揭开“挖矿”的面纱：ASIC矿机详解？

此文为清华大学李沛君同学，在《区块链和加密数字货币》课堂上，对所学课程的所思所感所想，与大家分享和交流。此文为学生作品，不代表本中心观点。

摘 要：近年来，随着加密数字货币逐渐兴起，比特币（Bitcoin，BTC）作为加密数字货币的代表，吸引了人们广泛的关注。比特币基于的工作量证明（Proof-of-Work，POW）机制规定了率先算解出复杂数学题的矿工，可以获得记账得权力以及比特币奖励。挖矿设备作为解出这道复杂数学题的源头，需要不断地进行计算。在目前火热的比特币市场中，币价的高涨不仅致使挖矿的参与者越来越多，更是使得各类挖矿设备供不应求、出现了“一机难求”的局面。在本文中，本人结合自身所学专业（集成电路技术与管理），对于比特币挖矿中涉及加密算法以及集成电路相关的矿机设备进行了趣味介绍，并对现有主流矿机产品设备及产业链情况进行了分析。

关键词：比特币；挖矿；矿机设备；ASIC 矿机；区块链

一、比特币挖矿 

1.1 哈希函数与 SHA-256 

哈希函数是一种数学函数，它可以通过计 算将任意形式的数据变成一个固定长度的值。由于其具备单向、防碰撞、稳定等特性，已经被广泛应用于数字签名，文件校验，加密数字货币等领域。

图 1 为使用哈希函数加密的流程图。在图中，最左侧的部分为输入信息，中间部分为使用的哈希函数，最右侧部分为输出的结果值。

图 1 哈希函数加密流程图 

假设我们输入“Dog”这个字符，根据哈希函数进行运算之后会得到一串输出，如“0eb1 29bf……”。同理，当输入“I am a student”字符 串时也可以得到一个输出。当我们将在字符串 后添加一个“.” ，即原字符变为“I am a student.” 时，可以看到此时的输出文本发生了翻天覆地的改变，这说明了我们仅从输出无法倒推输入 的特点。此外，哈希函数还可以处理本文以外 的输入，比如文件等等。

在哈希函数中，最著名的一个算法就是 SHA 系列算法。SHA 系列算法由美国国家安 全局 （NSA） 设计，是美国国家标准与技术研究院（NIST）发布的一系列密码散列函数， 包括 SHA-1、SHA-224、SHA-256 和 SHA-512 等变体。在 SHA 系列算法中，最常用的是 SHA256 算法。SHA-256 算法的特点是对于任意长 度的消息，都输出长度固定为 256 位的结果。

图 2 SHA-256 加密算法

图 2 给出了使用 SHA-256 算法进行加密 的过程。然而在图中却只输出了“982153ce……” 64 位字符。这是因为这个 64 位的字符实际上是用十六进制的形式来表示的，所以实际上输 出还是 256 位（4 位二进制可以由 1 位十六进 制来表示：如二进制中 1100 与十六进制中的 c 等价）。

1.2 什么是挖矿？

表 1 给出了不同加密数字货币及其使用的加密算法，可以看到比特币采用的哈希函数是 密码学中的 SHA-256 算法。下文均以比特币为例进行说明。

表 1 不同加密数字货币及加密算法 

BTC 是由一个一个区块构成的，在每个区块中又可以分为区块头和区块体。区块头中主 要记录了当前区块的基本信息，如图 3 所示， 包含：版本（Version）、时间戳（Timestamp）、 难度（Difficulty）、随机数（Nonce）、当前区块 交易信息哈希值（Merkle root）等信息。区块体 中则主要记录了当前区块交易信息。

 图 3 区块头信息 

比特币的创始人中本聪设计的规则是：谁先找到了符合条件的区块，谁就能够获得比特 币的奖励，那么这个区块应该怎么找呢？实际上，在上述给出的区块头信息中，除了随机数 Nonce 以外，其他的值都是已知的。为此，我们要找的就是随机数 Nonce，使得当前区块头 经过哈希函数处理后得到的哈希值小于规定 的哈希值。由于 SHA-256 算法是单向计算函数 无法反推，没有已知的公式，所以只能通过一 个数一个数去尝试的方法，直到找到正确的值。

此外，中本聪还预料到，随着科学技术的不断发展，人们电脑的计算资源必定越来越大， 为了防止找到区块的过程越来越简单，他在规定哈希值时规定了一个难度系数，让规定的哈希值随着系数的变化而不断变化。

