計算能力與區塊鏈技術：

高航 俞學勱 楊輝輝

未來科技金融核心隨著聯盟鏈和私有鏈的普及，區塊鏈芯片研發企業獲得了全新的市場發展機遇，通過為企業聯盟或企業內部定制專用的區塊鏈底層設施，區塊鏈算力行業將演變為支撐起價值互聯網絡發展的IDC

區塊鏈的計算能力

無發鈔機構、去中心化、去信任化的電子現金系統的實現，依賴于每一個參與者自身，“人人為我，我為人人”是區塊鏈的精髓。每一個人手上都有一個總賬，總賬上記錄著包括自己在內所有人的交易記錄，每個人都可以指著任意一筆記錄與其他人核對，保證大家賬本的統一一致，人、事、物、時完全相符且客觀真實，這就是共享賬本。比特幣的區塊鏈網絡會給勤奮記賬的人以激勵，在每一輪區塊建立的過程中只有他記的賬會被傳播給大家，并讓大家驗證。大家對他的辛勤勞動及記賬結果一致認可后，新的賬目就被添加到了共享賬本中去。獲得記賬權的人會被獎勵一些比特幣，于是，整個記賬驗證機制被稱為工作量證明。

這個體現記賬勤奮程度的標準被稱為算力，而算力正是區塊鏈安全的根基。由于每一個節點都需要通過不斷地計算來解出一個基于前一個區塊信息所產生的特解，而這個計算的過程還需要不斷打包驗證網絡中其他節點產生的交易數據，因此整個過程就像是為獲得比特幣獎勵而進行的驗證工作。這個過程被形象地稱為挖礦。工作量證明機制意味著區塊鏈的安全來源于現實世界人們共同的勞動投入。由于每一個特解都包含了前一個區塊的信息，而一個特解的產生及被網絡成功驗證就意味著新區塊的形成，每一個新區塊都疊在上一個區塊之上。于是，以前形成的區塊就像地表以下的巖層，越久遠的埋得越深，也越不可能被觸碰到或者被篡改。不可偽造、不可篡改正是區塊鏈建立信任機制、打造價值互聯網絡的基礎。

區塊鏈之沉浮

在2011年5月以前，參與到比特幣區塊鏈驗證當中的算力并不充裕，比特幣也并未獲得太多人的關注。但到2011年底，通過算力記賬獲得比特幣的挖礦行為逐漸普及。人們開始發掘出了專業的芯片FPGA用于輸出算力，能耗只有GPU挖礦的1/4，比特幣開始越來越緊密地與現實資源相聯通。從2012年到2013年，人們開始意識到利用ASIC硅晶芯片進行算力輸出可以大幅提升挖取比特幣的速度，并能比FPGA更為節能。于是，多家機構相繼開始研發ASIC比特幣挖礦芯片。從此，比特幣挖礦以及比特幣本身開始形成產業。

2013年至今，全網輸出算力從2.5T飆升至1400P（1P=1000T），是原來的約56萬倍。算力的規模越大、節點越分散，區塊鏈網絡就越安全，對權力與利益機構的防御能力就越強，對應的區塊鏈應用也就越有保障。2013年底，比特幣幣價超越1000美元，并于11月29日下午達到最高價格1242美元，超過了一盎司黃金1241.98美元的報價。從某種意義上說，此時此刻比特幣成為了真正的數字黃金。促使比特幣價瘋漲的推動力，除了挖礦芯片與設備研發的軍備競賽以外，最為直接的因素來自于比特幣交易所這些推動對比特幣進行直接投資的入口的激增。

隨著幣價的不斷攀升，大量的交易所也相繼出現。中國的OKCoin、美國的Coinbase便是其中最具影響力的交易所。更多的交易入口也吸引了更多投機者的涌入。2013年5月，中國的OKCoin比特幣交易所成立，3個月后即達到每月26億的交易量，同年12月更是創造了單天交易量40億的驚人數額，從而一舉成為了全球最大交易所。

然而，比特幣在支付領域的發展表現一般。2013年以來，相比于錢包之間的支付交易，通過交易所交易的比特幣倍數常年保持在10倍以上，即每11筆交易有起碼10筆源于對比特幣的買賣炒作，而非針對服務或商品支付。根據Coinmap的資料顯示，全球可用比特幣進行線下支付的實體店僅為7709家，在中國只有北上深、港澳臺和西安等地有約10家店鋪支持比特幣。另外，各國政策對比特幣貨幣屬性的限制，也導致了比特幣作為貨幣基本的支付功能未能真正普及。

