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能耗減少99% 以太坊代碼大換血背後的故事

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2018年大部分時間,以太坊挖礦的用電量,與“冰島”整個國家的用電量差不多。事實上,每次典型以太坊交易消耗的電力,要比一個普通美國家庭日均用電量還多。
 
以太坊設計者Vitalik Buterin說:“即便你不覺得污染和二氧化碳是問題,但巨大的能源浪費確實存在。真正的消費者——我們每個人對電力的需要正在被比特幣取代。”
 
最具野心的開源工程
 
Buterin計劃在2019年開始削減能源浪費。為此,以太坊基金會,以及各相關開源團隊,都計劃實地測試期待已久的以太坊代碼“大換血”。如果手術成功,那麼到2019年底,以太坊的新代碼可以用目前所消耗能源的1%來完成交易。
 
為加密貨幣提供諮詢的專家Zaki Manian說,以太坊的重生嘗試將是今年“最值得關注的技術活動之一”。他認為,以太坊的開發過程,意味著眾多開發者和組織必須公開協作,在規範上協同,創造出讓區塊鏈真正實現的技術,並使其無縫協作——這是迄今為止最具技術野心的開源社區項目。
 
Buterin的願景,是讓以太坊成為一個去中心、對所有人開放、本質上不受停機、審查和欺詐等因素影響的全球計算機。
 
以太坊區之所以具備這樣的潛力,是因為它能存儲數據、支持決策並自動分配價值。通過智能合約,以及由用戶和開發人員,用以太坊的定製程序語言編寫的應用來管理任務。從長遠看,基於智能合約構建的應用,最終將使以太坊成為終極雲計算平台。

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能耗雙刃劍
 
然而,這一崇高的願景與現實衝突——儘管以太坊上運行著價值百萬美元的應用,但就連Buterin也表示,以太坊消耗的資源超過了它的社會效益。
 
問題出在挖礦上。如多數加密貨幣一樣,以太坊依賴“工作量證明(proof of work,PoW)的規則進行算力競賽。在PoW規則下,所有參與者都競相保證交易安全,並將交易數據添加到區塊鏈的全球分佈式賬本中。這是一場贏家通吃的比賽,他們拿到新挖出的加密貨幣的獎勵。因此,計算機算力越強,獲得獎勵的機會就越大。
 
設計PoW的初衷是增加挖礦的難度。其設計理念是防止任何一個實體控制區塊鏈。比方說,如果一個比特幣礦工的計算機系統擁有該網絡一半以上的算力,該礦工就可能做出欺詐行為,比如篡改早已完成的交易。比特幣用戶幾乎沒有追索權,因為礦工都是匿名的。
 
理論上,PoW能讓挖礦保持其分佈式的特徵。然而實際中,由中國幾家芯片廠生產的可以加速挖礦的專用處理器ASIC的出現,已將算力集中在這些礦機而非各種不同的加密貨幣上了。
 
以太坊選擇了一種內存密集型的PoW算法,進一步對抗了能源集中化的現象。這種算法對ASIC來說是不利的,然而面對價值狂飆,計算資源的投入,在過去一年,經歷了爆炸性增長——至少是前一年的25倍。
 
由此產生的能源需求引起了環保人士的強烈反對。與此同時,公用事業部門和社區認為,如果它們迎合加密貨幣礦工的需求,就會面臨財務風險和機會成本——在創造少量就業機會的同時,吞噬了廉價的電力。
 
為礦工提供服務可能要事業部門進行設備升級,但如果加密貨幣價格暴跌,挖礦業務關閉,設備升級就可能徒勞。

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最近的市場動態驗證了它們的擔憂。以太幣自去年一月達到1358美元峰值,就開始下跌,本文發稿時僅為136.37美元,這足以抹掉礦工的邊際利潤,並使一些公司放慢挖礦速度甚至關閉設備。
 
難怪一些公用事業公司會提高礦工的電價,比如總部位於蒙特利爾的魁北克省水電公司。公用事業及其監管機構的這種阻力可能會進一步削弱基於PoW的加密貨幣的安全性。限制電力供應和不斷上漲的能源成本將阻礙新人加入,加速挖礦權的集中化,從而增加共謀和欺詐風險。
 
