区块链专题：算力为王——全球矿业藏宝图.pdf

RESEARCH INVESTMENT DATA 请务必阅读最后特别声明与免责条款 专 题 2019.11.29 算力为王：全球矿业藏宝图 区块链 专题 1129 导读 随着 BTC的共识度越来越高， BTC“挖矿”经常被称作新时代的“ 淘 金 热 ” 。围 绕 BTC挖矿已然形成了庞大的产业链，本文将力图展现 BTC矿业的藏宝图 。 摘要 近年来火热的“区块链”起源于神秘人物中本聪创建的 BTC。通过竞争记账权获取新 BTC的过程被形象地称为“挖矿”，是将网络协议规定的获取 BTC的方式类比为物理世界的“淘金”或“挖矿”。 BTC的挖矿经历了从 CPU挖矿到 GPU挖矿，再到FPGA挖矿，最终衍变为专业的 ASIC矿机挖矿。 ASIC矿机研制出来后，挖矿“军备竞赛”的序幕正式拉开。随着挖矿装备不断升级， BTC的全网算力也在不断攀升。 比特大陆、嘉楠耘智和亿邦国际三大矿商在 BTC挖矿这场“淘金热”中赚得盆满钵满，成为名副其实的“淘金热时卖铲子”案例。 围绕 BTC挖矿已然形成了一个庞大的产业链。从上游的矿机芯片制造，到中游的矿机生产，最后落实到矿场、矿池的“挖矿”行为。 矿场是挖矿硬件的集合，矿池是矿机产出算力的集合。矿工将自己的矿机接入到某个矿池，贡献算力到该矿池，共同挖矿以获取收益，收益按 算力贡献进行分配。矿工通过矿池联合起来与其他矿池进行挖矿竞争，不仅可以使收益更加稳定，也可以避免运行全节点。云挖矿是指矿工直接向机构或个人购买云算力挖矿的方式，是参与挖矿的最方便快捷的方式 。 风险提示： 量子计算机技术突飞猛进 、市场趋势风险 分析师 宋双杰， CFA master17bqbase 分析师 程东锋 chengdongfengbqbase 通证通 RESEARCH INVESTMENT DATA 2 目录 1 区块链技术受到国家和互联网巨头的高度重视 . 4 1.1 作为国家战略技术的区块链 . 4 1.2 区块链起源于 BTC . 4 2 新时代的淘金热 . 4 2.1 靠算力 “挖矿 ”的 BTC . 4 2.2 挖矿装备的升级之路 . 6 3 BTC矿业藏宝图 . 8 3.1 矿机生产商 淘金热时卖铲子 . 8 3.2 矿场 “淘金热 ”的最前 线 . 9 3.3 矿池 团结就是力量 . 10 3.4 云挖矿 参与挖矿的极简模式 . 11 RESEARCH INVESTMENT DATA 3 图表目录 图表 1： 区块链的分布式系统达成共识的过程 . 5 图表 2： BTC单个区块内部数据结构示意图 . 6 图表 3： BTC的区块奖励约每四年减半一次 . 6 图表 4： BTC的不同类型矿机对比 . 7 图表 5： BTC全网算力变化图 . 7 图表 6： BTC挖矿产业链 . 8 图表 7： BTC的主要矿机生产商 . 8 图表 8： 比特大陆官网发布蚂蚁矿机 S17+ . 9 图表 9： 2015-2017三大矿机生产商利润（单位：亿元） . 9 图表 10： ASIC矿机组成的 BTC挖矿矿场 . 10 图表 11： 2019年 11月 28日 BTC哈希算力分布 . 11 图表 12： 云挖矿流程示意图 . 11 RESEARCH INVESTMENT DATA 4 1 区块链技术受到国家和互联网巨头的高度重视 1.1 作为国家战略技术的区块链 2019 年 10 月 24 日下午， 关于 区块链技术发展现状和趋势 的第十八次集体学习时强调，区块链技术的集成应用在新的技术革新和产业变革中起着重要作用；我们要把区块链作为核心技术自主创新的重要突破口，明确主攻方向，加大投入力度，着力攻克一批关键核心技术，加快推动区块链技术和产业创新发展。 