比特币的基本原理(浅析比特币挖矿原理和矿场运营背后的经济学)

比特币“挖矿”原理简介比特币以及其背后的区块链技术的主要原理为(图1):

建立一个全球分布式账本，每一个参与账户验证和打包的节点都能查询存储的自创世以来发生的所有交易细节来保障任意账户内的一笔钱不会被花销两次。

每10分钟内发生的交易被打成一包成为“区块”，使用加密签名技术，后一个区块使用前一个区块的签名信息对自己签名，形成签名“链”。这样一个“区块链”能保证账户和交易信息不被篡改。(图1红圈)

每时每刻都有未确认交易被广播给全网，然后所有愿意参与验证交易的节点(比特币矿工)每10分钟都将选择一些未确认的交易对照历史区块链验证并打包成一个“区块”，但并非所有比特币矿工打包的区块都是有效区块，而是接下来需要参与一场难度不断提升的算术竞赛，胜出者的结果才能获得全网认可并得到奖励(新发行的比特币)(图1绿圈)。

同时有多人胜出时还需要通过表决机制只保留一个矿工产生的结果而作废其他人的确认。

图1蓝圈则更详细解释了区块的构成和生成:上一个被确认区块的数字签名被放在头部以保证形成“链条”，中间数据部分保存了矿工选择并验证过的交易，而末尾则是尾数和本区块的数字签名。

区块链主要依靠哈希表(hashtable，一种字符串变换运算)计算的一个性质:已知哈希表的输出难以反算出哈希表输入的原文-“单向性”。而所谓的“挖矿”实质是对区块内的交易信息计算出一个哈希值作为签名，但并非任意哈希值都被有效，而人为规定结果字符串头部由若干连续的零组成。

为了得到这样特殊哈希值，“挖矿工”只能在交易信息后面附加一个随机尾数再计算哈希去尝试得到满足要求的值，若结果不满足则只能更改尾数重算。

“挖矿”的本质是重复计算随机字符串的哈希值并检查结果字符串是否满足头部有足够的零。为了保障每个区块生成时间具备足够的间隔，“挖矿”所要求的头部为零的数目定期自动增加，人为增加计算随机数“试运气”的难度。

挖矿设备的基本盈利能力分析矿场购买比特币挖矿机的根本目的在于通过消耗电力获得比特币，再将比特币兑现支付资本投入的摊销，电费以及少量人工工资，最终获得利润。因此要分析比特币挖矿设备和矿机产业是否能盈利，首先需要理解比特币矿场运营。

挖矿的实质可简单理解为全世界所有的挖矿设备一起来通过算随机数的哈希值的方法抽签，中签的概率为设备算力/全世界总算力;而中签后的比特币收益在四年间保持基本稳定，但大约四年会跳跃减半一次。

但对于单个比特机挖矿设备而言，一旦被制造出来，其收益却不断减少，原因在于全世界的算力在不断提升。

矿机算力提升有几个因素:

当最新工艺的矿机设备推出市场后，算力往往会有指数级别的增长;

而当比特币价格较为稳定，矿机设备产能比较稳定的时候，算力增速往往放缓到趋于线性增长，制约增速的主要是矿机设备产能;

当比特币价格开始下跌的时候，由于投资挖矿在这个阶段可能产生亏损，下游的投资需求放缓，导致算力增长缓慢。

由于单个矿机的中签率为设备算力/全世界总算力，全世界总算力不断增长，则单个矿机的收益将不断下降并逐渐趋于零。而单个矿机的耗电(主要运营成本)却近似恒定。所以当开动矿机获得的比特币兑换成现金后不足以支付电费，除非比特币未来涨价，否则这台矿机实质上进入报废状态，不应再被开启。

造成矿场矿机报废的主要原因往往是新一代挖矿硬件(主要依靠提升设备制造工艺水平)提升了运算速度并降低了能耗。

因此矿场实质上有一个“军备竞赛”的需求，当其他矿场大规模采用先进工艺制造的设备后，自己的矿机将面临被淘汰的风险，在合适的时间也应跟进采用先进工艺的ASIC。

我们可以得出第一条结论:当比特币价格保持不变时，矿场运营商存在不断更新更先进挖矿设备的需求。

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比特币价格与矿机产业订单的关系分析图2的分析假设了比特币价格不变，但从比特币自诞生之日起起价格就一直处在较大波动中。

本节将分析如果比特币价格发生长期性变化，其对矿机盈利的影响，以及对矿场运营商需求的影响。

在图3中，绿色曲线表示当比特币兑法定货币如美元/人民币价格上涨并保持一定水平后，同一台矿机的法定货币收益曲线，相比黑色曲线有着明显的上升。

而紫色区域则表示同一台矿机可能获得的超额利润。从图中可见紫色区域面积并不小，意味着比特币价格的暴涨暴跌对矿机盈利能力的影响也较大。

当比特币价格快速上涨之时，投资者和投机者可能会对投资于矿机运营的回报产生更高的期望，从而刺激矿场的新建与扩容，提升上游挖矿硬件商的订单;

当比特币价格长期低迷之时，挖矿就会显得无利可图，矿场也会放缓扩容以及对矿机的更新换代，此时上游挖矿硬件商的订单将会大幅下滑;

第二条结论:上游挖矿硬件制造商的订单与业绩和比特币价格高度正相关。

矿场运营背后的经济学分析

比特币矿场运营是一项高风险的经营活动，主要原因是:

矿场主无法预测投产后一段时间比特币的币价，如果比特币价格过低，则矿机可能因产出无法覆盖电费提早报废造成无法收回矿机的资本开支，造成亏损;

矿场主无法预测投产后一段时间全网算力的提升，即便比特币价格基本稳定，但全网算力大幅上涨(通常是更新一代矿机投产造成)，仍有可能造成矿机提前报废，无法收回投资矿机的资本开支;而全网算力的增长主要取决于多少资本被吸引进矿机行业以及未来新一代矿机的性能，这是很难预测的。

虽然矿场主无法预测影响未来是否盈利的两大变量:比特币价格P和全网算力C，但从理性经纪人的假说考虑，投资矿场的人多少会根据现在的情况去做投资决策。

在假设当前币价不变，全网算力按某种规律随时间增长的模型下，如果新增矿机可能造成两种亏损，则我们可以认为投资购买新比特币矿机的冲动将被压制:

如果比特币价格波动造成当前最先进的矿机产出不能覆盖电费，造成运营亏损，则当前最先进的矿机应该立刻关闭，这意味着新购买同样的矿机是更不可能的。

我们认为这个价格和全网算力的组合可以视为矿机设备供需的“强转折点”，即矿机设备需求会因为比特币价格低迷而长期低迷。

在当前币价下启动矿机虽然还有运营利润但不高，但全球算力还在快速增长，在可预期的未来如果币价不再大幅上升，则新增矿机无法收回固定的资本开支，那么理性的矿场运行主的投资冲动将下降。

我们认为这个币价和全网算力的组合可以视为矿机设备供需的“弱平衡点”，即理性的矿场投资人会收缩资本开支，除非更先进的矿机设备面市。分析师：刘雪峰 张璋(广发证券)

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