區塊鏈之產業鏈

算力挖礦行業的出現不僅打通了區塊鏈與現實資源之間的通道，更幫助區塊鏈領域形成了第一條相對完整的產業鏈體系（圖1）。而這一條產業鏈也從單純的在比特幣挖礦與交易的過程中獲取財富，進化到了從區塊鏈產業生態中去創造財富。隨著區塊鏈生態的完善和進化速度的加快，這一產業創造財富的能力也在與日俱增。

1.芯片研發與區塊鏈計算機生產。比特幣區塊鏈安全基礎的算力芯片是整個產業鏈的源頭。芯片內部結構的研發設計由算力芯片的專業團隊完成，而硅晶芯片的實際生產則是外包給臺積電、三星、高通、因特爾等專業芯片代工廠進行生產，這個生產過程被稱為流片。嘉楠耘智（清華長三角研究院投資）等芯片研發團隊也由于關注到了區塊鏈領域的機會，從而設計量產了多款針對區塊鏈領域的專用超算芯片。

在經歷了比特幣幣價的大起大落之后，當前市場上仍具競爭力的主要超算芯片團隊有中國的嘉楠耘智、比特大陸、海外的Bitfury（中國信貸 投資）和21 Inc.（高通投資）。技術與資本是決定區塊鏈計算機行業優勝劣汰的核心因素。運作良好的區塊鏈計算機研發與生產企業一般擁有良好的現金流，但每個行業都有寒冬期。礦企競爭目前已經逐漸進入寡頭階段，之后的競爭不僅考驗團隊的技術研發能力，同樣也考驗團隊的資本運作能力。

2.礦場。所謂礦場，就是將一臺封裝數十至數百顆芯片單體通電運行的小型區塊鏈計算機，進化為部署幾萬至幾十萬臺區塊鏈計算機的大型機房。為了降低能源消耗，原本僅在算力芯片的能耗比上下功夫的芯片公司，也開始對區塊鏈計算機散熱、電源傳輸、礦場機房布設等外延性要素進行節能提效設計。因此，在產業鏈前端的這三個環節上，仍由原本的芯片研發團隊所主導，各家在這個領域各有所長。嘉楠耘智團隊針對自己研發的芯片，提供了一套低成本高性能的環境自適應解決方案，通過對系統運作過程中熱耗散的控制，以及電源傳輸過程中電壓穩定性的智能調整，使ASIC硅晶片在集群礦場的復雜環境中實現最低能耗的最大算力輸出，同時保持較低的總體擁有成本。而Bitfury則開發了針對算力芯片的浸泡式水冷系統，在沸點非常低的情況下，把硬件浸泡在液體中。一旦加熱，液體就會蒸發把熱量帶走，然后凝結再進入池中，通過這個過程降低挖礦在冷卻過程中的能源消耗。

3.礦池。礦池是將來自各地的算力進行匯聚，從而提高算得新區塊的幾率。比特幣的算法規定了算力占據總網絡比率越高的節點，能算得新區塊的幾率越大。因此，算力輸出方則會選擇匯集在一起，共享一個主節點通道，并最終將共同產生的收益按照一定的分配方式提前分配到各個子算力輸出節點的賬戶中。

數據來源：區塊鏈公開數據

當前，從各大礦池所輸出的算力占比情況如圖2所示，其中國內礦池輸出占比高達62%，這其中占具最大份額的是比特大陸的蟻池。與其他廠商專注于芯片設計領域不同，比特大陸從很早就在比特幣全產業鏈進行了全面布局。從比特幣瀏覽器項目，到大規模自有算力部署，再到云算力服務，涵蓋了算力挖礦行業的大部分環節，而礦池正是這一布局的終點。比特大陸旗下的蟻池一家就占據了礦池份額的1/4，這意味著每一個區塊由蟻池算得的幾率是1/4。也因此，每個區塊所產生的比特幣獎勵被蟻池獲取的幾率也是1/4。得益于較高的礦池份額和大量的自有算力，比特大陸收獲了大量的比特幣收益。其余諸如BTCC、魚池等幾大國內礦池中的算力則有很大比例來源于嘉楠耘智所投入制造的區塊鏈超級計算芯片。

