5.3. Tiêu thụ năng lượng và sinh thái
Chúng ta đã thấy các trung tâm dữ liệu khai thác chuyên nghiệp lớn đã tiếp quản hoạt động kinh doanh khai thác Bitcoin như thế nào và điều này tương đồng với phong trào khai thác mỏ trong khai thác vàng như thế nào. Bạn có thể biết rằng các mỏ hầm lò là một nguồn đáng lo ngại trong những năm qua do những thiệt hại mà chúng gây ra cho môi trường. Bitcoin vẫn chưa hoàn toàn ở mức đó, nhưng nó đang bắt đầu sử dụng một lượng năng lượng đáng kể, điều này đã trở thành chủ đề thảo luận. Trong phần này, chúng ta thảo luận về việc khai thác Bitcoin đang sử dụng bao nhiêu năng lượng và tác động của nó đối với cả tiền tệ và hành tinh của chúng ta.
Giới hạn nhiệt động lực học
Một định luật vật lý được gọi là nguyên lý Landauer và được phát triển bởi Ralph Landauer vào những năm 1960 tuyên bố rằng bất kỳ phép tính không thể đảo ngược nào đều phải sử dụng một lượng năng lượng tối thiểu. Về mặt logic, các phép tính không thể đảo ngược có thể được coi là những phép tính làm mất thông tin. Cụ thể, nguyên tắc nói rằng việc xóa bất kỳ bit nào phải tiêu tốn tối thiểu kT ln 2 jun, trong đó k là hằng số Boltzmann (xấp xỉ 1,38 × 10−23 jun trên mỗi kelvin), T là nhiệt độ của mạch tính bằng kelvin và ln 2 là logarit tự nhiên của 2, xấp xỉ 0,69. Đây là một lượng nhỏ năng lượng trên mỗi bit, nhưng nó cung cấp một giới hạn dưới về việc sử dụng năng lượng từ vật lý cơ bản.
Ở đây chúng ta sẽ không trình bày chi tiết về cách dẫn xuất, nhưng có khái niệm là mỗi khi bạn lật một bit theo cách không thể đảo ngược, một số jun tối thiểu phải được sử dụng. Năng lượng là không bao giờ bị phá hủy; nó được chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác. Trong trường hợp tính toán, năng lượng phần lớn được biến đổi từ điện năng, là năng lượng hữu ích, bậc cao, thành nhiệt năng, tỏa ra trong môi trường.
Là một hàm băm mật mã, SHA-256 không phải là một phép tính có thể đảo ngược. Nhắc lại từ Chương 1 rằng đây là yêu cầu cơ bản của các hàm băm mật mã. Vì vậy, vì tính toán không thể đảo ngược phải sử dụng một số năng lượng và SHA-256—cơ sở của khai thác Bitcoin—không thể đảo ngược, nên việc tiêu thụ năng lượng là kết quả tất yếu của quá trình khai thác Bitcoin. Điều đó nói lên rằng, các giới hạn được đặt ra bởi nguyên tắc của Landauer thấp hơn nhiều so với lượng điện đang được sử dụng ngày nay. Chúng ta đang ở gần mức tiêu thụ điện toán tối ưu về mặt lý thuyết, nhưng ngay cả khi chúng ta đã đạt đến mức tối ưu về mặt lý thuyết, chúng ta vẫn sẽ sử dụng năng lượng để thực hiện khai thác Bitcoin.
Khai thác Bitcoin sử dụng năng lượng như thế nào? Ba bước trong quy trình đòi hỏi năng lượng, một số bước có thể không quá rõ ràng:
- Năng lượng thể hiện. Thiết bị khai thác bitcoin cần được sản xuất. Điều này yêu cầu khai thác vật lý các nguyên liệu thô cũng như biến các nguyên liệu thô này thành một ASIC khai thác Bitcoin, cả hai đều cần năng lượng. Đây là năng lượng hiện thân. Ngay sau khi bạn nhận được ASIC khai thác Bitcoin qua thư, bạn đã tiêu tốn rất nhiều năng lượng—tất nhiên là bao gồm cả năng lượng vận chuyển—trước cả khi bạn bật nguồn!
Hy vọng rằng, theo thời gian, năng lượng thể hiện sẽ giảm xuống khi ngày càng ít công suất mới xuất hiện trên mạng. Vì ngày càng ít người mua ASIC khai thác mới, thiết bị sẽ ít nhanh chóng bị lỗi thời hơn và năng lượng thể hiện sẽ được phân bổ theo năm khai thác.