對Buterin而言,削減能源一開始就是以太坊願景的一部分。其他支持者普遍認同這一點——計劃是將PoW替換為權益證明(PoS)——分佈式共識的替代機制,該機制於2012年首先被用於一個叫Peercoin的加密貨幣。 PoS隨機挑選一名礦工處理交易,而不是數百萬處理器同時處理相同的交易。
 
在PoS機制下,參與者成為“驗證者”而不是礦工,關鍵是要使驗證者保持誠實——PoS通過要求每個驗證者在以太坊中投注以太幣作為抵押來實現這個關鍵要求。投注越多,驗證者就會有越多的機會。但同時也意味著,如果被發現作弊,該驗證者將會遭受很大的損失。
 
按Buterin的說法,轉向PoS將使以太坊交易能量消耗減少99%以上,“PoW是耗費巨額電力的部分,區塊鏈交易本身所需的算力並不是超級密集,主要是驗證數字簽名。這不像某種重型3D矩陣地圖或機器學習那樣,有千兆字節的數據。”
 
削減算力和能源使用不僅僅是一種生態行為,還具有經濟利益。因為這會降低新以太幣的發行速度來鼓勵驗證者——稀釋了一個加密貨幣的額外資金。因為PoS驗證者並沒有消耗所有的能量,我們不必像以前一樣獎勵他們。
 
轉向PoS還可以提高安全性。在PoS下,每個驗證者帳戶的位置是已知的,如果驗證者違反規則,那麼位置銷毀。以太坊基金會的主要PoS開發人員Vlad Zamfir將這比做:比特幣社區獲得了銷毀濫用權力的礦工數據中心的權力。

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不容有誤的轉彎
 
到2015年,PoS的優勢已經說服了以太坊社區作出轉變,而Buterin這樣的領導者預計會在短短的一兩年內實現這一目標。為了明確他們的意圖,以太坊的核心開發人員重新編寫了他們的PoW代碼,以增加挖礦難度——被稱為“Hard Bomb”,它在2016年底開始減緩新交易區塊的建立,預計在此後的幾年內,將讓以太坊挖礦滯不前。
 
然而,這個功能更像是帶有貪睡按鈕的鬧鐘。 2017年10月,當挖礦時間翻倍,達到30秒時,以太坊團隊重置了時鐘,將PoW的世界末日推遲了大約12個月。他們很快就會再次按下貪睡按鈕。
 
並不是說以太坊團隊正在睡覺。 Buterin說,事實上,以太坊的開發者已經消滅了大部分與PoS相關的理論怪獸,但理論解決方案轉變為高效軟件的過程一直比預期的要慢。
 
為2019年帶來希望的是以太坊領導人在2018年6月採用的一項激進的新計劃。在此之前,他們曾預計將PoS併入現有的以太坊區塊鏈。但6月,他們決定與PoW徹底決裂,建立一個完全通過PoS操作的全新區塊鏈。
 
這個雙鏈解決方案被稱為以太坊2.0,為以太坊程序員帶來了不同的體驗,因為如果繼續使用原始鏈,就意味著要將PoS機制編寫成一組複雜的智能合約。
 
在決定轉向以太坊2.0的幾個月後,PoS規範就被草擬了出來,多個團隊已經在使用各種編程語言開發軟件。例如Sigma Prime所在的Hauner團隊正在使用Rust開發其以太坊2.0客戶端,他預計這款應用將在2019年初於測試網絡上運行PoS。
 
Buterin表示,2019年底之前,公共測試網可能會處理另一個擁有多個分支機構的以太網2.0創新,以提高交易吞吐量。但他警告仍可能有“未知因素”潛伏,使這一時間推遲。
 
作為一個價值數十億美元的網絡,以太坊如果推出不穩定或不安全的技術,顯然會損失慘重。要使用以太坊的PoS鏈,以太幣的持有者必須在原有的以太坊鏈上存入一個智能合約,該合約不可逆轉地將以太幣轉移到新的鏈上。任何失誤都可能讓使用以太坊智能合約開發者與項目瀕臨險境。
 
而若延遲太久,以太坊也會遭受巨額損失——一系列資金充足的項目,如Cardano、Dfinity、EOSio和Cosmos等,正在醞釀自己的,基於PoS的區塊鏈。像以太坊一樣,他們試圖證明高安全與高效率並不矛盾。
 
誰最先釋放區塊鏈的應用潛力,誰就可能成為未來的計算平台,而其他競爭者則可能消失。