因此，從礦池數據上也體現出了Bitfury、比特大陸與嘉楠耘智在比特幣算力行業的先發優勢。

4.云算力。在這種情況下，中小礦工的盈利空間越來越小甚至為負。它們不僅要面臨單體區塊鏈計算機供不應求的狀況，還要面對區塊鏈計算機從發貨到安裝調試再到維護的整個復雜流程。而且，最大的成本還不止是這些，使用一般家庭、商業用電進行挖礦所消耗的高昂電費，以及產生的噪音和熱量，也成為普通比特幣愛好者參與算力輸出的障礙。算力通過大規模集成礦場以及礦池的集中，造成對比特幣區塊鏈安全的威脅。

綜合這樣的市場與技術需求，云算力服務應運而生。云算力平臺將礦場和礦池等基礎資源打通，為個體礦工更便捷地接入比特幣區塊鏈網絡提供條件。這不僅降低了礦工的準入門檻，并且由于購買云算力的用戶可以自主控制算力流向，這成為解決大規模集成化礦場和礦池匯聚而造成算力集中問題的一種策略。它的出現也因此使得比特幣區塊鏈離全民分布式共享的理想又近了一步。

5.交易所。算力芯片成為現實資源導向區塊鏈虛擬資源的入口，那么，交易所就成為這條產業鏈最終的出口。即將算力所獲取的比特幣收益，轉化為現實中可用的法幣，比特幣產業鏈的循環生態由此形成。實際上，整個產業的簡化邏輯似乎是：投入資金購買設備，通過設備運作獲取比特幣，并寄期望于比特幣的溢價能夠為整個產業鏈獲取利潤；將比特幣換成法幣之后，再次投入購買更好的設備。這樣的模式其實并未跳出2013-2014年比特幣大起大落時期區塊鏈計算機行業軍備競賽的怪圈。同時，硅晶芯片從110納米到55納米，從28納米再到16納米，其蝕刻密度的提升也逐漸開始受到單位面積產熱劇增、量子效應的影響，使芯片設計的門檻進一步提高。在這種大環境下，區塊鏈的產業鏈也進一步延伸出了更多價值。

算力與區塊鏈的未來

從2013-2016年，區塊鏈計算機從CPU時代進化到GPU時代，從FPGA時代進化到ASIC時代，再到當前的ASICs時代，ASIC芯片本身尺寸越來越小。在這個過程中，礦機專用芯片提供廠商從少到多，再到如今的寡頭壟斷，每一次芯片的進化都帶來一次行業的更新迭代。根據全網算力的歷史數據預測，4年以后也就是2020年，全網算力將接近20000P，是當前1600P算力的12倍多。

區塊鏈計算機加速的軍備競賽，使得以顛覆世界不公的財富規律為目標的比特幣開始重蹈覆轍，幾乎50%以上的比特幣集中在不足20%的人手中。而現實世界的大多數人并不真正了解比特幣。作為一種平衡，云算力解決方案的提出，使區塊鏈的網絡進化增加了一種離散的力量。它致力于讓更多的人體驗挖礦，讓更多人通過真正成為分布式礦工，方便地獲得第一份數字資產，來理解比特幣和區塊鏈，從而形成由外向內吸附的生態。持有區塊鏈數字資產的人越多、越分散，整個產業產生裂變的可能性就越大。新近上線的算力寶平臺，以真實算力對應、自由調度算力資源為切入點，得到了傳統IDC上市公司的有力支持，云算力平臺的建設有可能會成為新的戰略級入口。

1.加速大數據行業發展。由于區塊鏈算力的本質是讓芯片自動通過特定算法，進行大量運算來保障區塊鏈這一公開賬本的安全與穩定。而大數據分析則是通過多種數據挖掘的算法組合，將元數據進行輸入、篩選、重構、分類、關聯并最終輸出知識。因此，通過將算力芯片進行內置算法的重新設計、定制，能夠實現高效快速的大數據挖掘、分析功能。而伴隨著互聯網時代下數據量的激增，對數據分析的計算量要求也相應增加。對海量數據的處理需求，相應地提升了對分布式技術——云計算的需求。區塊鏈則能夠與大數據的云計算需求完美契合，以當前比特幣全網算力1400P為例，若對整個互聯網中存儲的所有數據進行一次哈希運算，僅需要不到1分鐘的時間。因此，區塊鏈算力芯片行業的發展實際上推動了大數據行業的進步。

