

目前比特幣的哈希率為 1.15 EH/s，而 Antminer S9 礦機的哈希率約為 13 TH/s，價格約為 500 美元。要想擁有比特幣網絡哈希率的 1/375萬，你需要擁有 2375 臺 Antminer S9 礦機，硬件成本約為 119 萬美元。而更高效的 Antminer S17 Pro 礦機成本約為 2000 美元，算力約為 53 TH/s，所以你只需要擁有約 583 臺 Antminer S17 Pro 礦機，也即只需花費約 117 萬美元的硬件成本，就能擁有與一個以太坊2.0驗證者插槽相同百分比的網絡份額 (即 1/375萬)。

但由于以太坊的市值僅為比特幣的 42% 左右，因此在比特幣網絡中擁有與在以太坊2.0網絡中一個驗證者插槽擁有的相同的網絡份額 (即 1/375萬) 的等效成本僅約為 49.5 萬美元 (相當于 10.75 BTC)，也即 248 臺Antminer S17 Pros 礦機。

以 0.11 美元/千瓦時的電力成本計算，一臺 Antminer S17 Pro 礦機在大約 4 年的時間里挖出 1 BTC 需要支出約 1.56 萬美元 (相當于 0.35 BTC) 的電費；因此，可以推測，我們使用這 248 臺 Antminer S17 Pros 可以在 4 年內挖出 248 BTC，合計成本為 387 萬美元 (相當于 84 BTC)。按照我們 18 個月的間隔計算，也就是能夠以 145 萬美元 (31.5 BTC) 的電費成本挖出 93 BTC，年化回報率為 47% (以 BTC 計算)！最近由于中國打擊挖礦以及比特幣哈希率的其他結構性變化，最近這個數字要高得多，但我們可以假設，實際的年回報率應該至少是這個數字的一半。

做一個更加對等的比較，假設在 18 個月的時間里，我們只能在挖礦設備和電力上花費 10.5 萬美元，那么在實踐中的收益如何？使用這一成本，我們可以購買大約 6 臺 Antminer S17 Pros 礦機 (合計成本 1.2 萬美元，相當于約 0.26 BTC)，在 18 個月內可以挖出大約 2.25 BTC，花費 3.96 萬美元 (相當于 0.86 BTC) 的電力成本，年回報率約為 33% (以 BTC 計算)。這與上文計算的一名以太坊驗證者的年回報率非常相似！但我們可以開始看到規模經濟是如何發揮作用的，資源更豐富的參與者 (擁有 248 臺礦機)  可以獲得比資源不那么豐富的參與者 (擁有 6 臺礦機) 多 42% 的回報。顯然，在 PoW 規模經濟中，富人越來越富！

正如我們所看到的，如果我們從運營成本和資本支出的角度來比較，PoW 挖礦和 PoS 質押的盈利能力其實并沒有太大的差別。撇開關于二者的「去中心化」程度的討論不談，我們可以看到，針對 PoS 讓「富人更富」的論點從根本上是有缺陷的。現實情況是，任何資本密集型投資的參與者都能獲得比那些無法投入這么多資本的參與者更高的回報。

希望這足以讓你相信，這個針對 PoS 的論點在智力上是懶惰的，稍加觀察就會不成立。此外，筆者希望大家能夠更加重視基于盈利能力的加密貨幣經濟安全性的比較，以及規模經濟如何影響無須許可的安全系統的進入門檻。

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