矿机的发展史从“芯”出发,不断进化,是矿工对更高算力追求的自然结果

引言

上月底,很开心参加了在迈阿密举行的矿业聚会(Mining Disrupt Conference)。会议中同行也分享了很多对挖矿行业的看法,上周已经在《驾驭比特币浪潮的正确方式》一文中大致分享了一些我的心得体会,但是想在以后的行业深度分析文章系列中仔细梳理一下加密货币产业的发展脉络,本篇主要对数字货币“矿机”发展史进行回顾,顺便说说我的看法。(专业名词解释在文章末尾)

挖矿历史回顾

十年前,如果你和别人说我是个矿工,大家只会把你和“山西”、“家里有个矿”、“金矿”等词联系起来,毕竟十年前“山西煤老板”的名声在社会上给大家留下了极深的印象。谁又能想到十年后的今天,比特币等数字货币在全球形成的产业已经如此庞大,“挖矿”也成为其中最为重要的一环。

谈到数字货币就必须从中本聪发布的比特币白皮书《比特币:一种点对点的电子现金系统》开始,白皮书中详细介绍了比特币产生机制-Pow机制,通过SHA-256运算,在一堆随机数中找到符合要求的数值。谁的算力大、运算速度快,谁就有更大概率先找出“答案”。中本聪设计这种机制的初衷就在于人人都可以参与,只需要用身边闲置的电脑就可以“挖矿”,得到相应的奖励即比特币。

从第一枚比特币诞生开始,对于“挖矿”这个词就增添了新的含义,简单说来,挖矿就是记账的过程,矿工是记账员,区块链就是账本。围绕“挖矿”逐渐完善的上游产业包含矿机的生产、设计;矿场和发电设备的制造建设以及矿池的运营。

二、矿机进化之路

2.1、挖矿起源

2009年1月3日18点15分,在赫尔辛基的一个小型服务器上,中本聪创建了创世区块并在其中留下一句话“2009年1月3日,财政大臣正处于实施第二轮银行紧急救助的边缘”。一切挖矿的起源便从这句话开始,也从服务器的CPU芯片中迸发出的算力开始,最早的矿工便是中本聪和哈尔芬尼。

刚开始所有人对这种新鲜事物的诞生感到好奇及怀疑,逐渐人们对比特币的理念认同感提升并积极尝试,矿工越来越多,用来挖矿的电脑及服务器也越多越多,比特币网络算力不断提升。

2.2、四代矿机进化

由于比特币价格逐渐上涨,矿工对于算力的追求已经不满足用电脑的单个CPU处理器进行挖矿。如同黄金的挖矿模式发展一样,挖掘金矿的大型机器代替了简单工具淘汰了中小个体,更高效、自动化程度更高的机器不断更新换代。对于比特币来说,则是更高算力的机器逐渐被研发出,从“芯”出发的过程便是四代矿机的进化。

第一代:CPU矿机。该类矿机以个人PC为代表,由于挖矿初期如同中本聪的设计初衷一样,让每个人都能参与其中,挖矿门槛低,电脑挖矿的收益完全可以支付因挖矿消耗的电费等。目前还有很多币种支持CPU挖矿,虽然效率低下,但是如果你想要体验挖矿的感觉,对初级玩家非常友好。

第二代:GPU矿机。由于GPU芯片对于算力的提升巨大(9MH/S-1KH/S,是CPU当时算力的9000倍),2010年已经有人成功的改善了挖矿算法,利用GPU进行挖矿,并且对GPU挖矿算法开源,矿工逐渐转向GPU挖矿设备。

第三代:FPGA矿机。挖矿算法被移植到FPGA芯片中,“南瓜张”在2011年研发出FPGA矿机,FPGA可编程芯片省去了GPU/CPU矿机配件的能耗。FPGA矿机虽然算力弱于GPU但是能耗比相比前两代矿机都要低,一度受到矿工的追捧。

第四代:ASIC矿机。2013年1月首台ASIC阿瓦隆矿机问世。ASIC矿机为专一功能打造,算力与功耗相较FPGA更具优势,而且开发难度要比FPGA低很多,FPGA矿机不到半年就被取而代之。

从“芯”出发

目前世界上有两种文明,一种是人类社会组成的的碳基文明,一种是各种芯片组成的硅基文明。比特币的诞生,中本聪天才般的将人类的智慧又一次注入硅基中,将芯片的用途又一次延展。虽然目前矿工对于算力的追求已经和当初比特币设计初衷有一定的偏离,但正因为此一大批企业在矿机和芯片制造领域闯出了一片天地。

3.1. 芯片对比

回顾矿机的四代的发展演变过程,矿机的设计研发一直围绕着两件事努力进步:1、算力更高;2、能耗更低;矿机的能耗比直接决定收益,矿机持续升级换代的核心便是内部的芯片。