2.未來區塊鏈計算機——從致富工具到智能機器。區塊鏈算力的軍備競賽，在刺激了芯片技術繁榮的同時也造成了挖礦難度的指數級增加，而期望通過簡單粗暴的挖幣賣幣來致富的投機者們，也在比特幣泡沫破裂后的冷靜中被逐步淘汰。因為幣價保值升值所真正需要的并非是短期的利益綁架，而是區塊鏈的真正安全，以及區塊鏈上進一步可被開發的應用價值，于是真正的區塊鏈研究者與創業者們開始將區塊鏈計算機推向了智能硬件的新生態。其中一種新的應用價值開發，就來自于高通所投資的21 Inc.。這家海外的創業公司將自己所研發的芯片及設備命名為“比特幣電腦”，而非“比特幣區塊鏈計算機”，因為他們更看重比特幣的“工業用途”。

21 Inc.聯合創始人兼CEO Balaji Srinivasan認為，機器網絡是繼萬維網和社交網絡之后的第三個網絡，在該網絡中，所有的連接實際上都是機器間直接的支付行為。21 Inc.以嵌入式挖礦為理念，著眼于未來物聯網的潛力，希望通過嵌入主流的消費電子設備在后臺挖礦，通過無限的數字貨幣流來從事微交易。21 Inc.計劃向市場推出嵌入式芯片，允許用戶使用智能手機和其他互聯網設備進行比特幣挖礦。

在2015年，現實中的人和設備在嵌入軟件、傳感器和網絡之后，實現了物物連接的狀態，即物聯網。而IBM認為，未來的每個設備都能進行自我管理，即設備自治。未來10年，物聯網設備的數量將大幅增加，將如此多的上網設備通過中心化的方式來管理是不現實的。IBM認為，區塊鏈技術正好能解決這個問題。通過區塊鏈技術實現去中心化的分布式云網絡的物聯網，各個設備彼此相連，解決節點信任問題。同樣，中國的芯片設計研發廠商也已開始從模式識別入手，對支持人工智能技術的神經網絡算法的通用芯片進行研發。由于區塊鏈共識機制建立，實際上是基于算法的一種自動化組織架構，因此，將相似的算法邏輯應用在人工智能的交互上所實現的是人工智能的“社會規則”。未來整個物聯網世界的所有智能電子設備的內部，都有可能帶有一顆接入區塊鏈網絡的芯片。一旦實現了這種區塊鏈物聯網絡，那么人與機器、機器與機器智能之間進行交互就擁有了一種通用的語言。社會規則可編程、社會資源可自由連接，在這個基礎上，自助化的電子政務、智慧家居、智慧城市、車聯網、醫療物聯等各個行業都將產生具有顛覆性的商業新模式。

3.區塊鏈網絡生態。算力是區塊鏈網絡的底層架構，維護著區塊鏈網絡的安全和正常運行。目前的區塊鏈產品的架構，都是圍繞從算力基礎設施到數字貨幣網絡再到區塊鏈應用的由下至上的架構展開（圖3）。

區塊鏈的共識機制基于算力基礎設施的保障，解決了對等實體間信任的問題，區塊鏈也因此將可能重塑除貨幣和物聯網以外包括金融、法律、審計等眾多領域的業務模式。由于受制于比特幣區塊鏈當前區塊容量1MB的限制，以及平均10分鐘算出一個區塊的交易確認時間的限制，當前給予比特幣區塊鏈的應用仍然被限制在低頻、小容量的范圍內。然而，隨著比特幣核心協議的一次次更新迭代，最新的0.12.1協議實現了高頻交易的閃電支付接口，以及能夠解決區塊容量問題的側鏈兼容，并且進一步提升了比特幣區塊鏈的可編程智能合約屬性。這一切都為比特幣產業鏈在應用價值上的衍生翻開了全新的篇章。

區塊鏈的進化并不是在比特世界（虛擬世界）里孤立進行的，它與原子世界（現實世界）有著千絲萬縷的對應關系。區塊鏈網絡生態另外一個重要的發展方向，就是建立兩個世界的映射關系。不論區塊鏈擁有哪些核心優勢，最終它要在原子世界里落地和執行，要進行實物的交割，要進行人與人之間真實的接觸，社會與國家的權力執行機構并不會消失。相反，在一個透明化的體系里，他們會更加高效率、民主、廉潔地參與。區塊鏈創業公司保全網在這種映射關系上做了一些積極探索，利用區塊鏈技術來實現存證、增信和鑒真的功能。在整個產業生態中，這實際上起到了一種管道的作用。有了這種管道，我們才能清晰地看到逐步遞進的發展路徑。目前，保全網已經在金融、保險、基金、財稅、教育等領域有了應用案例。