- Điện. Khi ASIC của bạn được bật và khai thác, nó sẽ tiêu thụ điện. Đây là bước mà chúng ta biết rằng phải tiêu tốn năng lượng do nguyên lý của Landauer. Khi các giàn khai thác trở nên hiệu quả hơn, chi phí năng lượng điện sẽ giảm xuống. Nhưng vì nguyên tắc của Landauer, chúng ta biết rằng chúng sẽ không bao giờ biến mất; tiêu thụ năng lượng điện sẽ là một thực tế của cuộc sống đối với những người khai thác Bitcoin mãi mãi.
- Làm mát. Thiết bị khai thác bitcoin cần được làm mát để ngăn nó hoạt động sai. Nếu bạn đang hoạt động ở quy mô nhỏ trong khí hậu lạnh, chi phí làm mát của bạn có thể rất nhỏ. Nhưng ngay cả trong điều kiện khí hậu lạnh giá, một khi đủ số lượng ASIC được đóng gói trong một không gian nhỏ, bạn sẽ phải trả thêm tiền để làm mát thiết bị của mình khỏi tất cả nhiệt thải mà nó đang tạo ra. Nói chung, năng lượng được sử dụng để làm mát thiết bị khai thác cũng sẽ ở dạng điện năng.
Khai thác theo quy mô
Cả hai năng lượng thể hiện và điện giảm (trên mỗi đơn vị công việc khai thác đã hoàn thành) khi hoạt động ở quy mô lớn. Sẽ rẻ hơn nếu xây dựng các chip được thiết kế để chạy trong trung tâm dữ liệu lớn và bạn có thể cung cấp năng lượng hiệu quả hơn, vì bạn không cần nhiều nguồn cung cấp năng lượng.
Tuy nhiên, khi nói đến làm mát, điều ngược lại thường đúng: chi phí làm mát có xu hướng tăng khi quy mô của bạn lớn hơn. Nếu bạn muốn vận hành một hoạt động lớn và có nhiều thiết bị khai thác Bitcoin ở cùng một nơi, thì sẽ có ít không khí hơn để tản nhiệt vào khu vực xung quanh thiết bị của bạn. Do đó, ngân sách làm mát của bạn sẽ tăng theo quy mô (trên mỗi đơn vị công việc khai thác đã hoàn thành) trừ khi bạn mở rộng diện tích thực của mình cùng với số lượng chip bạn đang sử dụng.
Ước tính sử dụng năng lượng
Toàn bộ hệ thống Bitcoin đang sử dụng bao nhiêu năng lượng? Tất nhiên, chúng ta không thể tính toán điều này một cách chính xác, bởi vì đó là một mạng phi tập trung với các thợ đào hoạt động khắp nơi mà không ghi lại chính xác những gì họ đang làm. Nhưng có hai cách tiếp cận cơ bản để ước tính lượng năng lượng mà các thợ đào Bitcoin đang sử dụng chung. Chúng ta sẽ thực hiện một số tính toán dự phòng tại đây dựa trên các giá trị đầu năm 2015. Những con số này rất thô, cả vì một số thông số khó ước tính và vì chúng thay đổi nhanh chóng. Tốt nhất chúng nên được coi là các ước tính theo cấp độ (order-of-magnitude).
CÁCH TIẾP CẬN TỪ TRÊN XUỐNG
Cách tiếp cận đầu tiên là cách tiếp cận từ trên xuống. Chúng ta bắt đầu với một thực tế đơn giản là mỗi khi một khối được tìm thấy vào ngày hôm nay, 25 bitcoin, trị giá khoảng 6.500 đô la, sẽ được trao cho các thợ đào. Đó là khoảng 11 đô la mỗi giây được tạo ra từ không có gì trong nền kinh tế Bitcoin và được trao cho các thợ đào.
Bây giờ chúng ta hãy đặt câu hỏi này: nếu các thợ đào biến tất cả 11 đô la mỗi giây đó thành điện, thì họ có thể mua bao nhiêu? Tất nhiên, các thợ đào không thực sự chi tiêu tất cả doanh thu của họ cho điện, nhưng điều này sẽ cung cấp giới hạn trên về lượng điện đang được sử dụng. Giá điện thay đổi rất nhiều, nhưng chúng ta có thể sử dụng ước tính rằng chi phí điện khoảng 0,10 đô la mỗi kilowatt giờ theo tỷ lệ công nghiệp ở Hoa Kỳ, hoặc tương đương, 0,03 đô la cho mỗi megajoule. Nếu những người khai thác Bitcoin chi tất cả 11 đô la mỗi giây thu nhập để mua điện, thì họ có thể mua 367 megajoules mỗi giây, tiêu thụ 367 megawatt ổn định.
Đơn vị năng lượng và công suất. Trong Hệ đơn vị quốc tế (SI), năng lượng được đo bằng jun. Một oát là một đơn vị công suất, trong đó một oát được định nghĩa là một jun trên giây.
