浅谈为什么比特币的工作量证明POW最高效最节能

今天跟大家分享关于比特币挖矿相关的见解和看法。提起比特币挖矿，很多人就会想到比特币是一个非常高能耗的系统，每天消耗大量的算力用在无用的哈希计算上，他们认为电力不应该用在比特币这种没用的运算；还有一些竞争币团队希望能够使用 POS 之类的替代性技术来消除比特币挖矿所造成的能量浪费。

在所有的共识方案中，为什么比特币的工作量证明是最有效且最节能的共识达成方式呢？下面给大家分享。

工作量证明 POW 的来源  

为什么需要挖矿？因为比特币是一个点对点的分布式网络。在这样的网络里大家应该听谁的？应该怎样达成一致的共性？这是非常困难的问题。为此，比特币的发明者（中本聪）创造了一种让整个网络达成统一共识的方案，该方案被称为工作量证明。

这里简单科普一下，要在整个系统中达成共识，就必须选举出一个人或一个节点来发号施令，且这个人或节点必须向系统证明其付出了很大的劳动。为了保证全网的安全稳定，你想发号施令就必须付出对应的劳动，即消耗相对应的能量，大家才认可你。因此整个系统只需要保证同时只有一个人可以发号施令，然后大家都跟随其去行动，这样就可以保证全网的稳定。

工作量证明 POW 的重要性  

为什么比特币系统只有选择工作量证明才会稳定？我们可以通过一个物理学规律——「熵增定律」来发现一些端倪。什么是「熵增定律」？简单定义就是一个封闭的系统，在没有外力做功的情况下，内部总是会朝着混乱和无序的方向发展下去。这里有两个重点，一个是封闭系统，一个是没有外力做功，如果这两个条件都不满足，那么它就不满足「熵增定律」。

根据熵增定律，我们可以把事物分成两类，一类是低熵的事物，一类是高熵的事物。低熵可以简单理解为具备一定的确定性，结构具备一定的稳定性，按常识来理解即干净、整洁、有序等。而高熵反之就是具备不确定性、混乱性、找不到规律可循等等。熵增定律有一定的数学本质，即低熵系统是小概率事件，高熵系统是大概率事件，因此随着事物自然发展，系统会自发从低熵走向高熵。

这里以日常生活例子来说明什么是熵增。以屋子为例，一开始收拾得很整洁，往后如果不持续性收拾，屋子就会「自发」变得杂乱、无规律可循，这个就是典型的熵增案例。如果不对屋子这个系统进行做功，即不收拾屋子，那屋子就会「自发」向混乱去演变。换之而言，比特币系统作为一个支付系统，安全稳定是需要优先保证的，如果不对它持续做功，就会自发向着混乱和无序去演进。如比特币系统出现双花、错误的记账、盗币等都是高熵的状态。比特币的挖矿就是从外部输入能量，让其达到维持低熵稳定的状态。如果不对这个系统持续输入能量，那么其最后会演变成一个混乱的系统。

再如银行同样作为一个需要保持低熵状态的支付系统，是如何保证低熵的安全和有序的状态？银行所消耗的能量远大于比特币挖矿机制所消耗的能量。为什么一个安全稳定的支付系统需要消耗如此大的能量，具体在哪些方面呢？

首先银行把总部装修得金碧辉煌，是为了把大量金钱投在建筑物的沉没成本中，向你证明银行很有钱，你可以相信并把钱存进银行。第二是在金钱的流转和运输上。银行运输现金需要配备大量警备人员、武装运钞车、各种各样的安保措施来保证金钱的安全。这比普通的物流系统消耗更大的能量，但也正是这样的消耗，才保证了金钱在运输上的安全。第三是纸钞的制造和防伪。纸钞具有很高的科技含量，需要很多复杂的工序来保证纸钞很难被伪造。在「防伪」上投入的大量科研经费，研发人员，以及大量制造所使用的设备，都是银行系统在保证安全稳定所需投入的努力，即需要在里面注入的能量。第四银行内部为了防止出现偷钱或内部人员作弊，以及内部人员贪腐之类的各种「高熵」的状态，需要经常进行内部审计。这就需要专门的审计、监察人员对银行的工作人员进行检查，对他们的账户进行审计。审计这些账目本身需要大量能量。而账目要求纸质材料保存多年，这也是能量的一种形式。银行和法币最终是由国家和军队以及机关做背书，是一个具有法定约束力的货币系统，这个「法定约束力」、军队、国家的公检法系统等给银行系统做背书的系统，也需要大量的能量去消耗。最后是银行的系统。

作为一个非常中心化的系统，银行要保证数据是安全的，保证数据库不被入侵。在这个系统里要设立大量的监控、警报，要配备大量的安全人员、安全专家来对代码进行审计，以及 24 小时的监控的去保证银行的内部数据库和内部的转账系统是安全稳定的。

