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行业 报告 | 行业专题研究 计算机 2018 年 05 月 29 日加密 数字货币挖矿市场专题报告 加密数字货币挖矿的演进发展 加密数字货币的挖矿 设备 经过从 CPU 到 GPU，再到 FPGA，最终达到现在的 ASIC 的演化过程。 挖矿设备的升级，不仅带来了网络算力的巨大提升，也使得挖矿市场向专业化、规模化、公司化的方向发展，比特币的算力集中问题将不可避免。 此外， 2017 年 在市场上出现了 以迅雷玩客云为代表的 CDN矿机，这类矿机结合 CDN 网络和区块链技术，通过挖矿获取 区块奖励 来吸引用户共享宽带、存储空间及计算资源， 这种新型的共享经济模式能 提高 社会资源的配置 效率 。 矿机市场发展现状 -中国制造，强者愈强 相比于“中兴事件”折射出我国在半导体产业上的尴尬现状，中国企业在区块链矿机芯片的研发、设计上却在全球处于绝对的优势，以比特大陆和 嘉楠耘智为代表的区块链矿机公司，在全球矿机市场上处于 绝对 垄断地位 。 根据商业周刊披露， 成立于 2013 年 的比特大陆公司 ，在 2017 年的营业收入却达到了 25 亿美元， 其矿机销售市场份额占全球份额的 75%以上；此外 ， 比特大陆凭借其研发的矿机芯片，一举超越展讯，成为 2017 年中国大陆地区 IC 设计公司第 2 名，仅次于华为的海思。 比特大陆在比特币挖矿市场上也是绝对的行业巨头 ，当前 比特大陆公司旗下的算力控制已经超过50%， 拥有了比特币挖矿行业的绝对主导权。 作为 全球 第二大比特币矿机生产商嘉楠耘智 ，旗下主要产品是“阿瓦隆”矿机 ，根据其招股说明书披露， 在过去的三年，嘉楠耘智的年利润增长了 230倍，无论是偿债能力还是营运能力都有显著增强，目前嘉楠耘智 已经向港交所递交了 上市申请 。 比特币挖矿市场现状 -寒冬来袭， 适者 生存 决定比特币挖矿盈亏的 三个 核心要素是比特币价格、难度值、电费成本 。目前， 比特币 价格持续低迷，挖矿难度不断提高， 挖矿市场开始进入 寒冬， 电费价格 成了影响矿工 生存 的关键因素 。 根据 我们 的测算， 从长期静态成本看，采用蚂蚁 S9 矿机的挖矿成本大约为 3.5 万元人民币，而采用蚂蚁 V9 矿机或阿瓦隆 A741 矿机，其成本已经分别达到了 6 万元和 7 万元人民币；从短期动态成本看， 在 今 年 3 月后，散户或小型矿工群体已经处于亏损状态；而在0.5 元一档 电价 的矿工 经营 勉力维持，拥有自己发电厂的矿场则不会受太大影响。 风险 提示 ： 加密数字货币市场具有高投机性、高波动性的风险特性，存在过度炒作、概念宣传等投资风险。目前区块链技术发展处于早期，技术存在瓶颈，大规模地商业应用落地还需时日。 行业报告 | 行业专题研究 2内容目录 1. 加密数字货币挖矿的演进发展 . 4 1.1. CPU 挖矿 . 4 1.2. GPU 挖矿 . 5 1.3. FPGA 挖矿 . 6 1.4. 专用集成电（ ASIC）挖矿 . 6 1.5. 新型矿机 -CDN 矿机 . 7 1.6. 矿池 . 8 1.7. 云矿机 . 8 2. 矿机市场发展现状 -中国制造，强者愈强 . 9 2.1. 比特大陆 . 10 2.2. 嘉楠耘智 . 12 3. 比特币挖矿市场现状 -寒冬来袭，适者生存 . 14 3.1. 比特币挖矿市场发展概况 . 14 3.2. 比特币挖矿市场收益分析 . 15 4. 加密数字货币挖矿市场未来展望 . 17 图表目录 图 1：挖矿设备的演进 . 4 图 2：比特币创世区块的原始十六进制版本 . 5 图 3：早期比特币矿工自制的简易 GPU 矿机 . 5 图 4：以太坊 Radeon R9 380x 矿机 . 6 图 5：以太坊 Radeon R9 Nano 矿机 . 6 图 6：比特币 FPGA 矿机 . 6 图 7：比特币蚂蚁 S9 矿机 . 7 图 8：比特币神马矿机 . 7 图 9：迅雷玩客云产品 . 7 图 10： 2012 年 -2020 年全球矿机市场规模及增长率 . 