CPU/GPU/FPGA/ASIC之间的对比在电子芯片研究领域已有很多研究,不同芯片由于生产工艺不同导致能耗比不同,算力也不同。

能耗比方面:ASIC > FPGA > GPU > CPU;

算力方面: ASIC > GPU > FPGA > CPU;

可编程灵活性方面:CPU > GPU > FPGA > ASIC。

但是对于矿机来说,能耗比直接决定收益。简单分析一下不同芯片直接的能耗比,ASIC和FPGA都是更接近底层IO,所以计算效率高和数据搬移高,但是FPGA有冗余晶体管和连线,运行频率低,所以没有ASIC能耗比高。GPU和CPU都是属于通用处理器,都需要进行取指令、指令译码、指令执行的过程,通过这种方式屏蔽了底层IO的处理,使得软硬件解耦,但带来数据的搬移和运算无法达到更高效率,所以没有ASIC、FPGA能耗比高[1]。

3.2. ASIC占据市场

根据3.1的分析,可以发现对于软件、算法已经比较成熟和稳定的领域,ASCI会更为适合。ASIC低功耗可以更省电,定制化速度更快可以挖到更多币。一般笔电里的单核CPU哈希率大约是0.0005GH/s,电源效率约20万J/GH。而比特大陆一开始推出的55纳米ASIC,平均哈希律则是1000GH/s,电源效率约1.1J/GH,也就是用更少的电,达到更高的算力[2]。为了让矿机算力更高、更快、更省电,挖矿机内部的芯片逐渐专业化,ASIC逐渐已经完全占据了市场。

3.3. 工艺制程提升

初代ASIC挖矿芯片的工艺制程只有110nm(蚂蚁矿机一代,2013年12月),ASIC矿机五年间经历了从 110nm、55nm、28nm、16nm、10nm、7nm的迭代升级。常说的几纳米几纳米的工艺,是指我们晶体管。那么工艺制程的升级有哪些优势呢?

1、芯片功耗更低;2、芯片面积更小;3、性能更强。制程工艺是指IC内电路与电路之间的距离,间距越小耗能越低。更先进的制造工艺还会减少处理器的功耗,从而减少其发热量,解决性能提升的障碍,制程工艺的进步是驱动芯片升级的重要动力。

3.4蚂蚁矿机的霸主地位

回头看“挖矿”十年矿机的发展史,不得不提的企业便是比特大陆。比特大陆靠的就是蚂蚁矿机和背后挖矿专用的ASIC芯片。蚂蚁矿机的能效比、设备完成度、芯片设计等从初代矿机推出以来不断进步。

2016年,比特大陆率先发布并量产16nm芯片,并应用于旗下蚂蚁矿机S9等机型。这款机器凭借高算力、低功耗和强稳定性等优点迅速占领海内外市场,成为矿机行业领导者。此外,蚂蚁矿机还推出了多款支持不同加密算法的矿机,充分满足各类数字货币爱好者的挖矿需求。 2018年9月21日,比特大陆宣布推出7纳米芯片BM1391,支持SHA256算法,已经应用于蚂蚁矿机S17。蚂蚁矿机长期保持全球第一的市场占有率,市场份额超过70%,是矿机行业毫无疑问的霸主。

结论

回头看看比特币诞生的十年,矿机的发展史就是从“芯”出发,四代矿机的不断进化、芯片工艺制程的提升,是矿工对更高算力的不断追求和自然选择。

矿机制造既符合工业设备制造业的基本商业模式,又因为数字货币币价的波动给矿机注入了一定的期货金融属性。矿机企业的激烈竞争进一步推动矿机的快速迭代升级,促进国内芯片制造工艺、半导体制造行业进一步发展。

蚂蚁矿机作为矿机行业的霸主,不管是产品丰富度还是产品质量都是行业内的标杆,产品凭借高算力、低功耗和强稳定性等优点变成挖矿行业所有人的最佳选择,也是比特小鹿的最佳选择。

今年年初,比特小鹿与比特大陆产品线进一步拓展加深战略合作模式,巩固了比特小鹿优质资源的整合能力,同时实现了与合作平台的流量共享与价值提升。我们选最好最靠谱的矿机,给比特小鹿客户提供最可靠、最高效、最赚钱的服务!

五、专业术语解释

算力:指每秒计算哈希值的次数,用于衡量矿工的计算能力。算力越高,挖到区块的概率越大。

哈希率:Hash Rate,指的是比特币网络的每秒运算能力,数字愈高,算力愈强。

CPU:Central Processing Unit中央处理器作为计算机系统的运算和控制核心,是信息处理、程序运行的最终执行单元。

GPU:Graphics Processing Unit图形处理器是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备(如平板电脑、智能手机等)上图像运算工作的微处理器。

FPGA:Field Programmable Gate Array 现场可编程逻辑门阵列是在PAL、GAL、CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。用户可以通过烧入FPGA配置文件来定义这些门电路以及存储器之间的连线。

ASIC:Application Specific Intergrated Circuits专用集成电路,是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。