如图 4 所示， 由于难度在分母中，随着难度系数的增加，找到满足条件的区块头哈希值的可能也就越来 越小。为此，我们需要大量计算，去不断尝试。

图 4 区块头哈希值条件公式 

比如在 2022 年 4 月 6 日，由于难度为 28.59T，那么理论上就需要进行（28.59T）乘以 （2 的 32 次方）次哈希运算。简单来说，挖矿的本质就是诸多电脑在一起计算一道数学题， 谁先算出了答案，就相当于挖到了区块从而获 得比特币奖励。由于每台电脑的计算能力是不 一样的，但是执行的都是挖矿的任务，为此， 我们可以用算力（每单位时间可以进行的哈希 运算次数）来衡量一个设备的优劣。

二、挖矿设备 

挖矿设备主要可以分为三类：CPU 设备、 GPU 设备以及 ASIC 设备。这三者之间是一个 不断迭代，不断发展的过程。简而言之，这三者间趋向于设备专业化、挖矿效率越来越高。经常有人无法理解这三者的关系，我们可以做 个类比：假设现在要去解决一道需要大量运算、 非常复杂的数学题，那么 CPU 就是一位没有太 多知识储备的小学生，计算能力很慢、每一步 都需要思考很长时间。GPU 则是一位学习过高 等数学的大学生，具有一定数学基础，运算能力比小学生要快得多。而 ASIC 则可以比做一 位数学系的老教授，阅题无数，计算能力最强， 解题效率最高。

表2给出了 2018 年 1 月挖掘 莱特币时的情况，从每 Watt 哈希的值来看， GPU 设备时 CPU 设备的 1800 倍；ASIC 设备 是 GPU 设备的 188 倍，CPU 设备的 34 万倍。从下面将对这三种设备进行详细介绍。

表 2 2018 年 1 月三种设备数据对比 （来源：UEFI 和 BIOS 探秘）

2.1 CPU 设备

CPU（Central Processing Unit）即中央处理器，是计算机的核心设备，负责信息处理和执 行操作。在比特币刚刚诞生的时候，大家都使 用普通计算机设备（CPU）来挖矿。很少有人 去专门使用一台计算机来挖矿，因为在挖矿过 程中只会使用到部分计算资源，计算机中其他资源（如硬盘、存储等）几乎都处于闲置状态， 非常不划算。但是随着矿工数量的不断增多， 以及挖矿难度系数的不断增加，使用通用计算 机上的 CPU 挖矿效率越来越低。目前使用 CPU 已经很难挖出比特币了。

2.2 GPU 设备 

GPU（Graphics Processing Unit）即图形处理器，最初往往用在显卡中加速图像的渲染， 其出色的计算性能吸引了币圈的注意。随着加密数字货币的火爆，显卡也被拿来挖矿，这也 是导致前一阵显卡缺货、价格暴涨的原因。目 前，GPU 市场主要被 AMD 公司（A 卡）和英伟达（N 卡）垄断。

2.3 ASIC 设备 

ASIC （ Application Specific Integrated Circuit）即专用集成电路，是指应特定用户要 求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成 电路。我们经常听到的 ASIC 矿机指的是里面 所用的芯片是 ASIC 专用芯片。

由于 ASIC 芯片可以针对某一算法来定制 化设计，所以在加密数字货币领域中，如果用 户要挖 BTC，便可以设计针对于 SHA-256 算法的专用 ASIC 芯片来提升运算效率。

图 5 给出了一个较为简单的示例，假如我们现在要在 CPU 和 ASIC 设备上实现 F=A+B*C 的运算， 那么 CPU 设备会通过“先算乘法，再算加法”两 步的方式计算。而专门开发的 ASIC 芯片，可 以单独设计一个乘加操作，一步内同时完成加法和乘法。

图 5 CPU 和 ASIC 设备计算流程

在 ASIC 芯片设计完成之后，还需要经过 集成电路中的验证、综合、测试以及布局布线 等步骤，才能送到代工厂进行流片，而且流片之后还要对芯片进行进一步的封装和整体测 试，在上述工艺全部完成后芯片才会回到定制 者的手中。此时，拿到 ASIC 芯片的矿机厂商 还需要对各种组件进行组装以形成最后的 ASIC 矿机。由于 ASIC 芯片从最初的设计到最后的实物的交接会涉及到繁多的流程，所以 ASIC 矿机的研发周期一般在一年左右甚至更 长时间。由于 ASIC 芯片的矿机可以进行更高 效的运算，大大提升相同时间内的运算次数， 所以目前 ASIC 矿机是效率最高的挖矿方案。

