一文读懂世界比特币矿业成本，了解比特币算力

编译：夕雨

挖矿是比特币网络的基础组成部分，而BTC则是资产。尽管有很高的重要性，但矿业已成为更广泛的比特币生态系统中透明度最低，了解最少的部分。BitOoda的这份报告旨在提高与比特币矿工组成有关的透明度，这最终有助于了解系统的状态和健康状况。在富达应用技术中心（FCAT），我们期待着继续对比特币挖矿领域的研究，并帮助推动生态系统的发展。我们感谢BitOoda团队所做的工作，我们希望这些工作能增进大家对比特币生态系统这一复杂而引人入胜的部分的理解。 ——富达应用技术中心Juri Bulovic

要点：

全球9.6 GW电力产生的挖矿算力中的50%可能位于中国；美国占大约14%；算力利用率大约为67%。

中位比特币算力成本为3美分/kwh，1BTC的挖矿成本大约5000美元。

在一个升级周期内，算力可能在12个月内达到260 EH / s，在24个月内达到360EH / s，但需要63亿美元资本支出；资金缺口为41亿美元。

算力每增加10EH/s，比特币价格需要上涨1000美元才能维持MWh的收入中值。

廉价电力、比特币价格和半导体配货都是影响因素

比特币挖矿是一个秘密行业，很少有公开信息。我们发现，即使是老练的加密货币投资者，在对挖矿和该领域潜在投资机会的理解上也存在差距。尽管Coinmetrics，Coinshares和剑桥替代金融中心进行了出色的研究，但仍存在未解决的问题。本文的研究已由富达应用技术中心（FCAT）委托进行，以在现有研究基础上增加研究内容，并尝试解决新问题。

第一部分：比特币算力分析：有多少，来自哪里，成本如何

在第一部分中，我们尝试测量，定位矿工的算力以及为其定价，并估计矿工的盈利能力。通过与矿工，矿机制造商和经销商的60多次对话，以及45多个公共数据源，我们努力提供尽可能完整的分析图表，显示有多少比特币挖矿算力，其位置以及矿工挖矿成本。

然后，我们进一步探讨以下问题：未来的挖矿能力如何随可用电力，采矿设备的效率以及比特币价格，资本/资金可用性以及半导体技术和产能可能受到的限制而变化。

我们估计，比特币采矿业可以使用的电力至少9.6GW。

9.6GW的估算使用了以下逻辑：5月10日，就在比特币第三次区块奖励减半之前，网络算力达到136,098 PH / s峰值，并在5月17日降至81,659PH / s谷底。我们承认，这些极端情况的一部分可能归功于运气——例如幸运的连续爆块或快速找到区块——可能人为地增加了估计的算力，而较慢的出块速度可能部分归因于运气不好。但是，我们从模型中排除了运气成分，并简化了假设，以得出比特币网络消耗多少电量的近似值。我们假设5月17日算力谷底的所有算力均来自更有利可图的新一代采矿设备，即“ S17类别”矿机，其中包括比特大陆的Antminer S17，T17，Whatsminer M20以及来自嘉楠耘智，Innosilicon的设备，亿邦国际和其他生产商。

我们还假设在5月10日至5月17日之间关闭的所有设备都是较老的一代，如利润较低的S9类别的矿机（例如Antminer S9，Whatsminer M3）。

请注意，我们使用“ S17类别”，“ S9类别”和“ S19类别”作为通用术语，以包括Bitmain设备以及具有类似规格的竞争设备。因为Bitmain的“ S9级别”（在较小的程度上是“ S17类别”设备中的主导者）有很长的市场主导历史，因此我们仅使用Bitmain型号来定义类别。在所有相关计算中，我们还假定PUE（电源使用效率）为1.12，这意味着用于直接开采比特币的每1MW都将使用120kw来运行其他所有设备，包括冷却系统，照明设备，服务器，交换机等。

图：BitOoda将矿机分类为关键矿机类别

来源：BitOoda，Bitmain， Canaan，MicroBT，Halong，GMO，AsicMinerValue.com

下图显示，如果5月17日运行的所有算力来自较新的S17类设备，则它们将消耗3.9GW的能源。此外，如果在5月10日至5月17日期间关闭的算力54EH / s来自较老的S9类矿机，则占到另外的5.7GW的电量。我们做出这些简化的假设，以帮助对行业有一个广泛的了解，知道可能的现实是，大多数但并非全部关闭的算力都是较旧的S9类别钻机，而剩下的算力的一小部分可能是非常低成本的电力市场中的S9类矿机。