9 图 11：按交付量计比特币矿机市场份额（ %） . 9 图 12：按算力计比特币矿机市场份额（ %） . 9 图 13： BM1680 芯片架构图 . 11 图 14： 2018 年 4 月比特币矿池算力占比 . 12 图 15：嘉楠耘智近三年营业利润（万元） . 13 图 16：嘉楠耘智近三年营业收入（万元） . 13 图 17：近一年比特币交易日均手续费变化 . 15 图 18：近一年比 特币价格与难度值变化情况 . 16 图 19：比特币短期动态盈亏点 . 17 行业报告 | 行业专题研究 3表 1：特比大陆矿机主要参数 . 10 表 2： 2017 年中国十大集成电路设计公司 . 10 表 3：国内 AI 芯 片信息 . 11 表 4：嘉楠耘智主要产品 . 12 表 5：嘉楠耘智主要财务指标 . 13 表 6： 2015 年 -2017 年嘉楠耘智阿瓦隆矿机销售情况 . 13 表 7：嘉楠耘智三次上市之路 . 14 表 8： 2018 年 5 月比特币网络节点分布情况（前十大国家或地区） . 14 表 9： 2018 年 4 月末比特币挖矿成本 . 16 行业报告 | 行业专题研究 41. 加密数字货币挖矿 的 演进 发展 自 2017 以来，随着加密数字货币的价格高涨，大量的人群涌入 加密数字 挖矿行业 。加密数字货币 的“挖矿” ，简而言之就是通过 计算机 节点 为区块链网络开展数学运算 ，进行记账竞争 的过程 ；运行这些计算 机 节点的人就是“矿工” ；而这些计算节点就是“矿机”。 在挖矿 过程中 ，矿工主要有两大任务：一是将监听到的新交易放入新区块中，并进行哈希运算寻找一个有效的随机数，使区块成为合法区块；二是接收并验证区块。当区块通过验证并被纳入公共主链后，那么找到新区块的矿工就将获得加密数字货币奖励。 需要注意的是，挖矿产业是以 POW 机制为基础的加密数字货币所特有的，而 POS 机制以及 DPOS 机制相当于虚拟挖矿，并不需要专业的矿机。 这种虚拟数字货币的挖矿与历史上的挖金矿有着非常有趣的相似之处： 从 最开始的 个人 使用淘砂盘、摇动槽 等 淘金，到近代 时期将 蒸汽机用于排水和其他作业，爆破技术应用于地下开采 ， 再到现代社会使用遥感、地球化学等多种手段探测金矿，大规模的机械化提高开采效率 ，而加密数字货币的挖矿也经过从 CPU 到 GPU，再到 FPGA，最终达到现在的 ASIC的演化过程。另一方面，比特币与黄金都逐渐从个人开采为主逐步演变为大公司大矿池的专业运作。 现在 我们简单介绍加密数字货币挖矿 的 演进 发展 。 图 1： 挖矿设备的演进 1.1. CPU 挖矿 在比特币 产生的初期 ，挖矿难度非常低，因此用普通计算机的中央处理器（ CPU）也能挖到比特币。 2019 年 1 月，中本聪 在一台小型服务器上挖出了比特币的第一个区块 -创世块，获得了 50 个比特币的奖励；有趣的是，中本聪还在创世区块中写入一段话：“ The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks（财政大臣站在第二次救助银行的边缘） ”，这 句话是当日泰晤士报 头版的标题，它 既表明了创世块产生的时间，也暗示了当前自由资本主义经济面临的问题，而这可能也是中本聪创造比特币的目的之一。 那么使用一台普通的电脑挖矿有多快呢？一台高端的个人台式电脑，每秒可以计算大约 2千万次哈希函数（ 20MH/s），按照 2011 年初的挖矿难度，大概 需要 1 小时左右能挖出一个区块，而随着比特币挖矿难度的升高， 根据测算 到了 2018 年 5 月初 用一台普通电脑已经 需要 大概 2859 万年的时间才能挖出一个有效区块。因此在目前的难度下，使用 CPU 挖矿的矿工基本挖不出比特币。 行业报告 | 行业专题研究 5图 2： 比特币创世区块的原始十六进制版本 资料来源： 比特币维基百科， 天风证券研究所 1.2. GPU 挖矿 2010 年 9 月，开始出现 使用显卡或图形处理器（ GPU）来挖矿。