Warum POW (proof of work) effizient ist

Die meisten Leute denken, dass Bitcoin's PoW (proof of work) Mechanismus „verschwenderisch“ sei. Der Proof-of-Work Mechanismus ist eine Form der sogenannten Konsens-Mechanismen, um im Netzwerk einen Konsens zu erzielen und sich gemeinsam auf eine identische Version der Blockchain zu einigen. Diese Rechenoperationen sind sehr rechenintesiv und verbrauchen daher viel Energie.

In diesem Artikel, von Dan Held aus dem englischen, wird mit Vorurteilen aufgeräumt und gezeigt warum der Proof of Work Mechanismus dennoch sehr effektiv ist.

Arbeit ist Energie

Die Idee, dass „Arbeit“ Energie ist, stammt von dem französischen Mathematiker Gaspard-Gustave de Coriolis. Vor langer Zeit war die Arbeit in der Wirtschaft rein menschlich. Diese Arbeit wurde von Essen angetrieben.

Vor ungefähr einer Million Jahren entdeckten die Menschen das Feuer. Infolgedessen erhöhte sich die uns zur Verfügung stehende Energie, da wir jetzt nicht nur von dem was wir aßen, sondern auch durch Feuer warm gehalten wurden. Der zusätzliche Energieverbrauch hat also unseren Lebensstandard verbessert.

Vor einigen tausend Jahren stieg unser Energieverbrauch noch weiter an, als wir Tiere domestizierten. Tiere konnten an unserer Stelle arbeiten. Diese neuen "Arbeiter" mussten auch gefüttert werden. Um den Energiebedarf zu decken, waren große Mengen an Nahrungsmitteln erforderlich, und gleichzeitig stieg unser Wohlstand.

In den letzten hundert Jahren haben wir großartige Maschinen gebaut. Diese Maschinen produzierten weitere Arbeitskraft, zuerst aus Quellen wie Wasser und Wind, und dann aus den billigeren Quellen wie Kohle und Gas und jetzt aus nuklearen Quellen (Spaltung / Fusion). Sowohl Maschinen als auch Natur produzieren Arbeitskraft durch die Nutzung von Energie. Wir haben eine Wirtschaft, die nicht auf Geld, sondern auf Arbeit und Energie basiert.

Alle Dinge in unserem Leben sind eng mit dem Energiepreis verbunden. Die Aufbereitung von Wasser erfordert Energie. Der Transport von Produkten erfordert Energie. Die Herstellung von Produkten erfordert Energie. Kochen benötigt Energie. Kühl- und Gefriergeräte benötigen Energie. In einem freien Markt spiegeln die Kosten eines Gutes weitgehend die Energie wider, die zur Herstellung dieses Gutes verwendet wird. Da die freien Märkte die Waren mit den niedrigsten Preisen fördern, wird der Energieverbrauch für die Herstellung von Waren auf ein Minimum reduziert. Geld, das die für die Erzeugung von Gütern und Dienstleistungen erforderliche Arbeit darstellt, kann auch als gespeicherte Energie angesehen werden.

World GDP in 2010 $ compared (from USDA) compared to World Consumption of Energy (from BP Statistical Review of World Energy 2014).

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts waren Branchenführer wie Henry Ford und Thomas Edison daran interessiert, Gold oder den Dollar durch „Energiedollar“ oder „Energieeinheiten“ (Waren- / Energiewährung) zu ersetzen. Das Konzept war beliebt aufgrund seiner soliden Kostenmerkmale, einschließlich: einer genau definierten Rechnungseinheit, einfacher Messung / nicht leicht zu fälschende Daten, Teilbarkeit in kleinere Einheiten und Fungibilität (Einheiten wären mit jeder anderen Einheit gleichwertig). Das "Energiegeld" hatte jedoch einen Haken - es konnte nicht einfach übertragen oder gespeichert werden.