挖矿设备在比特币减半后的获利能力下降是算力下降的关键驱动力，加上与将矿机从中国北方转移到中国南部以利用较低的电力成本相关的一些时间安排（有关中国水电季节影响的更多详细信息，请参阅第二部分） ）。基于这些假设，我们估计比特币挖矿社区至少可以使用9.6GW的电力。

图：最近高峰和低谷的比特币算力和能耗

资料来源：BitOoda，Blockchain.com，Kaiko，Coinmetrics

我们估计BTC矿业利用了9.6GW中的67％，并以每年约10％的速度增长，为280万台专用比特币采矿设备供电。当前大多数设备为S17类矿机，但未来的增长将主要来自下一代S19类采矿设备。从5月17日的谷底重新上涨的某些算力可能来自S9类矿机，这些矿机要么在电力成本极低的司法管辖区内运行，要么是来自此前被延迟转移（以避免在5月11日奖励减半之前的停机时间）的中国北方较高成本地区的矿机，它们现在中国每年的丰水期利用四川和云南的低成本电力。

此外，尽管供应链出现了延迟，但下一代Antminer S19和Whatsminer M30的限量出货已经开始，加上一些S17类矿机的出货量，推动了算力的恢复。

图：比特币算力，能耗和矿机安装数量—截至2020年7月1日的数据

资料来源：BitOoda，Blockchain.com，Kaiko，Coinmetrics

估计中国的采矿能力约占 50％，而美国则占另外14％

我们使用了各种公共资源，以及与矿工，矿机制造商和经销商的保密对话，以评估比特币挖矿算力位于何处以及矿工为电力支付了多少费用。我们能够在153个矿场中找到约4.1GW的电力，包括67个矿场或约3GW的电力容量，并根据匿名条件提供了电价数据。

图：调查的挖矿能力的地理分布与估计的9.6GW电力

资料来源：BitOoda估计，矿工，ASIC制造商/经销商，公共资源

我们的对话使我们相信，在美国，加拿大和冰岛，我们计算到了大多数产能，但在中国和“世界其他地区”类别中却只占很小的比例。在与矿工的讨论中，我们不仅询问他们自己的算力，还询问他们在市场上知道多少其他矿工，以及他们认为该地区有多少总算力。我们知道这些是近似值，但是我们仍然发现这是一种有用的方法，可用于估算挖矿能力的总体地理分布。

图：勘测到的算力与估计的9.6GW总能力的地理分布

资料来源：BitOoda估计，矿工，ASIC制造商/经销商，公共资源

在我们的评估中，50％的比特币采矿电力支付3美分/kWh或更低，在过去几年中持续下降。证据表明，该数字在2018年接近6美分/ kWh。随着每PH / s算力的收入随着网络算力的增加而下降，具有高电费成本的矿工要么转向低电费地区，要么关机。

图：电力成本曲线：映射电力成本与网络电力份额的关系

资料来源：BitOoda估计，矿工，ASIC制造商/经销商，公共资源

我们的成本曲线估计转化为开采1个比特币的现金成本中位数约为5000美元，置信区间上限约为6000美元。此估算为现金运营费用，不包括采矿硬件折旧或其他费用。

该曲线还显示，一小部分比特币是以高于当前比特币现货价格的现金成本开采的。我们认为，其中一些非经济开采是由购电承诺以及潜在的激励措施支配的，这些激励措施是在需求高峰期关闭产能并在交易选择有限或昂贵的司法管辖区获得比特币。

图：基于不同电力成本下的网络算力，开采1个BTC的成本—截至2020年7月1日的数据

资料来源：BitOoda估计，矿工，ASIC制造商/经销商，公共资源

我们注意到，S9类矿机需要低于2美分 / kWh才能在当前网络算力下达到收支平衡，并且随着算力的持续增长，可能还需要更低的电价才能保持生存。我们的成本模型假设一个人要运行约5MW的电力。由于S9类设备的能源效率不如新型矿机，并且每PH / s的算力需要更多的设备，因此与新设备相比，它们消耗的能源更多，并且对于相同的算力，它们需要更多的人工和间接成本。S19类矿机需要30kW功率和9台以上的设备才能生成1PH / s的算力。如果使用S9类矿机进行开采，将需要大约70台设备并超过100kW，并且相应地，要生成相同的1PH / s的算力，维护和运营的人工成本和电力开销也将相应增加。

