揭开“挖礦”的面紗：ASIC礦機詳解？

此文為清華大學李沛君同學，在《區塊鏈和加密數字貨幣》課堂上，對所學課程的所思所感所想，與大家分享和交流。此文為學生作品，不代表本中心觀點。

摘 要：近年來，隨着加密數字貨幣逐漸興起，比特幣（Bitcoin，BTC）作為加密數字貨幣的代表，吸引了人們廣泛的關注。比特幣基於的工作量證明（Proof-of-Work，POW）機制規定了率先算解出復雜數學題的礦工，可以獲得記账得權力以及比特幣獎勵。挖礦設備作為解出這道復雜數學題的源頭，需要不斷地進行計算。在目前火熱的比特幣市場中，幣價的高漲不僅致使挖礦的參與者越來越多，更是使得各類挖礦設備供不應求、出現了“一機難求”的局面。在本文中，本人結合自身所學專業（集成電路技術與管理），對於比特幣挖礦中涉及加密算法以及集成電路相關的礦機設備進行了趣味介紹，並對現有主流礦機產品設備及產業鏈情況進行了分析。

關鍵詞：比特幣；挖礦；礦機設備；ASIC 礦機；區塊鏈

一、比特幣挖礦 

1.1 哈希函數與 SHA-256 

哈希函數是一種數學函數，它可以通過計 算將任意形式的數據變成一個固定長度的值。由於其具備單向、防碰撞、穩定等特性，已經被廣泛應用於數字籤名，文件校驗，加密數字貨幣等領域。

圖 1 為使用哈希函數加密的流程圖。在圖中，最左側的部分為輸入信息，中間部分為使用的哈希函數，最右側部分為輸出的結果值。

圖 1 哈希函數加密流程圖 

假設我們輸入“Dog”這個字符，根據哈希函數進行運算之後會得到一串輸出，如“0eb1 29bf……”。同理，當輸入“I am a student”字符 串時也可以得到一個輸出。當我們將在字符串 後添加一個“.” ，即原字符變為“I am a student.” 時，可以看到此時的輸出文本發生了翻天覆地的改變，這說明了我們僅從輸出無法倒推輸入 的特點。此外，哈希函數還可以處理本文以外 的輸入，比如文件等等。

在哈希函數中，最著名的一個算法就是 SHA 系列算法。SHA 系列算法由美國國家安 全局 （NSA） 設計，是美國國家標准與技術研究院（NIST）發布的一系列密碼散列函數， 包括 SHA-1、SHA-224、SHA-256 和 SHA-512 等變體。在 SHA 系列算法中，最常用的是 SHA256 算法。SHA-256 算法的特點是對於任意長 度的消息，都輸出長度固定為 256 位的結果。

圖 2 SHA-256 加密算法

圖 2 給出了使用 SHA-256 算法進行加密 的過程。然而在圖中卻只輸出了“982153ce……” 64 位字符。這是因為這個 64 位的字符實際上是用十六進制的形式來表示的，所以實際上輸 出還是 256 位（4 位二進制可以由 1 位十六進 制來表示：如二進制中 1100 與十六進制中的 c 等價）。

1.2 什么是挖礦？

表 1 給出了不同加密數字貨幣及其使用的加密算法，可以看到比特幣採用的哈希函數是 密碼學中的 SHA-256 算法。下文均以比特幣為例進行說明。

表 1 不同加密數字貨幣及加密算法 

BTC 是由一個一個區塊構成的，在每個區塊中又可以分為區塊頭和區塊體。區塊頭中主 要記錄了當前區塊的基本信息，如圖 3 所示， 包含：版本（Version）、時間戳（Timestamp）、 難度（Difficulty）、隨機數（Nonce）、當前區塊 交易信息哈希值（Merkle root）等信息。區塊體 中則主要記錄了當前區塊交易信息。

 圖 3 區塊頭信息 

比特幣的創始人中本聰設計的規則是：誰先找到了符合條件的區塊，誰就能夠獲得比特 幣的獎勵，那么這個區塊應該怎么找呢？實際上，在上述給出的區塊頭信息中，除了隨機數 Nonce 以外，其他的值都是已知的。為此，我們要找的就是隨機數 Nonce，使得當前區塊頭 經過哈希函數處理後得到的哈希值小於規定 的哈希值。由於 SHA-256 算法是單向計算函數 無法反推，沒有已知的公式，所以只能通過一 個數一個數去嘗試的方法，直到找到正確的值。

