Цена консенсуса

Те, кто интересуется криптовалютами, знают, что их «добыча» (майнинг) требует недюжинных вычислительных мощностей. Современные машины для майнинга биткойна строятся на сотнях специализированных больших интегральных схем. Одна такая машина потребляет мощность порядка 1,5-2 кВт.

Портал digiconomist.net с 2017 года рассчитывает «показатели энергопотребления биткойна» (Bitcoin Energy Consumption Index). В таблице приведены их некоторые текущие значения.

Каждому - по труду

В сети Bitcoin для достижения консенсуса (единого мнения о том, какую версию каждого блока, то есть набора транзакций, считать верной) используется механизм подтверждения работы (proof-of-work). Чтобы новый блок, созданный майнером, был признан сетью, он должен выполнить определённую «работу», а именно попытаться найти контрольную сумму (хэш) по алгоритму SHA-256 заголовка блока (часть блокчейна, содержащая ссылку на предыдущий блок и суммарное значение транзакций, в него включённых), который будет по своему значению соответствовать текущему уровню «сложности» - количеству начальных нулей в хэше. Сложность вычислений постепенно увеличивается.

Чтобы машина для майнинга окупила себя и в дальнейшем приносила майнеру доход, она должна обладать огромной вычислительной мощностью («хэшрейтом»), измеряемой в количестве вычисляемых ею хэшей в секунду. Хэшрейт современных специализированных устройств для майнинга достигает 50 Тх/с (триллионов хэшей в секунду). Гигантская мощь даётся не бесплатно: так, энергопотребление последней модели Bitmain Antminer S17 достигает 2 кВт, а цена в России - более 350 тыс. руб.

Новые блоки добавляются в блокчейн биткойна примерно раз в 10 минут. Этот непрерывный процесс требует всё больших затрат энергии. За прошедшие со времени запуска криптовалюты десять лет сеть биткойна увеличила своё энергопотребление до колоссальных значений, сравнимых с потреблением целых стран, например Австрии.

Угольный след

Возможно, ещё более серьезная проблема сети биткойна - тот факт, что большая часть майнингового оборудования находится в регионах (прежде всего в Китае), где львиная доля электроэнергии вырабатывается на угольных ТЭС.

Более или менее точно определить углеродный след сети биткойна не так-то просто. Во-первых, трудно узнать, какие из машин активны в сети, а во-вторых - определить, где они находятся. От географического положения майнеров зависит, насколько «чистую» или «грязную» энергию они используют.

Подробно этот вопрос изучали Гаррик Хайлеман и Мишель Раухс в работе "Global Cryptocurrency Benchmarking Study", вышедшей в 2017 г. Исследователи смогли идентифицировать оборудование, обеспечивающее примерно половину общего хэшрейта сети биткойна и потребляющее как минимум 232 МВт. Около половины этой величины пришлось на оборудование, расположенное в Китае, четверть - в Грузии, остальное - в других странах.

На основании этой информации и имеющихся данных по выбросам CO₂ энергосистемами каждой страны Хайлеман и Раухс определили, что средняя интенсивность выбросов сети биткойна составляет 475 гСО₂экв./кВт·ч.

Годом позже Раухс и другие опубликовали результаты аналогичного исследования, в котором идентифицировали майнинговое оборудование с общим потреблением 1,7 ГВт. По их оценкам все майнинговое оборудование для шести наиболее популярных криптовалют потребляло от 5,9 до 12,7 ГВт.

«Чистота» энергии зависит не только от страны, но и от конкретного её региона. Так, в 2018 г. компания Coinshares предположила, что большая часть китайского майнингового оборудования располагается в провинции Сычуань, где ГЭС вырабатывают дешёвую энергию. Из этого можно предположить, что благодаря гидроэнергетике углеродный след сети биткойна не очень высок. Однако это предположение не совсем верно. Главная проблема в том, что производство энергии на ГЭС не постоянно. В частности, в Сычуани средняя выработка всех ГЭС в сезон дождей в три раза больше, чем в сухой сезон. Колебания водности рек компенсируются в основном угольными ТЭС, поэтому общая интенсивность выбросов в Сычуани колеблется от 265 до 579 гСО₂экв./кВт·ч. Это более чем на порядок выше интенсивности выбросов энергосистемы Швеции, составляющей 13 гСО₂экв./кВт·ч.