图：在当前哈希率下，不同电价的不同矿机的每日收入和现金运营成本

资料来源：BitOoda估计，Blockchain.com，Kaiko，Coinmetrics

根据我们的矿工交谈，人工成本是基于运行规模化矿场（> 50MW）所需的维护和运营人员

总结：我们估计，用于开采比特币的可用电力容量约为9.6GW，当前利用率在60％的中间范围。这种电力的中位电价约为3美分/ kWh，开采1个BTC的现金中位数为5000美元。我们估计中国约占全球产能的50％，而美国紧随其后，约占14％。在第二部分中详细介绍了丰水期间中国很大一部分电力容量的迁移，以利用较低的电价。

第二部分：关于算力增长与中国汛期之间关系的一些令人惊讶的结论

我们发现，中国贡献了比特币采矿能耗和网络算力的50％。在这里，我们将更深入地研究中国比特币社区以及中国水电旺季对比特币价格和算力网络的影响。

那么什么是水电季节？从五月到十月，中国西南省份四川和云南面临大量降雨。这导致这些省的水坝大量涌入，导致这段时期水力发电量激增。由于生产能力超过需求，这些电力被廉价出售给比特币矿工。溢流的水坝释放了多余的水，因此出售廉价电力对于公用事业和矿工而言都是双赢的。这种更便宜的电价吸引了从附近省份的矿工迁移过来，以利用低廉的电力价格。在干燥的月份中，华北地区的矿工支付的电费约为2.5–3美分 / kWh，而在五月至十月的雨季中，四川和云南的矿工支付的电费低于1美分 / kWh。

我们反对传统观点，传统观点认为，低电价会在丰水季节推动算力的增长。我们认为，丰水期使成本曲线在一年中的6个月内下降，导致矿工积累资本以支持算力增长而降低了比特币的抛售以支付运营费用。

如下表所示，丰水期和枯水期的平均价格涨幅之间存在有意义的差异，而在这两个时期中，算力的增长率大致相同。我们认识到前两个时期可能是异常值（进一步支持了我们的论文），并且每个时期都显示出增长，并且平均值基于随后的11个交替的6个月时期的小样本量。

图：丰水期和枯水期的算力和BTC价格

注：自2014年以来；平均值不包括2013年11月至2014年10月；截至2020年7月1日的数据

资料来源：BitOoda，Blockchain.com，Kaiko，Coinmetrics

随着供应链逐渐交付所购买的挖矿设备，BTC价格上涨（支撑资本积累）与算力增长之间的相关性，更广泛地反映了资本积累，随后的设备购买，交付和部署的动态变化，这关系到4-6个月后的算力增长。

中国的丰水期可能会导致成本曲线降低，从而有助于资本积累并有助于促进未来算力的增长。资本积累的增加将减少该行业对支持算力未来增长的外部资金的需求。

图：价格变化与算力变化之间的相关性

注意：过去12个月，数据截至2020年7月1日

资料来源：BitOoda，Blockchain.com，Kaiko，Coinmetrics

我们查看过去15到360天内价格变化与去年同期算力变化的相关性。我们注意到，算力跟随价格，滞后4-6个月，并且具有很高的相关性。当供应链交付所购买的设备时，这建立了资本积累的动态，随后是设备的购买，交付和部署。

可用和未充分利用的发电能力，该行业内部发电的资本积累（受中国水电季节的影响），外部资金以及每PH / s收入的减少，都对算力的未来增长产生了影响。我们将在第三节中探讨算力的未来。

第三节：比特币算力增长率预测：多少，何时，为什么以及哪些因素会减缓（或加速）增长

我们将更深入地研究算力可以增长多少，支持这种增长的因素是什么，以及可能减轻这种预期增长的资金和资金限制。

根据我们的评估，在可用电力容量从9.6GW适度增加到10.6GW的适度增加以及矿机升级换代周期将用较新的S17和下一代S19类矿机代替旧的S9类矿机的情况下，比特币网络在未来12-14个月内的算力可以超过260EH / s 。电力容量的增长是基于采矿地点的可用电力，计划的基础设施支出以及以下观点的：由于收入压力，某些成本较高的采矿地点可能需要关闭运营。