此外，中本聰還預料到，隨着科學技術的不斷發展，人們電腦的計算資源必定越來越大， 為了防止找到區塊的過程越來越簡單，他在規定哈希值時規定了一個難度系數，讓規定的哈希值隨着系數的變化而不斷變化。

如圖 4 所示， 由於難度在分母中，隨着難度系數的增加，找到滿足條件的區塊頭哈希值的可能也就越來 越小。為此，我們需要大量計算，去不斷嘗試。

圖 4 區塊頭哈希值條件公式 

比如在 2022 年 4 月 6 日，由於難度為 28.59T，那么理論上就需要進行（28.59T）乘以 （2 的 32 次方）次哈希運算。簡單來說，挖礦的本質就是諸多電腦在一起計算一道數學題， 誰先算出了答案，就相當於挖到了區塊從而獲 得比特幣獎勵。由於每臺電腦的計算能力是不 一樣的，但是執行的都是挖礦的任務，為此， 我們可以用算力（每單位時間可以進行的哈希 運算次數）來衡量一個設備的優劣。

二、挖礦設備 

挖礦設備主要可以分為三類：CPU 設備、 GPU 設備以及 ASIC 設備。這三者之間是一個 不斷迭代，不斷發展的過程。簡而言之，這三者間趨向於設備專業化、挖礦效率越來越高。經常有人無法理解這三者的關系，我們可以做 個類比：假設現在要去解決一道需要大量運算、 非常復雜的數學題，那么 CPU 就是一位沒有太 多知識儲備的小學生，計算能力很慢、每一步 都需要思考很長時間。GPU 則是一位學習過高 等數學的大學生，具有一定數學基礎，運算能力比小學生要快得多。而 ASIC 則可以比做一 位數學系的老教授，閱題無數，計算能力最強， 解題效率最高。

表2給出了 2018 年 1 月挖掘 萊特幣時的情況，從每 Watt 哈希的值來看， GPU 設備時 CPU 設備的 1800 倍；ASIC 設備 是 GPU 設備的 188 倍，CPU 設備的 34 萬倍。從下面將對這三種設備進行詳細介紹。

表 2 2018 年 1 月三種設備數據對比 （來源：UEFI 和 BIOS 探祕）

2.1 CPU 設備

CPU（Central Processing Unit）即中央處理器，是計算機的核心設備，負責信息處理和執 行操作。在比特幣剛剛誕生的時候，大家都使 用普通計算機設備（CPU）來挖礦。很少有人 去專門使用一臺計算機來挖礦，因為在挖礦過 程中只會使用到部分計算資源，計算機中其他資源（如硬盤、存儲等）幾乎都處於闲置狀態， 非常不劃算。但是隨着礦工數量的不斷增多， 以及挖礦難度系數的不斷增加，使用通用計算 機上的 CPU 挖礦效率越來越低。目前使用 CPU 已經很難挖出比特幣了。

2.2 GPU 設備 

GPU（Graphics Processing Unit）即圖形處理器，最初往往用在顯卡中加速圖像的渲染， 其出色的計算性能吸引了幣圈的注意。隨着加密數字貨幣的火爆，顯卡也被拿來挖礦，這也 是導致前一陣顯卡缺貨、價格暴漲的原因。目 前，GPU 市場主要被 AMD 公司（A 卡）和英偉達（N 卡）壟斷。

2.3 ASIC 設備 

ASIC （ Application Specific Integrated Circuit）即專用集成電路，是指應特定用戶要 求和特定電子系統的需要而設計、制造的集成 電路。我們經常聽到的 ASIC 礦機指的是裏面 所用的芯片是 ASIC 專用芯片。

由於 ASIC 芯片可以針對某一算法來定制 化設計，所以在加密數字貨幣領域中，如果用 戶要挖 BTC，便可以設計針對於 SHA-256 算法的專用 ASIC 芯片來提升運算效率。

圖 5 給出了一個較為簡單的示例，假如我們現在要在 CPU 和 ASIC 設備上實現 F=A+B*C 的運算， 那么 CPU 設備會通過“先算乘法，再算加法”兩 步的方式計算。而專門开發的 ASIC 芯片，可 以單獨設計一個乘加操作，一步內同時完成加法和乘法。