表 3 对比了三种挖矿设备以及相应的特点。对于 CPU 设备，由于其具备通用化的特点，在 挖矿这一特定需求下效率较低。ASIC 设备由于其只能针对某一特定应用来开发，所以在提 升了效率方面很大程度上牺牲了灵活性。GPU 设备则介于两者之间。

表 3 三种挖矿设备总结

3.1 矿机的主要结构 三、矿机结构、指标及产品

我们知道，ASIC 矿机中最主要的在于 ASIC 芯片，但是除了 ASIC 芯片外，还有其他 重要组成部分。下面将对矿机的主要结构进行分析。

（1）芯片：即 ASIC 芯片，是整个 ASIC 矿机中核心的设备。

（2）主板：便于将芯片及各种配件集成在 一起，如图 6 所示。

图 6 主板示意图 

（3）网口：用来进行网络上的信息交换 

（4）风扇：用来散热，矿机在运行时会产生大量的热。

（5）电源：为整台矿机供电。

图 7 是 D3 型号蚂蚁矿机，由于主板集成 在了矿机内部我们无法直接观察到，但是在矿 机的外观上，我们可以观察到网口、开源开关以及风扇等结构。目前，一些最新的矿机内还 添加了水冷装置，以降低设备运转时温度过高的问题。

图 7 蚂蚁矿机 D3

3.2 矿机指标 

（1）算力——每秒可以计算哈希运算的 次数，最基本的单位是哈希每秒（H/s）。此外 还有 KH/s（103H/s）、MH/s（106H/s）、GH/s （109H/s）、TH/s （1012H/s）等单位。目前，GPU 设备的算力一般在 MH/s 量级， 矿机设备的算力一般在 TH/s 量级。

（2）成本——每台矿机购买成本

（3）电费——矿机的耗电情况 

（4）维护——需要定期清理灰尘及对风 扇上油等等 

（5）噪声——虽然矿机设备较小，但是运 行时往往会产生较大的噪声

其中，出于获得利润的角度考虑，大多数矿工主要关注前三项指标。

3.3 矿机产品 

目前，主流的矿机由有蚂蚁矿机、神马矿机、阿瓦隆矿机等。这里我们以比特大陆公司 生产的蚂蚁矿机为例进行介绍。比特大陆是世界上最大的矿机生产商之一，是一家 2013 年 成立的年轻公司，在 2017 年的营业利润为 30 亿美元至 40 亿美元，而同期英伟达的营业利 润为30 亿美元。在炒币最火热时，公司上缴税 额为北京市海淀区之首，其盈利可见一斑。

表 4 给出了 2022 年 4 月比特大陆公司所 售卖的三种矿机的相关指标可以看到，随着矿 机型号的逐渐升级，矿机的能效越来越高，每单位算力所耗费电量越来越低。但是，由于币 价的不断波动，导致了矿机的价格并不稳定。在当前情况下，三种矿机单位算力价格平均在 80 美元/TH 左右。

表 4 2022 年 4 月三种矿机指标 

为了进一步说明币价对矿机价格的影响。表 5 给出了在两个不同时间点（2020 年 3 月与 2022年4月），蚂蚁矿机S19和蚂蚁矿机S19Pro 的相关指标。可以看到这两个时间点上币价剧 烈浮动，由最初的 7000 进行涨至如今的 43000 美元，可见越来越多的用户参与到 BTC 的交易 之中。并且在三种关键的指标中，矿机的价格 随着币价也产生了剧烈的变化，蚂蚁矿机 S19 的售卖价格由最初的 2206 美元升高到了现在 的 7030 美元，翻了 3 倍。而蚂蚁 S19 Pro 的售 卖价格最初的 2957 美元升高到了现在的 9460 美元，也足足翻了三倍。这就导致了单位算力的价格变为了原来的三倍。