图：比特币算力和能耗

注意：我们假设PUE为1.12，以估计积极用于开采比特币的电力份额

截至2020年7月1日的数据

资料来源：BitOoda估计，Blockchain.com，Kaiko，Coinmetrics

到2022年中期完成对S19类矿机的升级周期可能会使网络算力达到〜360EH / s。我们估计，直到2022年中后期，才可能进行下一次根本性的设备升级，尽管在此期间有望提高功率效率。

我们注意到，如果比特币价格保持不变或下跌，则每PH / s的美元收入将继续下降至边际成本点，进一步的投资和算力的增长可能会显着放缓——因此我们的算力预测可能会面临延迟，或者永远无法实现。

与三星和英特尔相比，我们观察了台积电的进展情况——尽管英特尔没有生产ASIC，但现有数据表明不同半导体供应商的工艺技术之间存在巨大差异。我们注意到，ASIC技术的下一个重大进展将是5nm技术的发展。在这个节点上，台积电（Bitmain的主要供应商）领先于三星。

但是，尽管台积电在7nm和5nm节点上都看到了批量订单，但它们的工艺几何形状看起来与英特尔的10nm节点相似。我们认为三星还具有更严格的工艺几何特征；因此，三星紧随台积电。ASIC主要是逻辑芯片，因此与Intel进行比较是有意义的。随着半导体行业的发展，我们注意到特征几何结构之间的差异越来越大，因此，即使在相同的标称工艺节点下，不同芯片制造商之间的芯片密度，特征尺寸以及最终的功耗和热性能之间也存在重要差异。

图：英特尔和台积电工艺几何的比较

资料来源：https://www.eetimes.com/intels-10nm-node-past-present-and-future/

三星最近宣布，将在3nm工艺节点上进行商业生产的计划可能会推迟到2022年，而5nm可能会成为2021年生产的主体（请参阅此新闻文章）。我们认为3nm产能的缺乏和可能的初期低产量将导致5nm工艺成为2022年之前ASIC开发和生产的主要手段。基于这些原因，我们认为，S19类矿机将在未来24个月中占据大部分出货量， 尽管渐进式的设计改进可以带来效率的提高，这可以反映在新的模型系列中。

图：一旦利用电力容量并且升级周期完成，算力（底部）的增长就会减慢

注意：我们假设PUE为1.12，以估计积极用于开采比特币的电力份额，截至2020年7月1日的数据

资料来源：BitOoda估计，Blockchain.com，Kaiko，Coinmetrics

如上图所示，即使对网络电力容量增长的相对适度假设和S19类矿机的广泛部署，也可以使我们达到网络算力360EH / s。更高的能源效率（每TH / s更少的瓦数）可能会给这些预测带来好处，但一个关键问题是每PH / s或每MWh所赚取的比特币数量减少——每天的总比特币流量大致保持恒定，仅随新增区块和交易手续费波动。因此，如果网络算力增加，则矿工在总算力中所占的份额下降，从而导致比特币流量下降。如果比特币的价格没有跟上算力的增长，那么盈利能力将下降，算力的新平衡可能会显着低于我们的预期。

下图显示了每种设备类别每MWh赚取的比特币：与S9类设备相比，S19可以每MWh赚取几乎三倍的BTC。

图：每兆瓦时产生的算力所赚取的比特币

截至2020年7月4日的数据；能耗数字包括1.12的PUE

资料来源：BitOoda估计，Blockchain.com，Kaiko，Coinmetrics

下图显示了每PH / s的BTC如何随着网络哈希率和时间而变化（并有望在未来发生变化），并计入减半和减半区块奖励。在这里，人们也可以看到以BTC计的收入下降。从与设备无关的基础上每PH / s进行查看，很明显，随着时间的推移，价格是算力持续增长的关键因素。

图：随着时间的推移，每PH / s所赚取的每日比特币数量以及网络算力。

截至2020年7月1日的数据；自2018年1月1日以来的历史数据

资料来源：BitOoda估计，Blockchain.com，Kaiko，Coinmetrics

开采的BTC的美元价值将随着时间推移而下降，从而导致盈利能力下降，除非比特币的价格上涨足以抵消这一损失。如下图所示，每天每PH / s赚取的收入取决于网络算力和比特币价格。在当前目标网络算力〜124EH / s和当前BTC价格9220美元的情况下，每PH / s的每日收入约为70美元。如果网络算力增加到260EH / s，如我们期望的那样，在2021年夏天，比特币的价格需要达到$ 19,500，才能使每PH / s的每日收入保持不变，为$ 70。以10,000美元的BTC价格计算，每PH / s的收入仅为36美元。下面的中间图表显示，以4美分 / kWh的电力成本在高效S19类矿机上每天运行1PH / s的成本约为37美元，但是以4美分 / kWh的电力运行S9级钻机则需要133美元。S9钻机需要在0.5美分 / kWh以下运行才能以10,000美元的BTC价格收支平衡。