综合来看，银行在这些方面要投入大量的精力和努力，才能保证整个支付系统的低熵和稳定的状态。如果以上能量消耗的地方缺少了一环，或者进行不足够的能量投入，银行的安全性就会大大下降，可能会出现「抢银行」或者「假钞」等各种混乱高熵的状态。

工作量证明 POW 的高效性和节能性  

通过银行的例子再看比特币，比特币唯一消耗能量的地方就是挖矿的过程，与银行系统很大不同就是比特币将「电能」直接消耗掉，来换系统低熵的状态，没有各种各样的中间环节、边界条件等等中间的消耗，从而大大提高能量的利用效率，因为能量仅仅是为了保证这个系统的稳定性。随着系统参与的人越来越多，复杂性会愈发增加。想要维持复杂系统的稳定性，对应的能量就要慢慢增加，这也是为什么算力一直在增长的原因。随着采用比特币的人越来越多，比特币的生态越来越开放、复杂，对应而言为了保证这个系统的稳定，能量消耗（即算力的消耗）也会越来越多。

比特币的机制也导致它的信任成本非常低，我们不需要像信任银行的金碧辉煌的大厅一样，我们只需要信任比特币背后的数字逻辑。比特币在消耗能量的时候，更多是在消耗一些废水废电。比如在四川的山区、蒙古用不掉的火电站、新疆等这些产能过剩的地方去消耗电能。这也是对国家电力的一种更高效的使用，从某种角度来看是「再利用」了这些资源，让这些资源能够投入到一个全球人人可交换的网络里面。因此比特币系统要比银行的系统更为节能。

除了从能量的角度来看，比特币还有一个特别重要的特性来保证「低熵」，这就是它的开放性。上面熵增定律提到了「封闭系统」在没有外力做功的情况下会自发地走向混乱，如果「封闭系统」这个条件不能满足，它就不满足熵增定律。比特币是一个开放的系统，你去从事比特币挖矿是不需要任何人的同意，也不需要任何人给你许可，每个人都可以参与进来，也可以离开和放弃这个系统。比特币同时具备从内部进行淘汰，以及从外部吸引新的资源这两种特性，所以它是一个开放的系统。开放的系统保持稳定性的过程比一个封闭的系统要容易得多。

为什么 POW 比 POS 类更高效？  

很多竞争币团队尝试「砍掉」比特币的挖矿过程来保证支付系统的稳定性，这就是大家常说的「权益证明（POS）」和「代理权益证明（DPOS）」，很多公链系统都声称要采用这种权益证明方式，来避免比特币浪费能量的过程。根据我们对基本规律的分析，基本规律是普适的，它并不只是对比特币这个系统生效，它对任何的系统都是生效的。如果你砍掉比特币把电能直接转换为低熵状态的过程，那么你总得有其他的途径给它做功，让它产生一个低熵的状态。以下分析一下 POS 这类币种是如何保证低熵和稳定？和比特币的工作量证明或者挖矿相比，POS 有什么劣势？POS 为什么没有比特币挖矿更加高效？

权益证明简单来说就是一币一票，就如公司股权的关系，持股比例越高，你在公司的话语权就越大；相同的在 POS 系统中你的持币量越大，那么你在系统里的作用就越大，或者说你的垄断地位越高。POS 有一个理论背景，就是持币量最高的人天生会保护这个系统，如果这个系统出现了任何的错误或者异常，实际上对持币量高的人的损失最大。那么，在这样一个系统里面如何保证系统的安全稳定，是否需要消耗能量（当然需要），它需要消耗能量的地方在哪？

作为一个投票系统，个人需要去拉票，比如像在 EOS 里选举 21 个超级节点，需要去各地游说拉票和宣传，这就需要消耗大量的能量，同时用户投票也会消耗能量。很多用户甚至不知道怎么去操作投票，哪怕是持有 EOS 的用户，都很难参与到这个投票的过程中，所以最后变成寡头之间互相代投，以及交易所垄断大量的币，占据大量的选票等等。还有类似于「贿选」、「「委员会」决策，这些能量损耗可能不比比特币「烧电」的能量消耗低。如委员会成员要聚在一起，就需要坐飞机，而这个过程所消耗的能量也算在维持系统稳定里。

因此，这个系统并不是说它不消耗能量，不挖矿不代表不消耗能量，只不过它并不像比特币这样简单、高效直接把电能转换成稳定性形式，它是用「人治」代表了「法制」。所以说 POS 并非不消耗能量，和比特币不一样的是它把能量以另一种的形式消耗掉。比特币是直接消耗的电能，而它消耗的更多的是人力成本、交通成本、信任成本等等，没有比特币这种能量转换为稳定性来的更加直接。如果中间过程和状态太多，能量损失就更大。