“that in order to make a man/woman covet a thing, it is only necessary to make the thing difficult to attain.” — Mark Twain

Satoshi´s Whitepaper

Am 31. Oktober 2008 veröffentlichte Satoshi das Bitcoin-Whitepaper. Bitcoin's Proof of Work (PoW) wurde ursprünglich als Maßnahme gegen E-Mail-Spam entwickelt. Erst später passte Satoshi es an, um es mit digitalem Bargeld zu verwenden. Was PoW "Mining" eigentlich macht, ist die Verwendung dedizierter Computer (ASICs), um Elektrizität in Bitcoins umzuwandeln (über eine Blockbelohnung). Die Computer führen wiederholt Hash-Operationen durch, bis sie ein kryptografisches Rätsel gelöst haben und dafür Bitcoins (Blockbelohnungen) erhalten. Die Lösung des Rätsels beweist, dass der "Miner" Energie in Form von ASICs und Elektrizität verbraucht hat.

(Bild Bitcoin Asic Miner)

Als Satoshi PoW entwarf, veränderte er grundlegend, wie sich durch Energieumwandlung ein Konsens zwischen Menschen von politischen Stimmen zu unpolitischen Stimmen (Hashes) bildet. PoW ist eine Bestätigung dass Energie verbraucht wurde. Warum ist das so wichtig? Dies ist die einfachste und gerechteste Möglichkeit für die physische Welt, etwas in der digitalen Welt zu bestätigen. Bei PoW geht es um Physik, nicht um Code. Bitcoin ist eine Superware, erzeugt aus Energie, der Grundware des Universums. PoW wandelt Strom in digitales Gold um.

Die Bitcoin-Blockchain kann nur dann unveränderlich sein, wenn ihre Herstellung kostspielig ist. Die Tatsache, dass Proof of Work (PoW) „kostspielig“ ist, ist ein Feature, kein Bug. Bis vor kurzem bedeutete das Sichern von Werten den Bau einer dicken physischen Mauer. Die neue Welt der Kryptowährung ist nicht intuitiv und seltsam - es gibt keine physischen Mauern, um unser Geld zu schützen, keine Türen, um auf unsere Tresore zuzugreifen. Das öffentliche Hauptbuch (Ledger) von Bitcoin ist durch seine kollektive Hashing-Power abgesichert: die Summe aller für den Bau der Mauer aufgewendeten Energie. Und durch sein transparentes, kostspieliges Design würde es eine äquivalente Menge an Energie erfordern, um es abzubauen (unforgeable costliness).

Der Energieverbrauch

Die Kryptopokalypse kommt - Bitcoin (PoW) ist so schlimm, dass es die Welt 2020 zerstören wird! Sie haben vielleicht bemerkt, dass die meisten "Doomsday" -Artikel auf den Ergebnissen einer Analyse von Alex De Vries basieren, einem "Finanzökonomen und Blockchain-Spezialisten", der für PWC Niederlande arbeitet und Autor der Seite Digiconomist ist. Seine Einschätzung hat aufgrund der schlechten Energieverbrauchsberechnung bereits einige Kritik erhalten. Der von ihm gewählte KPI war jedoch absichtlich irreführend aus mehreren Gründen:

• Der Energieaufwand besteht pro Block der eine unterschiedliche Anzahl von Transaktionen aufweisen kann. Mehr Transaktionen bedeuten nicht mehr Energie
• Die wirtschaftliche Dichte einer Bitcoin-Transaktion nimmt ständig zu (Batching, Segwit, Lightning usw.). Da Bitcoin immer mehr zu einem Settlement Netzwerk wird, gewinnt jede Energieeinheit exponentiell an wirtschaftlichem Wert.
• Die durchschnittlichen Kosten pro Transaktion sind keine angemessene Messgröße für die Effizienz von Bitcoin's PoW. Sie sollte im Hinblick auf die Sicherheit definiert werden. Der Energieaufwand sichert den Bitcoin-Bestand und dieser Prozentsatz sinkt mit der Zeit, wenn die Inflation sinkt. Ein Bitcoin „akkumuliert“ die Energie aller Blöcke, die seit seiner Entstehung abgebaut wurden. Der Forscher LaurentMT hat empirisch herausgefunden, dass der PoW von Bitcoin im Laufe der Zeit tatsächlich effizienter wird: Steigende Kosten werden durch den noch größer werdenden Gesamtwert, den das System sichert, ausgeglichen.

Nachdem wir den richtigen KPI für den ROI des Energieverbrauchs kennen, werfen wir einen Blick auf die Entwicklung der Energiekosten für Bitcoin's PoW.