表 5 不同时间两种矿机指标 

图 8 给出了支持 SHA-256 的 ASIC 矿机收 益前十名排行。可以看到，目前市面上最好的 矿机仍然是蚂蚁矿机 S19 Pro+Hyd，其算力一骑绝尘高达 198TH/s。并且在收益前十名中， 比特大陆公司的蚂蚁矿机占据了 7 席，神马矿 机占据 2 席，GMO 公司的菠萝矿机占据 1 席。

图 8 ASIC 矿机收益对比 

比特币价格的疯涨、其他数字加密货币价格也处在其历史高点，越来越多的参与者试图 加入挖矿分一杯羹，致使挖矿设备效率最高的矿机供不应求。究根结底，矿工们都想去获得 更高的计算能力，以谋取更高的收益。目前， 因为销量实在过于火爆，比特大陆官网上的多款矿机都采取了“预售”的模式。这些矿机设 备一旦开售则立即售罄，无数的矿工为矿机而 疯狂。2021 年 6 月，嘉楠科技董事长张楠赓曾表示，该公司的矿机预售订单已经排到了一年 之后，可见矿机设备在各类全球加密资产中的重要地位。然而，在矿机显著的计算能力背后， 也存在着诸多的问题。

比如，①矿机的价格易受币价影响：ASIC 矿机的研发周期较长，然而 币价的大幅波动可能会给矿机公司带来巨大 的风险。

②算法技术的不断迭代：由于挖矿竞 争越来越激烈，有可能当前设计的 ASIC 芯片 用了不久就过时了，其他公司推出了效率更高 的 ASIC 矿机。③交货的不透明：买 ASIC 矿 机经常需要提前交钱预定（几乎都是期货制）， 并且需要等很久后才会发货，然而实际上也有 厂商在生产出成品后先自行挖矿。

四、 矿机产业链 

自 2013 年 1 月世界上第一台 ASIC 矿机 ——Avalon 面世后，全球各地的诸多厂商都纷 纷加入矿机的研发中。时至今日，矿机设备已形成一条较为完成的生态链系统，如图 9 所示。

图 9 ASIC 矿机产业链 

（1）芯片、矿机制造业 

矿机的上游是芯片设计、矿机组装等产业， 因为矿机整体上会涉及到 ASIC 芯片的设计与 制造、封装等工艺，并且在 ASIC 芯片流片完 揭开“挖矿”的面纱：ASIC 矿机详解 毕后还要与矿机进行组装操作。目前，市场上 份额最大的是比特大陆公司的矿机，除此以外， 嘉楠耘智（阿瓦隆矿机）、亿邦国际（翼比特矿 机）、比特微（神马矿机）等公司也占有一定的市场份额。

（2）矿池及矿场 

虽然 ASIC 矿机的算力相比于 CPU、GPU 设备已经得到了大大提升，但是由于单个矿工 挖矿的收益并不稳定，挖矿趋势也在由个人模 式向矿池模式逐渐转变，如今挖矿也主要以矿 池方式为主，世界前十大比特币矿池如图 10 所 示。然而，在矿池模式下如何公平的进行奖励的分配仍然值得我们深入讨论（如 PPS、PPLNS、 PPS+等机制），由于这部分内容我已经在上一 次的阅读报告中详细的探讨，故不在此赘述。此外，为了提升挖矿效率，某些矿商手中会囤积数以千、万台计的矿机，由于矿机耗电、噪音情况无法放置在日常环境下，因此还出现了 一些专门负责搭建矿场的公司。

图 10 前十大 BTC 矿池

（3）矿工 

矿工作为矿机的使用者，处于产业链的底层。单个矿工需要自行购买矿机并搭建矿场。

总结 

在本文中，作者基于自身所学专业知识对 加密数字资产的终端——挖矿设备进行了多维度的介绍。首先回顾了比特币挖矿以及相关 加密算法的概念，其次按照设备的发展过程介绍了三种经典的挖矿设备。同时还结合了现有 矿机设备产品，对矿机设备中的内部结构、关键指标进行了分析。最后对现有的矿机设备产业链进行了梳理。

随着各类加密数字货币价格的不断走高， 各类挖矿设备也水涨船高，显卡设备价格翻倍， 矿机设备一机难求，使得这些挖矿设备成为了币圈内最热话题之一。然而，加密数字货币在 为我们带来去中心化和高安全性的同时，寻找 它的过程造成了一定的能源浪费并且带来了 一些问题，如何以一种更优的方式挖矿以及如 何避免矿机带来的相关问题，仍然值得我们继续探索。

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