中国一直高度重视区块链技术 。早在 2016 年 12 月，区块链就已 作为战略性前沿技术、颠覆性技术被写入国务院关于印发“十三五”国家信息化规划的通知中。 近年来越来越多的机构开始重视并参与研究区块链（ Blockchain）技 术 。在 互 联 网 金 融 领 域 ，区 块 链 与 人 工 智 能（ AI）、云计算（ Cloud Computing）、 大 数 据 （ Big Data）并 列为四大革命性技术。 BATJ（百度、阿里、腾讯和京东）等互联网巨头纷纷推出 “ABCD（人工智能、区块链、云计算、大数据） ”战略。 1.2 区块链起源于 BTC 区块链技术起源于神秘人物中本聪创建的 BTC，其 本 质 上 是 一种多个参与节点共同维护的分布式账本（数据库），不依赖第三方，仅通过分布式节点进行网络数据的存储、验证和交流。与中心化的数据库相比，区块链具有防篡改、公开透明等特性。 2 新时代的淘金热 2.1 靠 算力 “挖矿 ”的 BTC BTC网络是一个任何节点都可自由加入、不记名的区块链网络，通过巧妙的 POW机制达成一个全部节点参与的、满足一致性的共识，实现了应用环境可信强度的一致性。中本聪在 BTC白皮书一种点对点的电子现金系统中提出了 POW共识机制，其核心思想是通过要求网络中的节点付出一定量的算力竞争记录区块的权利（即记账权），来保证共识的一致性。 RESEARCH INVESTMENT DATA 5 图表 1： 区块链的分布式系统达成共识的过程 资料来源： 通证通研究 在 POW共识机制中，节点通过投入算力来争夺记账权。 BTC的挖矿算法是 SHA256算法，矿工们通过掌握的算力争夺 BTC网络的记账权以获取 BTC奖励，其原理如下： 矿工们对区块头（ block_header）进 行 两 次 SHA256函数计算之后若小于难度目标（ target_bits）， 即 SHA256(SHA256(block_header) target_bits， 表明该矿工取得当前区块的记账权。否则，矿工们会改变随机数（ nonce）值，直到满足上述不等式并取得记账权。 target_bits根据网络的难度进行设定，难度会在每生成 2016个区块（约 14天）后按规定算法进行调整，目的是保证网络中区块生成的时间间隔为 10分钟左右。 SHA256 (x)表示 Hash函数， x的取值范围被称为节点的搜索空间。 POW机制中节点的搜索空间是所有正整数，由于 Hash函数的特性，不等式左边可以认为是在 Hash函数值域上均匀分布的随机变量， target_bits对于全体节点都是相同的，节点获得记账权的概率取决于其计算 Hash的速度。 RESEARCH INVESTMENT DATA 6 图表 2： BTC单个区块内部数据结构示意图 资料来源： BTC的挖矿算法到底在挖什么 ， 通证通研究 参与节点通过竞争记账权获取新 BTC的过程被形象地称为 “挖矿 ”，所谓 “挖矿 ”是将网络协议规定的获取通证的方式类比为物理世界的 “淘金 ”或 “挖矿 ”。 BTC总量恒定为 2100万枚，生成该区块的 “矿工 ”节点将获得区块奖励，目前一共约有 1800万枚 BTC被 “挖 ”出来。按 BTC的网络协议， BTC“挖矿 ”的区块奖励每生成 21万个区块（大约需四年）会减半一次，最初 生成每个区块 奖励 50 BTC，经 过 两 次 减 半 后 ，目前已降至 12.5 BTC。预计 2020年 5月， BTC区块奖励将迎来第三次减半。 