CÁCH TIẾP CẬN TỪ DƯỚI LÊN
Cách thứ hai để ước tính chi phí là sử dụng phương pháp từ dưới lên. Trong cách tiếp cận này, chúng ta xem xét số lượng băm mà những người khai thác thực sự đang tính toán, mà chúng ta biết bằng cách quan sát độ khó của từng khối. Sau đó, nếu chúng ta giả định rằng tất cả các thợ đào đang sử dụng phần cứng hiệu quả nhất, chúng ta có thể tính được mức tiêu thụ điện giới hạn dưới.
Hiện tại, hiệu suất được công bố tốt nhất trong số các giàn khai thác có sẵn trên thị trường là khoảng 3 gigahashes / giây / watt. Nghĩa là, ASIC tiên tiến nhất tuyên bố thực hiện 3 tỷ băm mỗi giây trong khi tiêu thụ 1 watt điện. Tổng tỷ lệ băm của mạng là khoảng 350.000.000 gigahashes mỗi giây, hoặc tương đương, 350 petahashes mỗi giây. Nhân hai điều này với nhau, chúng ta thấy rằng cần khoảng 117 megawatt để tạo ra nhiều băm mỗi giây với hiệu suất đó. Tất nhiên con số này không bao gồm tất cả năng lượng làm mát và tất cả năng lượng thể hiện trong những con chip đó, nhưng chúng ta đang thực hiện một phép tính tối ưu và lấy ra một giới hạn dưới, vì vậy điều đó không sao.
Kết hợp các phương pháp tiếp cận từ trên xuống và từ dưới lên, chúng ta thu được con số gần đúng về lượng điện năng được sử dụng để khai thác Bitcoin khoảng chừng vài trăm megawatt.
Một megawatt là bao nhiêu? Để xây dựng trực giác, hãy xem xét các nhà máy điện lớn sản xuất bao nhiêu. Một trong những nhà máy điện lớn nhất thế giới, Đập Tam Hiệp ở Trung Quốc, là một nhà máy điện 10.000 megawatt. Một nhà máy thủy điện lớn điển hình sản xuất khoảng 1.000 megawatt. Nhà máy điện hạt nhân lớn nhất thế giới, Kashiwazaki-Kariwa ở Nhật Bản, là nhà máy 7.000 megawatt, trong khi nhà máy điện hạt nhân trung bình là khoảng 4.000 megawatt. Một nhà máy đốt than lớn sản xuất khoảng 2.000 MW.
Theo ước tính của chúng ta sau đó, toàn bộ mạng lưới Bitcoin có lẽ đang tiêu thụ 10% sản lượng của một nhà máy điện lớn. Mặc dù đây là một lượng điện đáng kể, nhưng nó vẫn còn nhỏ so với tất cả những thứ khác mà mọi người đang sử dụng điện trên hành tinh.
Khai thác Bitcoin có lãng phí không?
Người ta thường nói Bitcoin lãng phí năng lượng, vì năng lượng sử dụng trên các phép tính SHA-256 không phục vụ bất kỳ mục đích hữu ích nào khác. Tuy nhiên, bất kỳ hệ thống thanh toán nào cũng yêu cầu năng lượng và điện. Với tiền tệ truyền thống, năng lượng đáng kể được tiêu tốn trong việc in tiền và chạy máy ATM, máy phân loại tiền xu, máy tính tiền, và các dịch vụ xử lý thanh toán, cũng như vận chuyển tiền và vàng thỏi trong xe bọc thép. Bạn có thể tranh luận một cách bình đẳng rằng tất cả năng lượng này đều bị lãng phí, ở chỗ nó không phục vụ bất kỳ mục đích nào ngoài việc duy trì hệ thống tiền tệ. Vì vậy, nếu chúng ta đánh giá Bitcoin như một hệ thống tiền tệ hữu ích, thì năng lượng cần thiết để hỗ trợ nó không thực sự bị lãng phí.
Tuy nhiên, sẽ rất thuận lợi nếu chúng ta có thể thay thế việc khai thác Bitcoin bằng một câu đố ít tiêu tốn năng lượng hơn và vẫn có một loại tiền tệ an toàn. Tuy nhiên, chúng ta sẽ thấy trong Chương 8 mà chúng ta không biết liệu điều đó có thực sự khả thi hay không.