Die Rate der ASIC-Effizienzverbesserung verlangsamt sich. Da die Effizienz langsam steigt, können wir mit einer Zunahme des Herstellerwettbewerbs rechnen, da sich die Margen verringern.

Alle Mining-Kosten werden von den Kosten für die Verfügbarkeit von ASIC-Hardware (Capex) zu den laufenden Energiekosten für den Betrieb (Opex) verschoben.

Da der physische Standort von Mining-Zentren für das Bitcoin-Netzwerk nicht wichtig ist, strömen die Miner in die Gebiete, in denen Stromüberschüsse zu den niedrigsten Grenzkosten erzeugt werden. Langfristig hat dies das Potenzial, effizientere weltweite Energiemärkte mit Bitcoin-Minern zu erschaffen die eine Arbitrage von Elektrizität zwischen globalen Zentren durchführen.

Die Kosten für das Bitcoin-Mining werden zum niedrigsten Stromwert. Dies kann ein Problem mit erneuerbaren Energiequellen lösen, deren Überkapazität vorhersehbar ist und ansonsten verschwendet wird, wie z. B. Wasser und Methan. In Zukunft könnte das Bitcoin-Mining bei erneuerbaren Energiequellen mit variabler Leistung helfen. Energieerzeuger können Miner anschließen und den überschüssigen Strom als Bitcoin speichern.

Aluminium war ein beliebtes Mittel, um Strom aus einem Land mit reichlich vorhandenen erneuerbaren Energiequellen zu „exportieren“ (z. B. Island). Das Schmelzen von Bauxit (auch bekannt als Aluminiumerz) hat einen enormen Energiebedarf, und die Umwandlung in Aluminium ist eine Einwegfunktion (genau wie ein Hash). Die gleichen Bedenken hinsichtlich des „unfairen“ Energieverbrauchs bestanden vor fast 40 Jahren - 1979 (einschließlich Bedenken hinsichtlich der Zentralisierung). Alle diese Unternehmen haben den Planeten ständig nach billiger Energie und anderen Konzessionen abgesucht. Als die Aluminiumherstellung über die Jahrzehnte gereift war, wurden die kWh pro kg produziertem Aluminium effizienter.

Dieses globale Energienetz setzt Vermögenswerte frei und macht neue rentabel. Stellen Sie sich eine topografische 3D-Karte der Welt vor, bei der billige Energie-Hotspots niedriger und teure Energie höher sind. Ich stelle mir vor, dass das Bitcoin-Mining einem Glas Wasser gleicht, das über die Oberfläche fließt, sich in den Ecken und Winkeln festsetzt und ihn glättet. - Nic Carter

Wann wird die Energiebedarf für PoW aufhören zu wachsen ? Genau dann, wenn genügend Energieerzeuger mit Mining begonnen haben, und der Ertrag einer kWh für POW gleich ist mit dem Ertrag einer kWh auf dem Energiemarkt, also wenn die „Prämie“ für Stromerzeugung auf null gesenkt wird. Ich nenne dieses Gleichgewicht den „Nakamoto-Punkt“. Ich vermute, dass PoW zwischen 1 bis 10% der weltweiten Energie verbraucht, wenn dieses Gleichgewicht erreicht ist. - Dhruv Bansal

Einige beklagen, dass Bitcoin-Mining nichts Nützliches leistet, wie das Finden von Primzahlen. Die Einführung einer sekundären Belohnung für die Ausführung des POW mag zwar als tugendhafte Idee erscheinen, birgt jedoch tatsächlich ein Sicherheitsrisiko. Das Aufteilen der Belohnung kann zu einer Situation führen, in der „es sich mehr lohnt, die sekundäre Funktion als die primäre Funktion auszuführen.“ Auch wenn die sekundäre Funktion harmlos wär (z.B. eine Heizung), statt der erwarteten $ 100 pro x Hashes, hätten wir 100 $ + 5 $ für die Wärme pro x Hashes. Die „Mining Heizung“ ist nur eine weitere Steigerung der Hardware-Effizienz, was zu einem höheren Schwierigkeitsgrad und einer Erhöhung des Energieverbrauchs pro Block führt. Zum Glück wird Bitcoin dieses Problem nie haben, da seine Sicherheit durch die Reinheit seines Proof-of-work Algorithmus garantiert wird.

