[科学技术]比特币“挖矿”： 能耗黑洞！

视觉中国

2016年8月，四川甘孜一个比特币“矿”。

愿景中国(vision China) 希望分享比特币的人涌向“采矿工厂”，投身于“开采”金块的热潮。同时，比特币挖掘惊人的功耗也吸引了人们的目光。

根据能源价格比较服务网站powercompare.co.uk的研究，2017年，比特币开采的耗电量超过了29.05太瓦时(1太瓦时等于1亿千瓦时)，超过了全球159个国家的年平均耗电量。爱尔兰(人口477万)每年仅消耗25太瓦时的电力。

近日，有报道称，云南省昆明市某区部分居民因比特币“开矿”导致大面积跳闸，变压器烧毁，400多米的电缆受损。

挖个比特币，为什么要消耗这么多电？

集成电路功耗是根本原因

"比特币采掘机本质上是一种特殊的计算机."清华大学信息技术学院副院长曹在接受《科技日报》采访时表示。

这个特殊的计算设备是如何挖掘比特币的？

在比特币的世界里，每10分钟就记录一个数据块。所有挖掘计算机都试图打包这个数据块，同时完成提交任务，成功生成这个数据块的人可以获得比特币奖励。挖掘机器的计算能力越强，“挖掘”的速度越快，挖掘比特币的概率就越高。

现在比特币“挖掘”正从“矿工”进入“团队挖掘”时代，即通过“矿池”进行“挖掘”。如果你的矿机占了整个“矿池”计算能力的五分之一，如果“矿池”一天能挖五个比特币，那么你就能得到一个比特币。

在矿业争分夺秒的背后，电力是不可忽视的重要成本。有“矿工”做了一个账户:根据每天运行24小时，矿机可以挖出0.0018个比特币的计算，556天可以挖出一个比特币。他的矿机功率1350瓦，功率1000瓦的矿机每小时耗电1度左右。两台矿用机每天耗电32.4度，每天电费16.8元。换句话说，挖一个比特币要9367元。

"从根本上说，这就是集成电路的功耗问题."曹告诉《科技日报》记者，从硬件层面来说，电路本身会消耗电能，比特币采掘机对计算能力的要求更高。进行大规模开采时，采掘机相对集中，自然增加了耗电量。

能量吸收的“疯狂魔法”不仅仅是采矿机器

其实除了比特币“挖掘”之外，计算设备消耗惊人电量的新闻非常普遍。

比如超级计算机。报道称，天河二号超级计算机每年产生的电费接近1亿元，相当于一个中小城市的年用电量。“神威太湖之光”超级计算机每年的耗电量约为15 MWh，相当于三个清华大学的耗电量。用电量依然惊人。

另一个例子是数据中心。中国数据中心节能技术委员会秘书长卢告诉《科技日报》，2016年中国数据中心总用电量超过1100亿千瓦时，超过2016年三峡大坝总发电量，比2015年增长11.7%。

“数据中心的功耗包括it设备、供配电系统、新风制冷系统等四个部分。”吕告诉《科技日报》记者，it设备用电量约占总用电量的50%，新风制冷系统约占35%-40%，供配电系统约占15%-18%。

吕介绍，(用电效率)是衡量数据中心能效的重要指标，是数据中心设备总能耗除以it设备能耗得到的值。目前国内数据中心的平均pue水平在2以上，意味着非it设备的功耗超过了it设备本身的功耗。

“在数据中心，大量能耗发生在非it设备上，大量电力被浪费。”卢告诉《科技日报》记者，供配电系统和制冷系统在节能方面有很大潜力。比如新风制冷系统占总能耗的35%-40%，经过优化调整节能后可以节约10%-20%。从全国来看，可以节省100亿到200亿元电费。

突破摩尔定律是关键

不过，承认，在数据中心，it设备的节能是最根本的。因为it设备的能耗占主要部分，供配电系统和新风制冷系统为it设备服务。

卢为《科技日报》记者算了一笔账。如果it设备的功率是1000瓦，那么就需要同时配备1000瓦的供配电系统和1000瓦的新风制冷系统。每小时总功耗3000瓦小时。如果it设备将能耗降低到500瓦，则需要配备500瓦供配电系统和500瓦新风制冷系统，总功耗为1500瓦时/小时。

这意味着一旦it设备能耗下降，整个数据中心的能耗也将大幅下降。

“但目前的数据中心节能改造大多集中在供配电系统、制冷系统等非it设备上，这其实是一个悖论。”卢告诉《科技日报》记者，一旦数据中心投入使用，将很难改造it设备，因为it设备的停机将带来巨大的损失。因此，在设计和建设之初，通常会鼓励数据中心尽可能采用性能更好、更节能的it设备。

那么it设备的能耗是如何产生的呢？卢解释说，数据中心it设备能耗的“大消费者”是网络存储设备和服务器，网络存储的能耗约占60%。过去，机械硬盘的能耗相对较高，但现在数据中心越来越多地使用固态硬盘等网络存储技术，这可以显著降低这一领域的能耗。

“无论是比特币‘挖掘’，数据中心，还是超级计算机，其功耗问题本质上都与最低的集成电路有关。”在曹看来，随着芯片技术的发展，单位面积集成电路上的器件越来越多，功能越来越复杂，同时单位面积集成电路的功耗也越来越高。

曹介绍说，另外，从软件层面来说，其功耗与算法设计和软件效率有关。从系统层面来说，取决于很多it设备搭建的集群的网络结构和效率。从环境因素来看，还涉及到散热、制冷等系统。

至于如何从根本上让这些计算设备不再消耗那么多电能，从长远来看，恐怕需要通过量子计算和新型半导体材料突破摩尔定律，让计算设备更加高效节能。