比特币是一个去中心化的记账货币系统，任何人都可以保存账本，也可以参与记账。为了保证人们手中的账本内容同步，必须保证一个时段（现在大概是八分钟），全网只有一个成功的记账者，其他账本持有者只需将新帐页同步到自己的账本。为鼓励记账，成功记账者将获得新发行的币（目前为25个）以及所记录的各项交易中的全部交易费。为此，记账者们通过解题，基于算力和运气竞争记账权，以获取这些奖励或收入。这就是所谓的比特币挖矿。挖矿竞争需要耗费一定的资源，主要是电力和计算硬件，也可以说是资源竞争。这种竞争和资源消耗保护比特币记账系统不能轻易被破坏。因此，挖矿系统关系到比特币系统的记账、新币发行和安全保障，是重要的基础设施，其相关的经济问题对于比特币的发展具有重要意义，有必要加以讨论。
一、挖矿盈亏与竞争优势
目前，比特币挖矿最受关注的经济问题是挖矿投资及其回报。挖矿投资的基本方式是研发、生产或购买挖矿设备（矿机），矿机通过解题计算竞争记账权，获得新币。总体上，某矿工挖矿成功的概率与其矿机的计算能力（简称算力）占全网总算力的比例一致。如果全网算力100P，某矿工运行1P算力的矿机，则每次都将有1%的概率成功记账。通过加入矿池挖矿的方式，这个概率可以转化为较为稳定的收入份额，即该矿工平均每8分钟可获得1%的新币，也就是25*1%=0.25个币。如果这8分钟耗费的电力和分摊的矿机折旧等成本总计折合0.2个比特币，那么该矿工就能够实现（0.25-0.2）/0.2 = 25%的毛收益率。
在预期能够盈利的情况下，有两种变化会造成挖矿亏损：一是全网算力上涨导致新币分享减少。上例中，如果全网算力突然涨至200P，那么1P算力仅能获得0.5%的新币，即每8分钟0.125个，收益率降为（0.125-0.2）/0.2= 37.5%；二是币价下跌。由于法币仍然是计价货币，挖矿投入均以法币定价，当币价下跌时新币收入的法币价值将下跌，导致亏损。如果每8分钟分摊挖矿成本为400元，获得新币0.25个，在币价为2000元时，收益率为（0.25*2000 400）/400 = 25%。如果币价下降到1000元，收益率变为（0.25*1000 400）/400 = -37.5%。
进一步，挖矿的成本可以分为固定成本和流动成本。固定成本是无论是否开机都必须付出的成本，主要是矿机购置费用、场地租金等。流动成本指的是矿机开动后投入的成本，主要是电费。当挖矿收入不足以抵偿总成本时，挖矿开始亏损；当挖矿收入不足以抵偿流动成本时，应停止挖矿。比如，某矿场运行每天电费1000元，矿机折旧和场地租金合计每天500元，当每天挖矿收益低于1500元时经营亏损，但只要收益仍大于1000元则仍应生产，因为扣除1000元电费后仍有5余款弥补已经支出的矿机款和场地租金。当每天挖矿收益不足1000元时，连电费都不足以抵偿，就应当关机了。
比特币是人人可以参与的货币体系，人人皆可挖矿。理想的充分竞争状态下，利润将驱使新的矿工或矿机的加入，而新币总量不变，则收益率持续下降，直至收益率为0。但实际上，挖矿竞争中并非人人机会平等，总有一些人有优势以单位成本更低的算力挖矿，从而比他人有更多盈利，竞争终将淘汰处于劣势的矿工。
在早期，比特币鲜为人知，率先了解和参与的矿工就获得很高回报，这是先发优势。随着比特币的兴起，价格高涨，挖矿投资者蜂拥而至，这种信息优势逐渐消失。最终获得竞争优势的，一部分是拥有挖矿芯片、矿机研发和生产技术优势的投资者，一部分是拥有较低电费资源的投资者。但是这些优势并不是永久的，因为挖矿收益会促使竞争者追赶芯片与矿机技术，寻找更加低廉的电力资源。
二、挖矿的价格风险及其规避
在比特币发展初期，挖矿盈亏很大程度上受价格波动的支配，上例中原本盈利25%的挖矿投资，随着比特币价格剧跌100%，将亏损37.5%，现实中更糟糕的情况并不少见。尽管价格骤增的情况也时常出现，但带来的无非是惊喜，而暴跌则可能使投资者血本无归。由于超过20%以上的利润率波动，即使有技术优势和成本优势的挖矿投资者也有不少惨痛的失败。
