Что такое сложность майнинга биткоинов

Корректировка сложности каждые 2016 блоков помогает поддерживать постоянное 10-минутное время блока, предотвращая быструю инфляцию и перегрузку сети.

В октябре 2024 года сложность добычи биткоинов достигла рекордного уровня в 95,7 триллиона, что привело к росту потребления энергии и оказало давление на прибыльность майнеров, если они не адаптируются с помощью более эффективного оборудования или не снизят затраты на электроэнергию.

Увеличение хешрейта сети, вызванное увеличением количества майнеров или улучшением оборудования, напрямую влияют на сложность майнинга биткоинов с точки зрения поддержания времени блока.

Проблемы с энергопотреблением в сфере биткоинов побудили майнеров заняться изучением возобновляемых источников энергии и других решений, позволяющих оставаться конкурентоспособными и устойчивыми.

Майнинг биткоинов — это процесс решения сложных математических задач для защиты сети и создания новых монет. Для гарантии добавления новых блоков с постоянной скоростью, сложность этих задач регулярно корректируется.

Проще говоря, чем больше майнеров присоединяется к сети, тем сложнее становится майнить биткоины, гарантируя предсказуемость поставок и безопасность системы.

В этой статье объясняется, что такое сложность майнинга биткоинов, как она со временем корректируется для поддержания безопасности и стабильности сети, как она рассчитывается и какие факторы влияют на прибыльность майнинга.

Сложность майнинга биткоинов гарантирует, что сеть добавляет блоки с постоянным 10-минутным интервалом, предотвращая быструю инфляцию и перегрузку сети. Майнеры должны найти хэш с определенным количеством начальных нулей, настраивая «nonce». Эта сложность настраивается каждые 2016 блоков для поддержания стабильности и безопасности в сети

Правда в том, что майнинг биткоинов не обязательно должен быть сложным. По сути, все, что делает майнер, это кодирует следующую информацию:

• Заголовок предыдущего блока: связывает новый блок с предыдущим, сохраняя непрерывность цепочки.
• Корень Меркла: хэш, представляющий все транзакции в блоке, позволяющий эффективно проверять целостность данных.
• Временная метка: время создания блока, используемое для хронологического упорядочивания.
• Номер версии: указывает версию блока и правила протокола, которым он следует.

Для современного биткоин вычисление хэша для нового блока должно быть мгновенным. Так почему же это не так?

Во-первых, блокчейн будет переполнен блоками, добавляемыми с неконтролируемой скоростью. Это приведет к потоку новых биткоинов, поступающих на рынок, что приведет к гиперинфляции. Стоимость биткоина резко упадет, поскольку новые монеты будут создаваться гораздо быстрее, чем предполагал график поставок, нарушая хрупкое равновесие, которое поддерживает его дефицит.

Во-вторых, быстрое добавление блоков нагрузит сеть, что затруднит синхронизацию узлов. Полные узлы, которые проверяют и хранят весь блокчейн, будут испытывать трудности с загрузкой и проверкой чрезмерного количества блоков, что приведет к фрагментации сети. Это может облегчить злоумышленникам использование уязвимостей безопасности, таких как выполнение атаки 51%, поскольку сам темп производства блоков будет препятствовать надлежащей проверке и консенсусу между узлами.

Наконец, обработка транзакций станет хаотичной. Отсутствие корректировки сложности будет означать, что не будет структурированного интервала для подтверждений транзакций, что подорвет надежность сети. Предсказуемое 10-минутное время блока необходимо для обеспечения своевременной, но упорядоченной обработки транзакций. Без этого пользователи могут столкнуться с непредсказуемым временем транзакций и непоследовательными структурами комиссий , что снизит доверие к сети.

Естественным решением этой проблемы является простое увеличение сложности кодирования этой информации.

Биткоин и другие цепочки доказательств выполнения работы, такие как Monero и Litecoin, решают эту проблему, требуя от майнера кодировать информацию не просто в любой хеш, а в хеш, который соответствует определенному требованию по размеру.

Например, если вы закодируете фразу «Я люблю ХХХХ» в 256-битный шестнадцатеричный хеш с помощью алгоритма вроде SHA-256, вы получите:

148530ee91a00571250b58ea69c9947b10a702cf135b3f56cdad39f74450d145

Это довольно большое целое число. Итак, что можно сделать, чтобы его сократить?