Tái tạo năng lượng
Một ý tưởng khác để làm cho Bitcoin thân thiện hơn với môi trường là thu nhiệt lượng tạo ra từ việc khai thác Bitcoin và làm điều gì đó hữu ích với nó thay vì chỉ làm nóng bầu không khí. Mô hình thu nhiệt thải từ quá trình tính toán này được gọi là phương pháp tiếp cận lò dữ liệu (data furnace). Khái niệm này là thay vì mua một lò sưởi điện truyền thống để sưởi ấm ngôi nhà của bạn hoặc để làm nóng nước trong nhà của bạn, bạn có thể mua một lò sưởi tăng gấp đôi như một giàn khai thác Bitcoin, khai thác bitcoin và sưởi ấm ngôi nhà của bạn như một sản phẩm phụ của tính toán đó. Nó chỉ ra rằng hiệu quả của việc này không tệ hơn nhiều so với việc mua một lò sưởi điện và có lẽ việc sử dụng lò đốt dữ liệu sẽ không phức tạp hơn đối với người tiêu dùng gia đình so với việc cắm lò sưởi của họ vào kết nối Internet cũng như vào ổ cắm điện của họ.
Có một số hạn chế đối với cách tiếp cận này. Mặc dù hiệu quả tương đương với việc sử dụng lò sưởi điện, nhưng bản thân máy sưởi điện lại kém hiệu quả hơn nhiều so với máy sưởi gas. Bên cạnh đó, điều gì sẽ xảy ra khi mọi người tắt giàn khai thác Bitcoin của họ trong mùa hè (hoặc ít nhất là mọi người ở Bắc bán cầu)? Công suất băm khai thác có thể giảm theo mùa dựa trên lượng nhiệt mà mọi người cần. Nó thậm chí có thể giảm xuống vào những ngày tình cờ ấm hơn mức trung bình! Điều này sẽ gây ra nhiều hiệu ứng thú vị cho sự đồng thuận của Bitcoin nếu mô hình lò dữ liệu thực sự bắt đầu.
Câu hỏi về quyền sở hữu cũng không rõ ràng. Nếu bạn mua một lò dữ liệu Bitcoin, bạn có sở hữu phần thưởng khai thác Bitcoin mà bạn nhận được không hay công ty đã bán chúng cho bạn? Hầu hết mọi người không có hứng thú với việc khai thác Bitcoin—và có lẽ sẽ không bao giờ—vì vậy, việc mua nó như một thiết bị và nhờ công ty đã bán nó cho bạn giữ phần thưởng sẽ có ý nghĩa hơn. Điều này có thể có nghĩa là máy sưởi được bán với mức lỗ nhẹ, trong trường hợp đó, một số người dùng táo bạo có thể muốn mua chúng và sửa đổi chúng để giữ phần thưởng khai thác cho riêng mình, dẫn đến một cuộc chiến quản lý quyền kỹ thuật số tiềm ẩn xấu xí.
Biến điện thành tiền mặt
Một khả năng dài hạn khác cho Bitcoin là nó có thể cung cấp phương tiện hiệu quả nhất để biến điện thành tiền mặt. Hãy tưởng tượng một thế giới trong đó các ASIC khai thác Bitcoin là một loại hàng hóa sẵn có và chi phí khai thác chủ đạo là điện. Trên thực tế, điều này có nghĩa là việc cung cấp điện miễn phí hoặc giá rẻ sẽ mở ra các hình thức lạm dụng mới.
Ở nhiều nước, chính phủ trợ cấp điện, đặc biệt là điện công nghiệp. Trong số các lý do khác, họ thường làm như vậy để khuyến khích ngành công nghiệp đặt trụ sở tại quốc gia của họ. Nhưng Bitcoin cung cấp một cách tốt để biến điện thành tiền mặt, điều này có thể khiến các chính phủ phải suy nghĩ lại về mô hình đó nếu điện được trợ cấp của họ được chuyển đổi hàng loạt thành bitcoin. Trợ cấp điện nhằm mục đích thu hút các doanh nghiệp sẽ đóng góp vào nền kinh tế và thị trường lao động của đất nước, và trợ cấp khai thác Bitcoin có thể không có tác dụng như dự kiến.
Một vấn đề lớn hơn nữa là hàng tỷ ổ cắm điện có sẵn miễn phí trên khắp thế giới trong nhà của mọi người, trường đại học, khách sạn, sân bay, tòa nhà văn phòng, v.v. Mọi người có thể cố gắng cắm thiết bị khai thác để họ có thể kiếm lợi trong khi người khác đang thanh toán hóa đơn tiền điện. Trên thực tế, họ có thể sử dụng phần cứng lỗi thời và không thèm nâng cấp, coi như không phải trả tiền điện. Khá khó khăn khi xem xét khả năng giám sát mọi ổ cắm điện trên thế giới để xem có khả năng sử dụng trái phép làm nguồn điện để khai thác Bitcoin hay không.