相比于 CPU 挖矿，用显卡挖矿有几个优势，首先，买显卡很容易，而且是业余爱好者也能轻松配置显卡；第二，显卡具有高吞吐量和高并行处理功能，这样能同时用不同的随机数计算多个哈希值；最后，大多数显卡可以超频，这意味着可以让显卡以高于设计频率的频率更快地运行，但这需要承担显卡过热或者出现故障的风险。 在比特币挖矿的早期，许多比特币爱好者都喜欢自己组建 GPU 矿机来挖矿，这类矿机差不多都是通过一个 CPU 来驱动多个 GPU 来进行哈希运算，以便更快地找到有效区块。下图就是当时一个简易的比特币 GPU 矿机，该矿机搭载了多个 R6970 显卡进行挖矿。 图 3： 早期比特币矿工自制的简易 GPU 矿机 然而，使用 GPU 挖矿也有缺点， GPU 有大量的内置硬件来进行图形处理，这些特定的硬件对比特币挖矿没有任何用处，比如 GPU 中的浮点运算单元；同时， GPU 也没有很好的冷却处理设置，长时间运行发热比较严重，尤其是把大量 GPU 堆放在一起时该现象尤为严重。前段时间比特币挖矿市场上存在一款 AMD HD7950 BE 显卡矿机，根据比特范官网的数据显示，该显卡的哈希算力能达到 700MH/S，即每秒可以进行约 7 亿次哈希运行，这比CUP 矿机高出一个数量级，然而即使这样，根据计算，在 2018 年的今天仍然很难挖出一个有效区块，大约需要 86 万年左右。行业报告 | 行业专题研究 6按照当前的比特币网络的难度值，使用 GPU 矿机几乎无法挖出比特币，而以太坊的 POW机制采用了 Ethash 算法 ，该算法 加入 了 内存难度，使它具有抵抗单凭哈希运算优化的 ASIC挖矿机的属性 ，可防止出现矿池算力集中的现象，因此 目前市场上存在的 GPU 矿机大多是以太坊（ ETH） 的 GPU 矿机 ，比特币 GPU 矿机已经被历史淘汰。 图 4： 以太坊 Radeon R9 380x 矿机 图 5： 以太坊 Radeon R9 Nano 矿机 1.3. FPGA 挖矿 2011 年 6 月 左右， 可编程门阵列 （ FPGA） 开始用于比特币挖矿， FPGA 比 GPU 的性能 更好 一些 ， 可以写入特定的程序来实现特定的运算， 理论上可以使用硬件板上的每一个晶体管进行挖矿运算，同时也很容易冷却 ，精心使用 FPGA 可以使算力提高到 1GH/s，也就是每秒 10 亿次哈希运算 。 然而 FPGA 挖矿的时代也非常短暂：首先，使用 FPGA 来挖矿 其实更加困难，因为几乎需要一直超频使用，这远超 FPGA 供普通 消费者而设定的频率，因此经常出现各种报错和故障；其次，优化 FPGA 的 32 位加法处理上十分困难，而这在比特币的 SHA-256 哈希运算中非常关键；最后， FPGA 在多数商店都买不到，并且只有少数人才知道怎么搭建 FPGA 并进行相应的编程。 最重要的是，即使在运算性能上， FPGA 并没有比GPU 提高多少。 因此 FPGA 矿机 很快地 被 定制化的专用集成电路 ASIC 矿机所取代。 图 6： 比特币 FPGA 矿机 1.4. 专用集成电（ ASIC）挖矿 ASIC 是 Application Specific Integrated Circuit 的缩写，是一种专门为某种特定用途设计的电子电路（芯片）。用于挖矿的芯片 即 矿机 ASIC 芯片。因为 ASIC 被设计为只进行某一挖行业报告 | 行业专题研究 7矿需要的特定算法， 算法任务非常单一，基本无需分支预测、规划等其他操作， 所以 ASIC芯片的 挖矿的 成本 相比 CPU 挖矿成本 更低 。 更 重要的是，就挖矿算力 而言 ， ASIC 比同时代的 CPU、 GPU 高出几万倍甚至更多 ，以一台目前主流的蚂蚁矿机 S9 矿机为例， 根据比特大陆官网的资料显示， 其算力达到了 14,000GH/S， 这在 2018 年 5 月的今天 意味着一台蚂蚁 S9 矿机需要 42 年就能挖出一个有效区块， 因此 ASIC 挖矿往往带来了整个区块链网络算力的指数级增长。在另一方面，由于 ASIC 矿机是专门定制 ，只为特定的计算而打造的，这意味着特定的 ASIC 矿机只能挖特定的币种，而 GPU 是通用的，可以挖多款币，因此一款 ASIC 矿机的价格通常与特定币种的价格绑定在一起，当一款币的价格高涨时，相应的 ASIC 矿机价格也上涨，反之则下跌。 