Добавляя информацию, которая изменяет вывод (это называется nonce), вам придется пройти путь проб и ошибок примерно 16 раз, чтобы получить один начальный ноль:

Я люблю ХХХХ 64

04dc36a0b5a40cba5524cd80064bcb5d21dfd28ecd811684f520a73e38362abf

Возможно, этого недостаточно. Чтобы получить два ведущих нуля, понадобится около 256 попыток. Давайте изменим nonce на 98 и посмотрим на результат:

Я люблю ХХХХ 98

00ddde1a51e44602a4397cb80f51dc218e6bbc3b50ac4dc4b612e7d62016ca02

Успех! Теперь, сколько попыток вам понадобится, чтобы достичь трех ведущих нулей? Около 4000 попыток. А для двадцати ведущих нулей? Вероятно, число достигнет септиллионов.

На самом деле, сложность майнинга работает следующим образом: хэш должен начинаться с заданного количества нулей. Это, в свою очередь, требует, чтобы майнер добавил к хешу значение «nonce», обычно где-то между 0 и примерно 4 000 000.

В зависимости от того, насколько быстро майнеры выполняют эти требования, сложность автоматически корректируется каждые две недели (или, точнее, каждые 2016 блоков), чтобы гарантировать, что время блока остается как можно ближе к среднему значению в 10 минут.

Вот пример заголовка блока, который успешно соответствовал требованиям сложности майнинга в ноябре 2024 года:

0000000000000000000000a497c6b1be95b76a9e25a797f8fe49953d40c06a027e

Представьте себе класс учеников, решающих математическую задачу. Если большинство учеников справляются слишком быстро, учитель усложняет следующую задачу.

Если они занимают слишком много времени, следующая проблема проще. Аналогично, сеть Bitcoin отслеживает, как быстро добавляются блоки, и регулирует «сложность проблемы», чтобы поддерживать постоянный 10-минутный интервал.

Этот баланс имеет решающее значение для поддержания предсказуемого предложения новых биткоинов и обеспечения безопасности сети.

Сложность майнинга биткоинов, или «nBits », включает показатель степени и коэффициент для установки цели майнинга. Более низкие целевые значения означают более высокую сложность.

Упомянутая «сложность» на самом деле более правильно известна как «nBits». Это поле представляет собой компактное представление сложности майнинга, состоящее из двух основных частей:

• Экспонента: Экспонента указывает, сколько битов необходимо сдвинуть влево, чтобы установить правильную цель. По сути, она определяет общий «размер» цели, указывая, на сколько позиций коэффициент должен быть сдвинут. Другими словами, это диктует  нули.
• Коэффициент (или мантисса): коэффициент — это числовое значение, которое в сочетании с экспонентой определяет фактический порог. Это значение обеспечивает более тонкую детализацию, необходимую для точной настройки сложности. Короче говоря, оно диктует высокие значения чисел (мантисса), которые следуют после начальных нулей.

Сочетание этих двух элементов дает общую целевую сложность, которой майнеры должны соответствовать или быть ниже, чтобы успешно добыть блок.

Например, конкретное значение nBits 0x1b0404cb означает:

• Экспонента равна 0x1b (или 27 в десятичной системе исчисления), что указывает на то, что коэффициент сдвинут влево на 27 бит.
• Коэффициент равен 0x0404cb (или 263755 в десятичной системе), что формирует базовое число для целевого порога.

Эти компоненты имеют решающее значение, поскольку они определяют, насколько сложно майнить новый блок. Чем ниже целевое значение, тем сложнее найти хэш, который соответствует критериям.

На заметку: Термин nBits означает «сетевые биты». Это компактное представление, используемое в майнинге биткоинов для обозначения целевой сложности для майнеров.

Когда хешрейт растет из-за большего количества майнеров или лучшего оборудования, сложность увеличивается, чтобы поддерживать 10-минутное время блока. Если хешрейт падает, сложность уменьшается.

Как уже упоминалось, сложность майнинга Bitcoin — это динамический параметр, который корректируется примерно каждые две недели (или каждые 2016 блоков). Состояние общей скорости хэширования сети является основной причиной изменения nBits. В конце концов, он представляет собой объединенную вычислительную мощность всех майнеров в сети Bitcoin .

Более высокая скорость хэширования указывает на большее количество майнеров или более мощное майнинговое оборудование, вносящее вклад в сеть. Когда скорость хэширования увеличивается, блоки добываются быстрее, чем предполагаемый 10-минутный интервал. Чтобы компенсировать это, сеть увеличивает сложность майнинга, гарантируя, что блоки продолжают добавляться с постоянной скоростью. И наоборот, если скорость хэширования уменьшается, сложность снижается, чтобы сохранить время создания блока.