圖 5 CPU 和 ASIC 設備計算流程

在 ASIC 芯片設計完成之後，還需要經過 集成電路中的驗證、綜合、測試以及布局布线 等步驟，才能送到代工廠進行流片，而且流片之後還要對芯片進行進一步的封裝和整體測 試，在上述工藝全部完成後芯片才會回到定制 者的手中。此時，拿到 ASIC 芯片的礦機廠商 還需要對各種組件進行組裝以形成最後的 ASIC 礦機。由於 ASIC 芯片從最初的設計到最後的實物的交接會涉及到繁多的流程，所以 ASIC 礦機的研發周期一般在一年左右甚至更 長時間。由於 ASIC 芯片的礦機可以進行更高 效的運算，大大提升相同時間內的運算次數， 所以目前 ASIC 礦機是效率最高的挖礦方案。

表 3 對比了三種挖礦設備以及相應的特點。對於 CPU 設備，由於其具備通用化的特點，在 挖礦這一特定需求下效率較低。ASIC 設備由於其只能針對某一特定應用來开發，所以在提 升了效率方面很大程度上犧牲了靈活性。GPU 設備則介於兩者之間。

表 3 三種挖礦設備總結

3.1 礦機的主要結構 三、礦機結構、指標及產品

我們知道，ASIC 礦機中最主要的在於 ASIC 芯片，但是除了 ASIC 芯片外，還有其他 重要組成部分。下面將對礦機的主要結構進行分析。

（1）芯片：即 ASIC 芯片，是整個 ASIC 礦機中核心的設備。

（2）主板：便於將芯片及各種配件集成在 一起，如圖 6 所示。

圖 6 主板示意圖 

（3）網口：用來進行網絡上的信息交換 

（4）風扇：用來散熱，礦機在運行時會產生大量的熱。

（5）電源：為整臺礦機供電。

圖 7 是 D3 型號螞蟻礦機，由於主板集成 在了礦機內部我們無法直接觀察到，但是在礦 機的外觀上，我們可以觀察到網口、开源开關以及風扇等結構。目前，一些最新的礦機內還 添加了水冷裝置，以降低設備運轉時溫度過高的問題。

圖 7 螞蟻礦機 D3

3.2 礦機指標 

（1）算力——每秒可以計算哈希運算的 次數，最基本的單位是哈希每秒（H/s）。此外 還有 KH/s（103H/s）、MH/s（106H/s）、GH/s （109H/s）、TH/s （1012H/s）等單位。目前，GPU 設備的算力一般在 MH/s 量級， 礦機設備的算力一般在 TH/s 量級。

（2）成本——每臺礦機購买成本

（3）電費——礦機的耗電情況 

（4）維護——需要定期清理灰塵及對風 扇上油等等 

（5）噪聲——雖然礦機設備較小，但是運 行時往往會產生較大的噪聲

其中，出於獲得利潤的角度考慮，大多數礦工主要關注前三項指標。

3.3 礦機產品 

目前，主流的礦機由有螞蟻礦機、神馬礦機、阿瓦隆礦機等。這裏我們以比特大陸公司 生產的螞蟻礦機為例進行介紹。比特大陸是世界上最大的礦機生產商之一，是一家 2013 年 成立的年輕公司，在 2017 年的營業利潤為 30 億美元至 40 億美元，而同期英偉達的營業利 潤為30 億美元。在炒幣最火熱時，公司上繳稅 額為北京市海澱區之首，其盈利可見一斑。

表 4 給出了 2022 年 4 月比特大陸公司所 售賣的三種礦機的相關指標可以看到，隨着礦 機型號的逐漸升級，礦機的能效越來越高，每單位算力所耗費電量越來越低。但是，由於幣 價的不斷波動，導致了礦機的價格並不穩定。在當前情況下，三種礦機單位算力價格平均在 80 美元/TH 左右。

表 4 2022 年 4 月三種礦機指標 

為了進一步說明幣價對礦機價格的影響。表 5 給出了在兩個不同時間點（2020 年 3 月與 2022年4月），螞蟻礦機S19和螞蟻礦機S19Pro 的相關指標。可以看到這兩個時間點上幣價劇 烈浮動，由最初的 7000 進行漲至如今的 43000 美元，可見越來越多的用戶參與到 BTC 的交易 之中。並且在三種關鍵的指標中，礦機的價格 隨着幣價也產生了劇烈的變化，螞蟻礦機 S19 的售賣價格由最初的 2206 美元升高到了現在 的 7030 美元，翻了 3 倍。而螞蟻 S19 Pro 的售 賣價格最初的 2957 美元升高到了現在的 9460 美元，也足足翻了三倍。這就導致了單位算力的價格變為了原來的三倍。