图 7： 比特币蚂蚁 S9 矿机 图 8： 比特币神马矿机 1.5. 新型 矿机 -CDN 矿机 2017 年市场上出现了一种新型的区块链矿机，即以迅雷玩客云为代表的 CDN 矿机， 根据玩客云官网的资料显示， 这类矿机 结合 CDN 网络和区块链技术，通过挖矿获取 链克（一种基于区块链技术发放的奖励） 来吸引用户共享宽带 、 存储空间 及计算 资源，而这种 CDN挖矿的模式能带来很多好处：首先对于用户 （相当于 CDN 节点）， 能够把闲置的 上行 宽带共享出去获取链克奖励，而链克又能用来兑换网络加速、云存储等服务； 再者 ，对于迅雷能够以较低的成本获取 CDN 节点的宽带 资源，节约了大量成本；最后，对于厂商（如视频网站等），这意味着可以购买到很便宜的 CDN 服务。 尽管 目前这类矿机有一些争议，但作为一种新共享经济模式的实验，其做法十分值得肯定。 图 9： 迅雷玩客云产品 行业报告 | 行业专题研究 81.6. 矿池 在上文中我们做了简单的计算，即使是一台最新的 蚂蚁 S9 13T 矿机，也 即平均 需要 42 年的时间才能挖出一个有效区块。 目前市场上的主流矿机大概用 12 年， 从理论上而言 ， 在该情况下（ n 很大 ， P 很小 ）， 矿工在一年里能挖出的有效区块数 量 的概率分布 满足泊松分布，即这里我们取参数值 =1/42，会发现用一台 蚂蚁 S9 矿机在 第 一年里没挖到区块的概率高达 97.6%，挖出一个区块的概率为 2%，挖出两个区块的概率仅仅为 0.28%。因此，对于单个 矿工而言，花费了数千元买了一个矿机，支付了大量的电费成本的结果却是 大概率地在第 一年 内 什么也得不到，这种高风险性对于单个矿工是不可承受的。 想要降低这种风险，唯一的方法就是提高算力。因此，对于有强大财力和资源的矿工会自建加密数字货币矿场， 而资金较小，拥有算力较小的矿工会联合 起来组建矿池共同挖矿， 在此机制中，不论个人矿工所能使用的运算力 有多少 ，只要是透过加入矿池来参与挖矿活动，无论是否有成功挖掘出有效资料块， 均可按 对矿池的贡献来获得 加密数字货币奖励 。 这就极大降低了单一矿工的风险。比如目前比较著名的 BTC 矿池， 根据 BTC 的数据显示， 其算力在过去三个月里占比特币网络全部算力的 27%，这意味着平均每 37 分钟左右就能挖取一个有效区块，加入矿池的矿工每年都一定能获取加密数字货币的挖矿收入，此时唯一需要考虑的风险就是币价的波动风险。 矿池的出现虽然降低了单一矿工的风险，却提高了加密数字货币的风险，当单个矿池或几个矿池联合起来的算力超过 50%时，加密数字货币的区块链网络就存在女巫攻击的可能性，而一些研究还表明，通过挖私矿的方式，只要算力占比超过 1/3 左右就存在发动女巫攻击的可能性。从现实情况看， 比特币网络已经出现算力中心化的倾向 。 1.7. 云 矿机 相比于传统的采购高配置的硬件并进行专业维护的挖矿 ，市场上的云矿机则提供了一种低成本、低风险、低费用的挖矿模式。简而言之，云挖矿就是通过网络远程使用别人的矿机挖矿，由云挖矿服务商提供矿机、网络、运行维护等服务，而用户只需要支付一定的租用、托管服务费，因此这实际上是一种租赁托管服务。目前全球主流的运算力供应商有 Genesis Mining、 Hashflare、 nicehash。 行业报告 | 行业专题研究 92. 矿机市场 发展现状 -中国制造，强者愈强 随着加密数字货币 价格的上涨 ，矿机的销售在 2016 年和 2017 年也突飞猛进，根据嘉楠耘智的招股说明书披露，全球加密数字货币矿机的销售收益从 2012 年的 7 千万元人民币增长至 2017 年的 193 亿元人民币，年复合增长率高达 207.8%，预计至 2020 年销售收益会增长至 985 亿元人民币。 图 10： 2012 年 -2020 年全球矿机市场规模及增长率 相比于最近的“中兴事件”折射出我国在半导体产业上的尴尬 现状 ， 在 数字货币的 上游矿机市场 ，中国企业在 区块链矿机 芯片 的 研发、设计上 却在全球具有巨大的优势 ， 以比特大陆 和 嘉楠耘智为代表的区块链矿机公司，在全球矿机市场上处于垄断地位， 两家中国公司的比特币矿机销售量占全球销售总量的比重超过 87%， 其中 比特大陆旗下的蚂蚁矿机，以约 66.6%的 矿机数量 占有率成为 比特币 矿机市场 上 的绝对霸主。 