实际上，比特币 POW 所建立的系统，直接匹配了复杂度和维持稳定所需要的能量，平衡了所消耗掉的能量，它用比较精妙的挖矿市场机制来保持这个平衡性，而 POS 就很难达到系统复杂度和所需输入能量的平衡。因此 POS 更像是「计划经济」，而 POW 则是某种形式上的「市场经济」。POS 要达成 POW 相同的稳定性，要消耗更大的能量。因为「人」所产生的浪费远远大于直接将电能转换成稳定性形式的。当 POS 系统的能量和所需要的稳定性不匹配，就会产生各种各样「不稳定」的现象，即「乱象」。

这里列举一些在 POS 系统里比较常见的「乱象」。首先是它的开放性比较差，它的准入门槛很高。如你要拥有这个网络 50 ％的控制力，你需要拥有这个系统 50 ％的代币，可能你买遍了所有的交易所和市场，都很难凑齐 50 ％。随着你买的过程，可能会推高价格，导致你越来越难买到，成本也越来越高，达到 50 ％所需要付出的成本是非常巨大的。而比特币要达到 50 ％的控制力就容易很多，你只需要购买算力。因为算力和「币」是两个隔离的系统，你不需要持币人同意你就可以去凑够 50 ％的算力。随着时间的增长，算力的价格会一直下降，只要愿意投入，那么一定可以达到你想要的效果。因此 POS 系统的开放性比 POW 要差很多。根据熵增定律，一个封闭的系统更容易形成混乱和无序的状态。POS 从天生的角度来讲，就比 POW 更容易暴露在混乱的风险之中。

这里通过两个 POS 常见的攻击例子来说明，当 POS 系统的能量输入不足以支撑稳定性的时候会产生怎样的乱象？其中第一个被称为「Nothing At Stake"攻击，中文叫做」权益粉碎攻击「或者」无权益攻击「。POS 系统可以在不同的分叉上」挖矿「，而 POW 系统只能从一个分叉上挖矿。POS 在不同的分叉上挖矿导致了一些人可以以很少的权益比例去影响整个系统。比如有 99 ％的人在两个分叉上都投了票，而只有 1 ％的人没有投票，那这 1 ％的算力就可以决定 99 ％算力的走向，这就是所谓的」无权益攻击「。这里只是简单的说明一下它可能带来的风险，就是只需要掌握 1 ％的票数就可能去影响整个系统的走向，或者 1 ％的权益就可以分叉整个网路。那 POS 系统怎样去防范这种」无利害攻击「呢？其实能做的并不多，只能通过」质押「等手段来惩罚进行」nothing at stake" 攻击的币。通过经济手段来避免攻击的产生，同时也增加了这个系统的复杂度，让这个系统达成稳定就更加困难，要付出的能量和代价更多。

另外一种被攻击的方式被称为长程攻「Long Range Attack」。这种攻击方法就从 0 开始，从第一个创世区块开始，重新造一条新的链，比原来的链更长，修改掉其中部分的交易，或者篡改里面一部分信息，这样对于新加入这个网络节点来说，它没有办法区分真正的主链和被篡改过的主链。因为它们从理论上来讲都是合法的，这就造成一部分的网络会产生分离，一部份新的加入节点会被链接到恶意的节点上，造成这个网络整个的混乱。

对于 POS 系统不得不提到的一个问题，就是它的「通胀性」，为什么它要通胀呢？因为它没有办法直接满足能量的消耗，在没有办法满足能量消耗的情况下它需要变相的向其中补充能量，而通胀就是补充能量的一种方法。通过多发行货币可以有效降低所有持币人所持币的价值，通过降低价值所对应的能量来维持系统的稳定性。所以通胀是 POS 币中很难避免的一个坎。我们看到的 POS 币种基本上都带有「通胀」的特性。

总结  

通过对银行和 POS 系统的分析可以得出这样的结论：想达到和比特币相同的安全性和稳定性，那其他的解决方案一定要付出更大的能量，会浪费更大的能源，没有比特币来得高效。如果试图要绕过比特币的挖矿机制，试图绕过直接的能量输入，则会带来各种各样的安全问题和不稳定性，从 POS 上可以看到这一点。因此，POW 是最公平、最高效、最节能的达成共识的方案，因为它将电能直接地、没有任何损耗地转换成整个系统的稳定性，没有损耗地降低了整个系统的「熵」。

最后我想探讨一个非常有趣的话题，就是关于「生命」的话题。薛定谔提出过一个理论，就是「薛定谔的猫」：什么是生命？以负熵为食就是生命（或「生命以负熵为食」）。一种能够从外部获得能量来保持其内部稳定性的物体被称为生命。从这个角度来看，比特币和 POW 系统源源不断地从外部获得能量，在变得越来越复杂的情况下，还能保持超高的稳定性，所以，比特币是不是生命的一种呢？