Например, в октябре 2024 года семидневная скользящая средняя скорость хеширования биткоина достигла исторического максимума почти в 703 экзахеша в секунду (ЭХ/с), что привело к соответствующему увеличению сложности майнинга.

Обратное тоже возможно: если майнеры покидают сеть или их майнинговое оборудование устаревает или становится нерентабельным, общий хэшрейт снижается.

Такой случай произошел в конце 2021 года, после того как майнинга криптовалюты в Китае заставил многие майнинговые операции закрыться или переместиться. Это внезапное снижение хэшрейта привело к значительному снижению сложности майнинга. В июле 2021 года биткоин пережил самую большую единовременную корректировку сложности вниз примерно на 28%, что позволило майнерам продолжать добывать блоки в разумном темпе, несмотря на снижение мощности сети.

На  заметку: Переход от майнинга на CPU и GPU к майнингу на ASIC-майнерах за последние годы значительно увеличил скорость хеширования сети, что потребовало регулярной корректировки сложности майнинга для поддержания целевого времени блока.

Число сложности майнинга показывает, насколько сложнее добыть новый блок по сравнению с базовой сложностью, которая равна 1 (самый простой уровень, когда Bitcoin был впервые запущен). Например, если число сложности равно 10 000 000, это означает, что майнинг блока в 10 миллионов раз сложнее, чем когда сложность была равна 1.

2009 – Genesis и ранее

• Январь 2009: сложность майнинга начинается с 1, самого простого уровня, поскольку Сатоши Накамото добывает генезисный блок, используя базовые процессоры. Это низкое число указывает на минимальную конкуренцию и вычислительную мощность, необходимые для майнинга блока.
• Декабрь 2009 г.: Уровень сложности остается на уровне 1, что отражает ограниченное количество участников сети.

2010 – Переход для майнинга на GPU

• Июль 2010: Появление майнинга на GPU приводит к первому заметному росту сложности. К концу 2010 года сложность выросла примерно до 14, что представляет собой переход от случайного майнинга к более конкурентному участию с лучшим оборудованием.

2013 – эра ASIC майнеров

• Январь 2013 г.: Внедрение ASIC-майнеров приводит к значительному росту сложности, поскольку они обеспечивают огромный прирост вычислительной мощности по сравнению с графическими процессорами. Поэтому трудность увеличивается до около 3 500 000.
• Декабрь 2013 г.: к концу года сложность возрастает примерно до 1 500 000 000, что отражает быстрое внедрение технологии ASIC и увеличение скорости хеширования сети.

2017 – бычий рынок биткоинов

• Январь 2017 г.: сложность майнинга составляет около 300 000 000 000, что является существенным ростом, обусловленным улучшением оборудования для майнинга и ростом числа майнеров, выходящих на рынок из-за роста цены биткоина.
• Декабрь 2017 г.: к концу периода роста сложность достигает примерно 1 590 000 000 000, что отражает возросшую конкуренцию и инвестиции в инфраструктуру майнинга по мере приближения цены биткоина к 20 000 долларов США.

2020 – Третий халвинг и  его последствия

• Май 2020 г.: непосредственно перед третьим халвингом сложность майнинга составляет около 16 100 000 000 000. В результате халвинга вознаграждение за блок сокращается с 12,5 до 6,25 BTC, что приводит к корректировкам участия майнеров и прибыльности.
• Декабрь 2020 г.: сложность майнинга возрастает примерно до 18 600 000 000 000, поскольку майнеры адаптируются к новым экономическим условиям и продолжают инвестировать в более эффективное горнодобывающее оборудование.

2021 – Запрет майнинга в Китае

• Май 2021 г.: Репрессии Китая в отношении майнинга приводят к резкому падению хешрейта. Сложность падает на 28% в июле 2021 г. до примерно 14 400 000 000 000. Это падение является крупнейшей единовременной корректировкой вниз в истории Bitcoin, демонстрирующей, как изменения политики в основных регионах майнинга могут повлиять на сеть.
• Декабрь 2021 г.: по мере того, как майнеры переезжают в новые регионы и возобновляют работу, уровень сложности восстанавливается примерно до 24 200 000 000 000.

2024 – Исторические  максимумы

• Октябрь 2024 г.: сложность майнинга достигает рекордного уровня в 95 672 703 408 223, что отражает значительный рост глобальной скорости хэширования, усовершенствования оборудования для майнинга и более широкое внедрение.

По мере того как все больше майнеров присоединяются к сети или обновляют свои установки, сложность увеличивается, чтобы поддерживать постоянное время блока на уровне 10 минут. Это означает, что каждому майнеру приходится выполнять больше вычислений для решения блока, что увеличивает их затраты на электроэнергию и снижает их маржу.