图 11： 按交付量计比特币矿机市场份额（ %） 图 12： 按算力计比特币矿机市场份额（ %） 0.1 0.3 1.3 2.4 5.7 19.3 45.6 79.4 98.5 290.0% 376.0% 83.7% 139.9% 237.8% 136.0% 73.9% 24.1% 0.0%100.0%200.0%300.0%400.0%0204060801001202012 2013 2014 2015 2016 2017 2018E 2019E 2020E矿机市场规模（十亿元人民币） 增长率 66.60% 20.90% 12.50% 比特大陆 嘉楠耘智 其他 60.00% 19.50% 20.50% 比特大陆 嘉楠耘智 其他 行业报告 | 行业专题研究 102.1. 比特大陆比特大陆公司成立于 2013 年，借助 2014 年比特币价格的崩盘和 2015 年初的市场回暖，以及自身矿机的高能低耗的优势，比特大陆成功公司崛起，成为区块链行业，特别是比特币矿机市场的霸主。这家成立仅仅五年的企业，根据商业周刊的报道，在 2017 年的营业收入却达到了 25 亿美元，更从去年下半年起，成为台积电中国的第 2 大客户，预计在 2018 年可能跻身全球前五大客户。而在今年发布的 2017 年中国独角兽企业发展报告中，比特大陆以 10 亿美元的估值排名第 107 位。表 1：特比大陆矿机主要参数矿机型号 发布时间 芯片 制程工艺 单片算力 芯片功耗蚂蚁 S1 2013/9 BM1380 55 nm 2.8 GH/s 2000 W蚂蚁 S3 2014/4 BM1382 28 nm 14 GH/s 800 W蚂蚁 S5 2014/10 BM1384 28 nm 18 GH/s 510 W蚂蚁 S7 2015/6 BM1385 28 nm 30 GH/s 230 W蚂蚁 S9 2016/6 BM1387 16 nm 80 GH/s 100 W表 2： 2017 年中国十大集成电路设计公司排名 公司 销售额（亿元人民币） 主要产品1 海思 390 通讯产品2 比特大陆 143 ASIC3 展讯 97.5 通讯产品4 豪威 65 CIS5 汇顶 35.75 指纹芯片6 华大 26 身份证智能卡7 芯成 23.4 存储8 谱瑞 22.1 显示触控9 格科微 20.15 CIS10 兆易创新 19.5 存储在矿机芯片领域 ， 根据比特大陆官网资料 显示 ， 比特大陆成功开发并量产了多款 ASIC 定制芯片和整机系统，拥有先进工艺 28nm、 16nm、 12nm 的集成电路全定制设计的量产经验，其中最具代表性的是其运用在加密数字货币矿机中的 BM 芯片系列 ， 其 自主研发的第五代芯片 BM1387 是全球功耗最低、性能最高的运算加速芯片 ；而根据 芯智讯 的调查显示， 比特大陆也凭借其研发的矿机芯片，一举超越展讯，成为 2017 年中国大陆地区 IC 设计公司第 2 名，仅次于华为的海思。 与此同时，比特大陆也开始进人工智能领域， 根据半导体行业观察披露， 2017 年底，比特大陆正式发布旗下算丰 TPU 芯片 BM1680，这是一款面向深度学习应用的张量计算加速处理的专用定制芯片，适用于 CNN、 RNN、 DNN 等深度神经网络的推理预测（ Inference）和训练（ Training）。 BM1680 单芯片能够提供 2TFlops 单精度加速计算能力，芯片由 64 NPU构成，特殊设计的 NPU 调度引擎（ Scheduling Engine）可以提供强大的数据吞吐能力。 单芯片能够提供 2TFlops 单精度加速计算能力，片上 32MB SRAM 拥有高带宽，在片外有 DDR4内存接口，单芯片可支持高达 16GB DDR 内存 。 同时，比特大陆将围绕算丰 AI 芯片，不断为各个落地场景提供创新解决方案。目前发布的智能视频分析服务器 SS1，是专为视频和