Relative Kosten

Alles braucht Energie (erster Hauptsatz der Thermodynamik). Die Behauptung, ein Energieverbrauch sei mehr oder weniger verschwenderisch als ein anderer, ist völlig subjektiv, da alle Nutzer Marktgebühren für die Nutzung dieses Stroms gezahlt haben.

Wenn die Leute finden, dass es sich lohnt, Strom für Mining zu bezahlen, ist der Strom nicht verschwendet worden. Diejenigen, die diesen Strom verbrauchen, werden mit der Bitcoin-Währung belohnt. “- Saifedean Ammous

In der Thermodynamik ist das Universum das ultimative geschlossene System. Die Nutzung der überschüssigen elektrischen Kapazität durch Bitcoin verbraucht um ein Vielfaches weniger Strom als die bestehenden Fiat-Systeme, die nicht nur eine Bankinfrastruktur für den Strombedarf haben, sondern auch die militärische und politische Maschinerie. Der Energiekompromiss für die Nutzung dieses Stroms zur Sicherung des Rückgrats unseres Finanzsystems ist ein „positives Nettoergebnis“.

Typ I Zivilisation

Auf der Suche nach billigen Energiequellen werden wir eine größere wirtschaftliche Fülle in der realen Welt erschließen. Bitcoin bringt uns durch die Nutzung dieser neuen oder unterschiedlichen Energiequellen nicht nur zu einer Kardeshev-Typ-I-Wirtschaft, sondern kann uns auch einer Kardeshev-Typ-I-Energiezivilisation näher bringen (wir sind ~ 0,72 auf der Kardashev-Skala). Mit Bitcoin-Mining als Anreiz könnte sich die Zeit, die wir bis T1 bräuchten, von 200 Jahren auf weniger als ein paar Jahrzehnte verkürzen. Nachdem der Typ I-Status erreicht wurde, besteht weniger Bedarf, das Wachstum des Energieverbrauchs einzuschränken, wodurch der Lebensstandard für alle erhöht wird.

Der Druck, billige Stromquellen zu finden, wird den Bau von Fusionsreaktoren beschleunigen. Die Natur zeigt den Weg und treibt das gesamte Universum mit Kernfusion (Sternen) an. Der Mensch emuliert gerade die Natur, indem er Fusionsreaktoren baut. Es wird geschätzt, dass über Jahrzehnte hinweg etwa 80 Milliarden US-Dollar Forschung benötigt werden, um die Kernfusion nutzbar zu machen. Der Brennstoff für die Fusion (in erster Linie Deuterium) ist im Ozean der Erde reichlich vorhanden und könnte möglicherweise den Energiebedarf der Welt für Millionen von Jahren decken. Fusionskraft hat viele der Vorteile erneuerbarer Energiequellen, z. B. eine langfristige Energieversorgung ohne Treibhausgase oder Luftverschmutzung. Die Fusion könnte eine sehr hohe Stromerzeugungsdichte und eine unterbrechungsfreie Stromversorgung bieten. Ein weiterer Aspekt der Fusionsenergie besteht darin, dass die Produktionskosten überall gleich sind. Die Kosten für Wasser und Windenergie schwanken je nach Umgebungsbedingungen. Mit der Fusionsenergie steigen die Produktionskosten auch dann nicht, wenn eine große Anzahl von Stationen gebaut wird, da die Rohstoffressource (Meerwasser) reichlich vorhanden und weit verbreitet ist.

Water, water, everywhere, Nor any drop to drink.  — Samuel Taylor Coleridge

Fusionskraft und andere billigere Energiequellen werden große Probleme der Menschheit lösen, wie z. B. Süßwassermangel. Wir sind von Meerwasser umgeben, aber Entsalzungsstationen, die dem Meerwasser Salz entziehen, benötigen viel Energie. Die Kosten für die Entsalzung von Meerwasser sind derzeit höher als für Süßwasser, Grundwasser, Wasserrecycling und Wasserschutz.

Humankind’s will to explore, up the mountains, down to the sea floors, to the heart of the atom, to the very fabric of space-time; to grow, not be stifled by a limit to energy. We will reach for the stars.