图：在不同的未来价格和不同的未来价格下，每个矿机类别的每日收入和现金运营成本。

注意：我们假设PUE为1.12，估计用于开采比特币的电力份额

资料来源：BitOoda估计，Blockchain.com，Kaiko，Coinmetrics

实现潜在算力所需的大量资本支出是一个限制因素——特别是，如果BTC价格没有上涨以跟上算力的步伐，它将至少抑制该行业的内部现金流，进一步增加对外部资本的依赖。此外，由于拟议项目面临不确定性和投资回报预期下降，这可能会导致成本较高的矿工退出运营并限制外部资本流动，从而对我们的算力预测构成不利影响。

如果价格保持不变怎么办？算力在什么时候不再增长？如果电价为1美分/ kWh，则S9类矿机可以保持高达180EH / s的网络算力运行。在3美分 / kWh的速度下，S19类设备可以维持高达295EH / s的运行速度。超过这一点，S19类矿机将需要更高的BTC价格或更低的电价来保持运行。但是，这些设备将无法在远低于295EH / s的算力上收回其资本成本。显然，价格升值已纳入每个矿工的资本预算。

图：每PH / s的每日收入和现金运营成本与网络算力的关系

注意：我们假设PUE为1.12，估计积极用于开采比特币的电力份额

资料来源：BitOoda估计，Blockchain.com，Kaiko，Coinmetrics

算力在未来12个月内达到260EH / s所需的资本支出总额为45亿美元，要在2022年中达到360 EH / s需要额外20亿美元。

图：比特币算力和能耗

注意：我们假设PUE为1.12，估计积极用于开采比特币的电力份额

资料来源：BitOoda估计，Blockchain.com，Kaiko，Coinmetrics

如果比特币价格在两年内以每年40％以上的速度稳定升值至1.9万美元左右，那么即使以5美分/ kWh的电力成本，S19类矿机也将仍然可行，但整个行业的资本支出需求和网络内部产生的现金流总资金缺口将达到约41亿美元。。

图：比特币网络的资本支出和内部现金流

截至2020年7月1日的数据；Y轴上的对数

资料来源：BitOoda估计，Blockchain.com，Kaiko，Coinmetrics

我们已经担心，我们的算力增长模型需要大量交付新矿机，并且已经收到有关我们的预测是否可行的疑问。每周大约需要运送60,000台设备来增加采矿设备的安装基础，这样才能跟我们的算力预测保持一致。相比之下，根据公司备案，Bitmain在2018年上半年每周可交付超过95,000台S9矿机。尽管不确定S19矿机内部芯片/芯片尺寸的数量，但我们有信心半导体/组装能力不会成为限制因素。

总之，我们认为比特币网络算力在12个月内可以达到260EH / s，在24个月内可以达到360 EH / s。但是，根据我们的模型，这在某种程度上取决于比特币的价格升值或预计将以每年25–35％的速度升值。我们不对比特币的未来价格进行建模或预测，而仅反映潜在价格情景对算力增长，电力消耗以及采矿业资本投资和盈利能力的影响。此范围的差异可能会延迟或加速算力的增长。比特币的价格和弥补资金缺口的外部资金的可用性，是该行业将比特币采矿能力提高到360 EH / s的能力的潜在限制，但生产或组装所需半导体芯片的能力却没有。

投资者在评估挖矿项目时需要考虑这些预测，并需要了解比特币的价格。在BitOoda，我们坚决支持套期保值，并建议投资者采取积极的套期保值策略以降低运营风险——正如我们要说的那样，矿工知道他们将在6、12和24个月内支出的费用，但他们不知道他们将获得多少比特币，或者比特币将价值多少。对冲策略可帮助降低运营风险并稳定现金流。请通过info@bitooda.io与我们联系，以获取有关本文提供的方法，资源和更多详细信息的完整报告，或讨论我们可以与您合作的风险管理策略和交易机会。