表 5 不同時間兩種礦機指標 

圖 8 給出了支持 SHA-256 的 ASIC 礦機收 益前十名排行。可以看到，目前市面上最好的 礦機仍然是螞蟻礦機 S19 Pro+Hyd，其算力一騎絕塵高達 198TH/s。並且在收益前十名中， 比特大陸公司的螞蟻礦機佔據了 7 席，神馬礦 機佔據 2 席，GMO 公司的菠蘿礦機佔據 1 席。

圖 8 ASIC 礦機收益對比 

比特幣價格的瘋漲、其他數字加密貨幣價格也處在其歷史高點，越來越多的參與者試圖 加入挖礦分一杯羹，致使挖礦設備效率最高的礦機供不應求。究根結底，礦工們都想去獲得 更高的計算能力，以謀取更高的收益。目前， 因為銷量實在過於火爆，比特大陸官網上的多款礦機都採取了“預售”的模式。這些礦機設 備一旦开售則立即售罄，無數的礦工為礦機而 瘋狂。2021 年 6 月，嘉楠科技董事長張楠賡曾表示，該公司的礦機預售訂單已經排到了一年 之後，可見礦機設備在各類全球加密資產中的重要地位。然而，在礦機顯著的計算能力背後， 也存在着諸多的問題。

比如，①礦機的價格易受幣價影響：ASIC 礦機的研發周期較長，然而 幣價的大幅波動可能會給礦機公司帶來巨大 的風險。

②算法技術的不斷迭代：由於挖礦競 爭越來越激烈，有可能當前設計的 ASIC 芯片 用了不久就過時了，其他公司推出了效率更高 的 ASIC 礦機。③交貨的不透明：买 ASIC 礦 機經常需要提前交錢預定（幾乎都是期貨制）， 並且需要等很久後才會發貨，然而實際上也有 廠商在生產出成品後先自行挖礦。

四、 礦機產業鏈 

自 2013 年 1 月世界上第一臺 ASIC 礦機 ——Avalon 面世後，全球各地的諸多廠商都紛 紛加入礦機的研發中。時至今日，礦機設備已形成一條較為完成的生態鏈系統，如圖 9 所示。

圖 9 ASIC 礦機產業鏈 

（1）芯片、礦機制造業 

礦機的上遊是芯片設計、礦機組裝等產業， 因為礦機整體上會涉及到 ASIC 芯片的設計與 制造、封裝等工藝，並且在 ASIC 芯片流片完 揭开“挖礦”的面紗：ASIC 礦機詳解 畢後還要與礦機進行組裝操作。目前，市場上 份額最大的是比特大陸公司的礦機，除此以外， 嘉楠耘智（阿瓦隆礦機）、億邦國際（翼比特礦 機）、比特微（神馬礦機）等公司也佔有一定的市場份額。

（2）礦池及礦場 

雖然 ASIC 礦機的算力相比於 CPU、GPU 設備已經得到了大大提升，但是由於單個礦工 挖礦的收益並不穩定，挖礦趨勢也在由個人模 式向礦池模式逐漸轉變，如今挖礦也主要以礦 池方式為主，世界前十大比特幣礦池如圖 10 所 示。然而，在礦池模式下如何公平的進行獎勵的分配仍然值得我們深入討論（如 PPS、PPLNS、 PPS+等機制），由於這部分內容我已經在上一 次的閱讀報告中詳細的探討，故不在此贅述。此外，為了提升挖礦效率，某些礦商手中會囤積數以千、萬臺計的礦機，由於礦機耗電、噪音情況無法放置在日常環境下，因此還出現了 一些專門負責搭建礦場的公司。

圖 10 前十大 BTC 礦池

（3）礦工 

礦工作為礦機的使用者，處於產業鏈的底層。單個礦工需要自行購买礦機並搭建礦場。

總結 

在本文中，作者基於自身所學專業知識對 加密數字資產的終端——挖礦設備進行了多維度的介紹。首先回顧了比特幣挖礦以及相關 加密算法的概念，其次按照設備的發展過程介紹了三種經典的挖礦設備。同時還結合了現有 礦機設備產品，對礦機設備中的內部結構、關鍵指標進行了分析。最後對現有的礦機設備產業鏈進行了梳理。

隨着各類加密數字貨幣價格的不斷走高， 各類挖礦設備也水漲船高，顯卡設備價格翻倍， 礦機設備一機難求，使得這些挖礦設備成為了幣圈內最熱話題之一。然而，加密數字貨幣在 為我們帶來去中心化和高安全性的同時，尋找 它的過程造成了一定的能源浪費並且帶來了 一些問題，如何以一種更優的方式挖礦以及如 何避免礦機帶來的相關問題，仍然值得我們繼續探索。

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