实践中逐渐形成了一些规避价格波动风险的经济手段。主要有：
1、比特币期货：投资者在前期做空比特币，对冲可能的价格下跌带来的新币收入损失。但由于当前期货市场欠规范，爆仓风险大，长期产品深度不够，此方法实用性不强；
2、比特币借贷：挖矿投资之前，按照预期挖矿比特币收入借入比特币，售出换取法币，挖矿获得新币后归还比特币。这规避了价格下跌风险，但若遇到投资后价格大涨，同时算力大增，不能获得预期新币数量，又需要以高价购币还贷，将产生较大亏损；
3、入股挖矿：筹集股份成立挖矿项目，以挖矿所得比特币收益分红。这样虽然也面临价格和算力快速增长带来的收益下降风险，但风险得到了分摊；
4、算力预售：即组织者在投资中将将要形成的算力进行预售，并在算力形成后代为管理日常挖矿。算力购买者完全自担挖矿风险，而组织者则获得其组织能力报酬、技术优势租金和劳务报酬，理论上可以实现零风险，实现投资和经营的分工、风险收益与劳动报酬的分离；
5、挖矿诈骗：由于信息不对称，并且比特币经济活动缺乏法律的有效保护，在入股挖矿和算力预售模式中，投资者很难有效地监控项目组织者或算力预售者的经营细节，容易滋生欺诈行为，形成新的道德风险。这种风险的存在，也使得一些诚实的项目组织者和算力预售者在真实亏损时受到怀疑和指责。此外，还可能产生一种逆向选择：欺诈者愿意给出诚实者无法给出的高收益许诺，从而将诚实者从市场上挤出。
因此，当前比特币挖矿与炒币一样是高风险的，不仅面临竞争压力、币价波动风险，还有法律缺位和经营模式不成熟带来的制度风险。
三、比特币价格决定挖矿成本
预测币价是控制挖矿投资风险的重要环节。2014年熊市前期中曾经流传一种观点：比特币价格不可能跌到挖矿成本以下。这个观点现在已经被证明是错误的，很多人通过挖矿投资和炒币投资的损失认识了这一点。
这种观点可能来源于对黄金价格的参照。在短期内，当黄金价格下跌接近成本时，如果黄金生产较为集中，形成垄断，那么生产者可以联合限制产量，减少供给，以稳定价格。如果未形成垄断，当市场价格低于成本时，就会有技术水平低、单位成本高的矿场倒闭，从而产量减少，也会减少供给，支撑价格止跌。
然而，比特币发行与黄金生产最大的区别在于，比特币是按即定数量产生新币的，并不会因矿场的垄断或者倒闭而减少新币供给，因此，黄金生产成本对价格的支撑原理，在比特币毫无借鉴可言。
即使是黄金的价格，中长期看，根本的决定仍然在于需求方面，如果需求持续下降，黄金价格就会持续下跌，技术差成本高的矿场会被陆续挤出，行业平均成本下降，直至存活矿场恢复基本利润。相反，如果需求增长，价格回升，又会有一些成本高的矿场投产，行业平均成本上升。在这个过程中，是需求驱动的价格变化决定了成本的变化，而非成本支撑价格。
比特币的价格根本上仍然取决于需求，前期囤币和投机需求强烈，但长期看，价格的基础是支付应用需求（参见《比特币的需求与价格》）。供给方面，比特币存量的增长是即定的，但交易平台、借贷平台、期货等比特币金融的发展，能够提高现有比特币的流通速度，吸引囤币进入市场，从而在存量不变的情况下，增加市场上的比特币供给，影响价格（参见《比特币金融、货币扩张与市场价格》）。需求和市场供给两方面决定了比特币的市场价格，进而决定挖矿成本。
四、挖矿决策滞后于价格变化
现实中挖矿行为对比特币价格的反应会有滞后，价格上涨一段时间后，算力才会上涨推动成本提高；价格下降一段时间后算力和成本才会下降。
滞后主要因为：
1）挖矿决策滞后。只有当投资者确定决策依据的价格的稳定的，才会做出调整投资和算力的决策；
2）转换需要成本。挖矿专业化之后，启动挖矿和停止挖矿都要处理一系列问题，耗费一定的精力和成本，价格变化较小时将不会转换；
3）建设需要时间。即使决定新增算力，建设新矿场、研发芯片与矿机，都需要较长时间；