图表 3： BTC的区块奖励约每四年减半一次 资料来源： 通证通研究 2.2 挖矿装备的升级之路 BTC的挖矿经历了从 CPU（中央处理器）挖矿到 GPU（图形处理器）挖矿，再到 FPGA（现场可编程门阵列）挖矿，最终衍变为专业的 ASIC（专用集成电路）矿机挖矿。 010203040501-210000210001-420000420001-630000630001-840000840001-10500001050001-1260000BTC BTCBTC BTC RESEARCH INVESTMENT DATA 7 中本聪的最初愿景是人人都可以使用自有算力（个人电脑 CPU算力）参与到 BTC 的挖矿中来，从而构建一个非中心化网络。正如中本聪在 BTC的白皮书上所言， “They vote with their CPU power（节点通过 CPU算力来投票） ”。 由于在 POW共识机制中，节点获得记账权的概率与该节点拥有算力的比例相关，这意味着在挖矿总算力不变的情况下，单个节点的算力越大，获得 BTC区块奖励的概率越大。 2011年 GPU开始取代 CPU进行挖矿，和 CPU相比， GPU的算力提高了数十倍 。 FPGA矿机的算力性能与 GPU矿机持平，功耗较低，但 FPGA芯片产量不及 CPU和 GPU，且设备维护管理成本较高，需要专门编写挖矿程序，被淘汰的 FPGA矿机的残值也较低。 FPGA矿机最早出现于 2011年，很快被 ASIC矿机取代。 2012年下半年开始，专业的 ASIC芯片矿机在 FPGA的基础上被研制出来并量产， 2012年 BTC全网算力翻了一倍，至此， 挖矿“军备竞赛 ”的序幕正式拉开，军团化作战的 “矿场 ”开始登上历史舞台。 图表 4： BTC的不同类型矿机对比 矿机类型 专用性 通用性 矿机淘汰后残值 矿机代表 CPU 弱 强 高 普通个人电脑 GPU 弱 强 高 英伟达、 AMD FPGA 中 中 低 - ASIC 强 弱 接近 0 蚂蚁矿机、阿瓦隆矿机、神马矿机 资料来源： 通证通研究 随着挖矿装备的不断升级， BTC的全网算力也在不断攀升 ，2019年 9月 19日， BTC挖矿算力突破 100 EH/s，达到 105 EH/s，目前回落到 98 EH/s。当前 BTC 全网的运算速度相当于 66 台 Summit（世界上运算速度最快的计算机）， 154 台天河 -2A（中国运算速度最快的计算机）。 图表 5： BTC全网算力变化图 资料来源： blockchain，通证通研究 13 18714 76 2 632 25 3 3 5 3 2 1.E+001.E+031.E+061.E+091.E+121.E+152010.12011.12012.12013.12014.12015.12016.12017.12018.12019.12019.11MH/sRESEARCH INVESTMENT DATA 8 3 BTC矿业藏宝图 围绕 BTC挖矿已然形成了一个庞大的产业链。从上游的矿机芯片制造，到中游的矿机生产，最后落实到矿场、矿池的“挖矿”行为。 图表 6： BTC挖矿产业链 资料来源：通证通研究 3.1 矿机生产商 淘金热时卖铲子 随着 BTC的价格不断攀升， BTC挖矿全部被专业 ASIC矿机接管。目前市面上比较流行的矿机品牌有翼比特、蚂蚁矿机、阿瓦隆和神马矿机，分别对应亿邦国际、比特大陆、嘉楠耘智和比特微四大矿商。 