4.新型區塊鏈創新。越來越多的技術團隊及金融公司開始嘗試構建一個獨立于比特幣區塊鏈之外的新區塊鏈結構。比特幣區塊鏈由于其完全的分布式、公開化，是當前最為典型的公有鏈。公有鏈是指任何人都可以讀取公有區塊鏈的數據，任何人都可以在公有區塊鏈上發送交易，任何人都可以參與到共識過程——該過程決定什么區塊被加入到鏈上，以及現在的狀態是什么。另一種是聯盟鏈，它的共識過程是受預先選定的多個節點控制的。它可以讓每個人讀取區塊鏈數據，也可以讓選定的參與者讀取區塊鏈數據，這些區塊鏈可以被看作“半去中心化”的。最為保守或者說更接近中心化的結構是私有鏈。因為向私有鏈寫入數據的權限只被一個機構所擁有，或許在某些特定情況下公眾會擁有讀取數據的權限，大多數時候則只有特定的人才擁有讀取數據的權限。

相比于比特幣的公有鏈，聯盟鏈與私有鏈更具優勢：（1）由一個聯盟或者公司運行的私有鏈可以很容易改變區塊鏈規則、回滾交易、修改余額等。（2）區塊鏈上的確認者的身份是已知的，所以不存在算力集中等導致的51%攻擊問題。（3）交易費用更低。這是因為交易只需要被幾個可信的、擁有非常強大的處理能力的專業節點確認，而不需要被數以萬計的、處理能力有限還偶爾不穩定的節點確認?，F在，這一優勢很有效果，因為當前比特幣公有區塊鏈處理的一筆交易的費用將近1%，并且還有10分鐘的確認時間限制。（4）節點之間的連接更好，故障可以更快地被修復，所以，可以使用區塊時間更短的共識算法。（5）如果對讀取區塊鏈數據的權限作了限制，那么，就意味著私有鏈可以提供更好的隱私保證。當然，這些半去中心化聯盟鏈與中心化的私有鏈的優勢是建立在犧牲了公有鏈強健的安全性的基礎上而獲得的，并且由于共享、共擔機制的缺失也使得聯盟鏈、私有鏈的建設接入成本遠遠高于公有鏈。

但對于許多注重靈活性和保密性的私有機構來說，私有鏈似乎是權衡之后更好的選擇。創業機構R3 CEV就是聯盟鏈應用的典型，它聚集了全世界各大跨國銀行機構，從高盛、巴克萊、匯豐、花旗到東京日聯、瑞穗，總計42家銀行加入了R3主導的聯盟鏈計劃，通過共同開發銀行間區塊鏈金融應用，使銀行間的交易更高效、更安全。同時，四大會計事務所之一的德勤旗下全資子公司Rubix也致力于為企業提供專業化的私有鏈定制解決方案。然而，所有類型區塊鏈的底層基礎設施都是由專業芯片公司所提供的算力。因此，區塊鏈的創新意味著基礎設施的創新。隨著聯盟鏈和私有鏈的普及，芯片研發企業就獲得了在區塊鏈領域新的市場發展機遇，通過為企業聯盟或企業內部定制專用區塊鏈底層設施，區塊鏈算力行業將演變為支撐起新互聯網發展的IDC。使用特定的算法開發分布式賬本的專用芯片，以這種專用芯片作為硬件支撐的分布式賬本系統，可以擺脫會計依賴和內部IT管理的依賴，可以快速地建立公司代幣系統、建立私有的數字資本賬戶體系，這將進一步提升企業資源調度的效率。

在區塊鏈產業鏈的各個環節上，各種類型的創業公司正如雨后春筍般出現。而這一領域的先行者們，也每天都有新的故事上演。Bitfury在獲得中國信貸投資后，還在謀求去美國納斯達克上市；算力寶正在努力將云算力與傳統IDC廠商結合起來；2016年6月8日更見到了創業板上市公司魯億通公告以30.6億人民幣收購芯片設計公司嘉楠耘智的新聞。這一系列的變革都在產業內外產生著深遠的影響。技術變革推動意識覺醒，新型區塊鏈的創新還有非常大的想像空間。