4）价格预期效应。挖矿决策不仅依据当期价格，还要依据对价格的预期，惯性预期较为常见，强化了滞后效果，比如当价格突然走入跌势，算力仍按原来的涨势预期增长；
5）市场份额的争夺和沉没成本维持算力。比特币挖矿的规模效益越来越明显，前期大规模持续投入对后期算力份额和竞争优势具有决定性作用，因此即使亏损，大的矿场也会尽可能保持算力。
这些原因使得算力滞后于价格的变化，也使得算力上涨迅速，但下降滞缓。因此，在价格和算力的历史关系上可以看到，价格快速上涨后，价格回落，而算力仍持续增长，并且算力下降的情况较少。当然，这也受到比特币应用持续发展和对比特币的中长期乐观预期的支撑。
挖矿竞争既对市场价格做出反应，又是挖矿投资者之间的非合作博弈。即使认识到算力增长和挖矿成本变化滞后于价格变化，滞缓的程度仍然难以预测，使挖矿投资的风险进一步加大。
五、挖矿对价格的短期影响
总体上，市场价格决定挖矿投入决策。但是，在不同条件下，挖矿行为对短期的价格波动也会产生影响。
比特币挖矿的动机可分为两类，一类是看好比特币的长期发展，倾向于囤币，可以称为囤币挖矿，另一类则以法币利润为目标，套利挖矿。囤币挖矿比例较高时，新币投放市场较少，有助于短期价格的上涨；套利挖矿较高时，新币更多卖出套现，推动短期价格下降。
现实中，多数挖矿行为同时存在两种动机，既看好比特币的长期发展，又希望短期获得法币利润。而且，在不同的竞争状况和成本压力下，两种动机之间也会相互转换。当比特币价格较高，挖矿收益较高，且增长趋势明显时，囤币比例上升，推动价格上涨；当比特币价格飚涨至关键价位，回调特征明显时，为了套利，也为了变现后增加算力，保持竞争优势，会有大量挖矿囤币迅速进入市场，抑制价格上涨，甚至扭转趋势。
当比特币价格较低，挖矿收益较低，且形成价格下行趋势时，新币抛售套现较多，加速价格下行。尤其是当挖矿接近亏损时，矿工需要支付电费等费用，新币被迫抛售，强化价格下跌趋势，而不是通常认为的挖矿成本会支撑价格。当价格极低时，亏损矿机退出竞争，难度增速低于预期或者下降，存活矿机成本压力减轻，抛售减少，对价格下行的压力才会减轻。
长期看，挖矿竞争将使挖矿成本接近于挖矿收益成为常态，新币将主要进入市场换回法币以维持矿场运行，囤币比例迅速下降，多数新币将进入市场，压低价格。因此，按目前1600元的价格水平，每天进入市场的新币能够消化价值近700万元的比特币购买需求，这是在比特币应用发展、需求增长情况下抑制价格上涨的主要力量。但这不是由挖矿成本决定的，而是由新币发行数量决定的。
除了以上影响，当挖矿者为了规避价格风险，采取比特币借贷、入股挖矿、算力预售等方式投资挖矿时，往往以比特币筹资并先行售出，会推动价格下跌。如果挖矿收益按预期实现，这只是将未来的新币销售提前，对价格趋势影响不大。但如果竞争导致算力超预期上涨，那么前期筹资售出的比特币将多于新币，不仅投资者受到损失，也会加强价格下降趋势。这并没有改变新币数量，而是将原本不进入市场的比特币卖掉了。
六、挖矿耗费与系统算力的维持成本
进入常态挖矿，竞争会使挖矿总成本接近于新币市值。当比特币价格为1600元时，每8分钟产生25个新币，每天全球比特币挖矿消耗总值接近25币＊(24小时*60分钟/8分钟)*1600元=7,200,000元。按照每21600次记账后新币数量减半的规则，每3.5年产量和消耗将减半。如果币价保持在2000元，到2030年，每天挖矿消耗将下降到280,000元，2041年下降到35,000元，2080年仅为17元。
当然币价不会不变，如果比特币失败，价格为0，挖矿终止，如果比特币取代法币，价格将难以估量。如果比特币系统能够发展到2041年，比特币的需求扩大绝不止百倍，按币价涨50倍计，约为100,000元每币。此时虽然每8分钟记账仅产生0.1个新币，但每天新币价值仍达到0.8币＊(24小时*60分钟/8分钟)*100,000元=14,400,000元。也就是说，仍将有每天一千多万元的耗费支撑系统算力，足以保障系统的安全。