В октябре 2024 года сложность достигла исторического максимума около 95,7 трлн. Эта интенсивная конкуренция вынудила майнеров использовать еще больше энергии, и для многих это означало меньшую прибыль, если они не могли компенсировать издержки.

Тем не менее майнеры не сидят сложа руки, пока растут издержки. Вот некоторые стратегии, которые они используют для поддержания конкурентоспособности:

Модернизация оборудования: новые, более эффективные ASIC помогают майнерам получать больше мощности хэширования на ватт. Регулярно обновляя свое оборудование, они могут снизить расходы даже при росте сложности.

• Сокращение расходов на электроэнергию: многие майнеры переезжают в регионы с дешевой электроэнергией или возобновляемыми источниками энергии. Более низкие расходы на электроэнергию означают большую прибыль, а устойчивые источники могут предложить стабильную цену в долгосрочной перспективе.
• Масштабирование: запуск более крупных майнинговых ферм помогает распределить расходы. Более крупные операции могут закупать оптом и получать более выгодные предложения по оборудованию и электроэнергии, что улучшает их итоговую прибыль.
• Добавление источников дохода: некоторые майнеры предлагают облачный майнинг или сдают в аренду пространство в своих центрах обработки данных, чтобы компенсировать расходы. Другие даже экспериментируют с услугами ИИ, чтобы получить новые источники дохода.
• Слияние и расширение: слияния с другими майнинговыми компаниями позволяют компаниям объединять ресурсы и снижать конкуренцию, помогая им преодолевать взлеты и падения, связанные с трудностями и изменениями цен на биткоины.

Эти стратегии помогают майнерам справляться с растущими уровнями сложности и оставаться прибыльными на жестко конкурентном рынке. Но с каждым всплеском сложности они вынуждены искать новые способы сохранить экономическую жизнеспособность майнинга.

Будущее сложности майнинга

Биткоин может показаться устоявшимся инструментом, но его будущее далеко не гарантировано.

Правительственная политика все больше влияет на корректировки майнинга и сложности. В 2022 году налог на майнинговую энергию в Казахстане вызвал временное падение хэшрейта, поскольку майнеры столкнулись с более высокими расходами.

С другой стороны, Сальвадор принял майнинг, продвигая геотермальную энергию, которая стабилизировала хэшрейт и поддерживала более высокую сложность. Исландия и Норвегия также привлекают майнеров своей обильной возобновляемой энергией, предлагая стабильные хэшрейты с меньшим воздействием на окружающую среду.

Однако концепция сложности майнинга подчеркивает экологические проблемы PoW. Огромное количество энергии, потребляемой в вычислениях методом проб и ошибок, заставило такие страны, как Швеция, настаивать на ограничениях, которые могут изменить будущие правила майнинга. Переход Ethereum на proof-of-stake (PoS) в 2022 году, сокративший его энергопотребление на 99%, показывает, как могут процветать устойчивые альтернативы, и усиливает давление на Bitcoin, требуя инноваций.

Однако PoW остается важнейшим элементом модели безопасности Bitcoin. Огромные затраты энергии, необходимые для майнинга, затрудняют для любому  злоумышленнику изменение блокчейна или проведение атак. Этот уровень безопасности и устойчивости трудно воспроизвести в других системах, и хотя PoS предлагает экологические преимущества, PoW показал себя надежным средством поддержания целостности сети.

Майнеры уже адаптируются, обращаясь к возобновляемым источникам энергии, таким как гидроэнергетика в Канаде и солнечная энергия в США. Некоторые даже повторно используют избыточное тепло, выделяемое при добыче полезных ископаемых, для промышленных целей с целью повышения устойчивости.

Квантовые вычисления представляют собой еще одну потенциальную проблему, способную производить огромную мощность майнинга, которая будет генерировать приемлемые хэши гораздо быстрее, чем текущее оборудование, что может резко повысить сложность. Хотя эксперты говорят, что практические квантовые компьютеры появятся только через несколько лет, сообщество Bitcoin уже исследует квантово-устойчивые алгоритмы для защиты сети.

Будущее сложности майнинга биткоина находится в равновесии между угрозами и решениями. Сможет ли его механизм PoW продолжать процветать, зависит от того, как он адаптируется к этим вызовам.

Эксперты прогнозируют, что практичные, отказоустойчивые квантовые компьютеры, способные превзойти классические компьютеры в различных задачах, могут появиться примерно к 2035 году. Это ознаменует собой значительный сдвиг в вычислительной мощности и технологиях.