图表 7： BTC的主要矿机生产商 公司 成立年份 矿机品牌 2019年 市场份额 （按算力） 亿邦国际 2010 翼比特 7.9% 比特大陆 2013 蚂蚁矿机 64.5% 嘉楠耘智 2013 阿瓦隆 21.9% 比特微 2016 神马矿机 5.7% 资料来源： Frost&Sulivan，通证通研究 2019年 10月 11日，作为龙头 “矿霸 ”的比特大陆在官网正式发布蚂蚁矿机 S17+和 T17+， S17+的标准算力高达 73TH/s。新 矿 机 具有算力高、功耗低、稳定性强等特点，有望进一步巩固比特大陆在矿机市场的领先地位。 RESEARCH INVESTMENT DATA 9 图表 8： 比特大陆官网发布蚂蚁矿机 S17+ 资料来源： Bitmain，通证通研究 根据比特大陆、嘉楠耘智和亿邦国际在 2018年提交的招股说明书，三大矿商都在 BTC挖矿这场 “淘金热 ”中赚得盆满钵满，成为名副其实的 “淘金热时卖铲子 ”案例。 图表 9： 2015-2017三大矿机生产商利润（单位：亿元） 资料来源： 各家招股说明书，通证通研究 根据嘉楠耘智在 2019年 10月 28日向美国 SEC提交的招股说明书， 2017年、 2018年、 2019年上半年，其毛利率分别是 46.2%、18.8%、 3.9%，下 滑 明 显 ，这 背 后 与 BTC的价格大幅下跌息息相关。 2019年 1月 2日，第二大矿机生产商嘉楠耘智经 SEC批准，正式在纳斯达克交易所上市交易，成为首家成功上市的矿机生产商。 3.2 矿场 “淘金热 ”的最前线 2012 年专业挖矿的 ASIC矿机问世， BTC挖矿正式进入 “军团化作战 ”时代， ASIC矿机组成的矿场 雨后春笋般涌现出来。 3.34 7.81 48.21 0.02 0.53 3.61 0.24 0.11 3.85 0102030405060201520162017 RESEARCH INVESTMENT DATA 10 图表 10： ASIC矿机组成的 BTC挖矿矿场 资料来源： 挖矿杂谈 ，通证通研究 中国是 BTC的主要产地。据 CoinShares Research在 2019年 6月发布的报告，估测全球 60%的 BTC产自中国。 在 水电资源丰富的四川等地，有大量数千台矿机组成的小型矿场，亦不乏 数 万台矿机组成的大型矿场。电力成本通常是矿场选址的重要考虑因素，例如前苏联遗留的水电站附近、内蒙古荒漠地区燃煤发电厂附近均是矿场的聚集地。 矿场的背后 既有 像比特大陆这样的大财团 ，也 有 无 数 看 好 BTC挖矿收益的中小矿工 。比 特 大 陆 的 愿 景 是 构 建 全 球 最 大 的 挖 矿 业 务 ，2019年 10月 18日，比特大陆在德克萨斯州宣布，将与洛克代尔市开发区（ MDD）、 DMG一起建立 50兆瓦的矿场。 在人烟稀少电力丰富之地，成千上万台矿机在矿工们搭建的厂房里轰鸣着，处于 “淘金热 ”最前线，在 BTC下次减半前每天都会产出约 1800枚 BTC。 3.3 矿池 团结就是力量 矿场是挖矿硬件的集合，矿池是矿机产出算力的集合。 矿工将自己的矿机接入到某个矿池，贡献算力到该矿池，共同挖矿以获取收益，收益按算力贡献进行分配。由于目前 BTC全网挖矿算力越来越高，单个矿工的算力占比很小（当前 BTC的全网算力相当于 129万台 蚂蚁矿机 S17+共同运作所产生的算力） ，导 致 挖 矿产出很不稳定，这时矿池便应运而生，矿工通过矿池联合起来与其他矿池进行挖矿竞争，不仅可以使收益更加稳定，也可以避免运行全节点（运行全节点需要下载维护近 250 G的 BTC账本）。 目前掌握算力较大的矿池主要有 Poolin、 BTC、 F2Pool和AntPol。其中 BTC和 AntPol为比特大陆旗下的矿池。