长期看，如2080年，新币每年才产出3个，挖矿收入不再依赖新币，转而依靠交易费。系统挖矿的总耗费将取决于交易费的总规模。2080年的交易费能否支撑必要的挖矿算力呢？假定交易费为交易额的1/10000，按照目前每天700万元的新币价值，要保证同等规模资金消耗支撑的算力，全球比特币总交易额需要在每天700亿元左右。目前，Visa的日交易量约为1000亿元左右。如果比特币活到2080年，超越Visa不成问题。并且，2080年的世界总交易额是现在的许多倍，若以十倍计，那么即使交易费比例降到1/100000也能够支撑必要的挖矿规模和系统算力。
七、挖矿的经济伦理：必要的浪费
比特币挖矿每天消耗近700万元的资源，产生的算力用于验证和记录交易的比例极小，绝大部分是为了争夺记账权做的解题游戏。不少人指责这是毫无必要的巨大浪费，并设计了一些替代的方案，比如将算力用于科学项目的计算，或者取消靠计算竞争记账权，改为按照货币持有数量分配记账权。
比特币所设计的挖矿方式被称为工作量证明机制（Proof of Work，PoW），即通过有难度、耗成本、花时间的计算工作证明记账者是认真负责的，因为有错漏的记账将得不到其他人的承认，也就不能获得挖矿奖励，从而工作量就白费了。记账计算尽管具有一定的偶然性，但总体上算力越大，计算成功夺得记账权和记账奖励的可能性越大。这样，记账竞争会推动算力的上涨。总算力越大，攻击比特币系统的难度也就越大，比特币系统也就更安全，当然，挖矿总消耗也就越大。可以说，在一定的计算机生产技术下，比特币记账系统的安全性是跟挖矿消耗成比例的。不论挖矿收入来自新币，还是来自交易费，问题的本质没有区别，竞争充分的情况下，每天700万元的新币或交易费都会消耗相近规模的资源，支撑起同等规模的系统总算力。
换一种不空耗算力的方法行不行呢？最简单的方式是从众多记账者中随机选择一位成功记账者。这样记账几乎无成本。但是，这样大家会不愿意投入更多、不愿意认真验证交易、不愿意转发交易、不愿意同步和保存庞大的账本（区块链）。这样，系统总算力就很小，记账的错漏也很多，不仅攻击起来容易，自身也容易分叉（同时存在几个不同的账本），交易的可靠性无从谈起。
那么能不能将这些算力用在有意义的特定计算中呢？现实中有这样的尝试，比如用于攻克癌症的研究。这样似乎使系统更有价值。但有价值就会牵涉人的判断，为什么用于癌症研究，不用于页岩油研究，或者中国特色社会主义研究呢？谁来决定研究什么呢？如何制定判别计算是否有效的标准呢？而且，只要是特定研究，就会有特定的人具有持久的知识优势，记账权的争夺就会不公平，处于劣势的算力就会退出，系统安全性就难以持续加强。这类尝试目前看并不成功。
目前争议最大的是股权证明机制（Proof of Stock，PoS）。按PoS设计的虚拟币系统中，在线持有货币越多，夺得记账权的机会越大，从而获得的挖矿收入越多。这样，持有一定数量货币的人就会有动力认真地去竞争记账。对系统发起攻击的人需要拥有大量的货币，而攻击又会导致系统的紊乱和货币贬值，攻击者得不偿失。这样就保障了系统的安全性。
比特币与股权证明货币（或PoW与PoS）的争论是近两年虚拟货币领域最广泛持久的争论之一。从安全性看，比特币系统的安全保障依靠分散账本（区块链）带来的去中心化民主和物质资源投入支撑的巨大算力两根支柱；股权证明货币主要依赖前者。如果去中心化民主足够安全，仅以此为基础也未尝不可，只是还有待验证。
总体上，比特币挖矿的耗费是其系统安全所必须的，虽然简单粗暴，但多年运行情况看是有效的。由于比特币挖矿的竞争优势主要体现在计算速度和能耗上。所以，挖矿竞争会推动计算技术的进步，这在信息化的时代是重要的社会贡献，使得挖矿耗费变得更有意义。
八、比特币挖矿的经济伦理：可靠的公平