В последнем исследовании "The Carbon Footprint of Bitcoin" (Столл и др., 2019) подобные региональные особенности учтены. Тем не менее результат примерно тот же: 480-500 гСО₂экв./кВт·ч для всей сети биткойна.

Яблоки с яблоками

Критики справедливо говорят, что платёжную систему нужно сравнивать не со странами, а с другими платёжными системами. Давайте попробуем. Согласно данным VISA, оборудование компании, обеспечивающее транзакции по всему миру, потребляет 674 922 ГДж энергии (получаемой из различных источников). Известно также, что в 2017 г. VISA обработала 111,2 млрд транзакций. Исходя из этого видно, что сеть биткойна в сотни тысяч раз «прожорливее», чем VISA: потребление на одну криптотранзакцию превышает 600 кВт·ч, тогда как на 100 тыс. транзакций VISA приходится менее 200 кВт·ч.

Конечно, эти подсчёты далеки от совершенства (например, в них не учитывается потребление офисов VISA по всему миру), однако разница всё равно шокирует. Сравнение с безналичными транзакциями в обычной банковской системе также показывает, что биткойн-расчёты требуют в несколько тысяч раз больше энергии. (Видно, что идея введения энерговалюты, о которой «Энерговектор» рассказывал читателям в 2014 г., воплотилась в жизнь самым неожиданным образом. - Прим. ред.)

Альтернативы

Proof-of-work, исторически первый алгоритм достижения консенсуса, доказал свою надёжность - сеть биткойна ни разу не была «взломана». Он также опровергает утверждение, что биткойн - это пустышка, не имеющая никакого материального выражения. Увы, цена подобных доказательств, выраженная в магаватт-часах, крайне высока. Неудивительно, что в последние годы появилось множество альтернативных алгоритмов, основанных на более энергоэффективных концепциях. Например, в сети Ethereum используется proof-of-stake («подтверждение владения»). В этой сети блоки создают держатели узлов блокчейновой сети, предоставляющие криптовалютный залог, так что машин - «пожирателей энергии» не требуется. Противники proof-of-stake отмечают, что этот подход несправедлив, поскольку лишь усиливает неравенство: чем больше криптомонет уже имеет держатель узла, тем больший доход он получает.

Heavy metal

У сети биткойна есть ещё один, экологический аспект: она производит много электронного мусора. Это связано с тем, что для майнинга биткойнов, как уже упоминалось выше, используется очень специализированное вычислительное оборудование, которое невозможно применить ни в каких других целях. Из-за гонки гига-, а затем и терахэшей в секунду это оборудование приходится заменять более новым примерно раз в полтора года.

Первые майнеры биткойнов в качестве «лопаты» использовали центральные процессоры обычных настольных компьютеров и ноутбуков. К концу первого года существования биткойна стало понятно, что можно быстрее «копать» с помощью графических процессоров. В 2011 г. майнеры начали переходить на программируемые логические матрицы (ПЛМ), а в 2013-м - использовать специализированные большие интегральные схемы (СБИС, или ASIC). Как явствует из названия, СБИС «заточена» на выполнение только одного типа вычислений (в отличие от ПЛМ, которую можно перепрограммировать для майнинга любой криптовалюты).

Как и другая вычислительная техника, майнинговое оборудование подчиняется закону Куми (новый вариант закона Мура), который гласит, что энергоэффективность компьютеров (количество вычислений на киловатт-час затраченной электроэнергии) удваивается каждые полтора года. Майнер может получать стабильный доход только на наиболее энергоэффективном оборудовании, поэтому ему приходится каждые полтора года переходить на новую машину, выбрасывая или продавая старую. Менее эффективное оборудование рано или поздно оказывается на свалке.

Портал digiconomist.net сообщает, что сеть биткойна генерирует примерно 9 тыс. тонн электронного мусора в год - примерно как Люксембург. Подсчитано также количество электронного мусора на одну биткойн-транзакцию - около 80 г. Это вес двух батареек «Крона». Выполнив 10 тыс. транзакций, VISA «намусоривает» лишь одну «Крону».

Следует отметить, что биткойн - первая и самая знаменитая, но далеко не единственная криптовалюта. Существуют гораздо более энергоэффективные программные деньги, которые могут обрести популярность благодаря именно этому преимуществу.