挖矿方式的PoW与PoS的争论中涉及到另一个比特币挖矿的经济伦理问题哪种挖矿方式更加公平？
在比特币挖矿脱离电脑挖矿，进入专业矿机挖矿之后，挖矿越来越趋于专业化，大的矿场取代了以前的分散挖矿，而矿场进一步向矿池集中，形成占到全部算力20%、30%，甚至一度接近50%算力的大矿池。因此，批评者认为比特币挖矿收入越来越向少数人集中，因此是不公平的。按照前文分析，挖矿竞争，尤其是大矿场的兴起并没有使收入越来越向少数人集中，而是新币收入越来越接近成本，这使得由于信息不对称带来的挖矿暴利时期更早结束。2014年年末和2015年年初国内外出现的矿场倒闭等事件，进一步证明了这一点。
实际上，在挖矿收入的公平性上，比特币挖矿更象传统的黄金挖矿，或者说更想绝大多数现实中的商品生产：新产品上市的时候，有信息优势的人在竞争不充分的情况下获得暴利，但只要生产对每个人是开放的，那么很快就会进入激烈的市场竞争阶段，获取收入的人必须付出越来越高的成本，最终，利润趋向于各行业的平均利润。这是目前所知最公平的利润获取方式。从2013年下半年专业挖矿兴起，到2015年初大批矿场倒闭，比特币挖矿可能是市场经济历史上从垄断进入竞争最快的新兴产业了。因此，比特币的PoW模式在新币分配的公平性上无可指摘。
比特币支持者对PoS模式的公平性也提出了质疑。按照PoS模式，新币获取机会按照持有货币的数量进行分配，从而持有更多股权证明货币的人，几乎无需付出成本，就可以获得越来越多的新币。而持有量较少的人获得的回报极少，甚至不足以抵偿打开挖矿软件运行耗费的精力、电力和设备损耗。但如果不挖矿，就必须承受新币发行导致的持有货币价值缩水。这显然是不公平的，类似于现实中凭借既有的土地和资本，不再付诸新的努力即可获得源源不断的地租和利息，这种不公平受到了历史久远的广泛批评。
PoS模式对新入者的不公平，会对系统的扩展有一定的阻碍。不过，务实地看，如果股权证明货币在应用中带来的好处很大，远远超出新入者在分配中的相对损失，那么这个劣势也不是致命的。当前的关键是，作为货币，持有和应用的范围越大，持有和使用就越安全、便利和高效，如果不能在支付技术上形成对比特币重大超越，各种竞争币很难超越比特币，这是后发劣势。
九、总结
比特币固定的发行节奏导致挖矿成本主要取决于价格，而非支撑价格。随着挖矿竞争日益激烈，算力和成本的上涨使利润空间迅速缩小，成本压力迫使大部分新币进入市场变现，持久地抑制币价的上涨。但这实际上是新币发行机制的结果，而非挖矿成本高低所导致。只有在融币挖矿决策失败，挖矿筹资售出的比特币超出实际的新币收入时，才会导致额外的币价下跌动力。
充分竞争条件下，比特币挖矿的资源耗费价值将接近新币的市场价值，目前每天接近700万元，支撑了约350P的算力，成为比特币系统安全的重要保障。在未来新币发行数量不断减半至忽略不计时，如果比特币系统仍然存在，那么交易规模产生的交易费将足以支撑必要的系统算力。
如此巨大的挖矿耗费是最简单粗暴地激励挖矿行为和提高算力，从而保证比特币记账系统安全的必要代价，也会直接激励计算机算力相关软硬件的技术进步。而这种新币发行方式，使得比特币挖矿成本接近挖矿收入，利润趋向社会平均利润，符合传统市场经济的基本公平观念，更容易融入现有的市场机制。
从以上分析看，比特币挖矿系统在理论上可能不是最优的，但在实践中已经融入了现有市场经济框架，实现了基本的可行性。需要强调的是，当前比特币挖矿投资的风险绝不低于囤币和炒币，挖矿投资务必谨慎。
资助作者：1BHJCt2Ao3FtNKtk2vqATP8kyac9NerFpC
刘昌用 2015年4月9日
http://www.8btc.com/economic-issues-of-bitcoin-mining
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