作者：小派克
编辑：郝方舟
熊市持续压缩着加密货币市场各环节的利润空间，扮演加密货币生产者角色的矿业也不例外。以占加密货币半壁江山的比特币为例，其2019年2月的整体挖矿收入仅为1.90亿美元，比年初下降10%。
即便如此，企业化运作的矿业公司仍然保持着高盈利。据Diar research，“大矿工”在2018年10月的利润率维持在59%。与“大矿工”形成对比的是，“个人矿工”从2018年9月开始便“无利可挖”。
从上图，我们发现比特币挖矿的规模效应已逐渐显现：有雄厚资源的大矿工拥有更强的盈利能力，处在盈亏平衡边缘的小矿工或是撤出或是抱团。
在现象背后，比特币经济体系有自己的周期性。随大量矿工因无利可图退场，全网算力下降，计算难度减小，挖矿成本变低，盈利空间增大，继而又吸引新的算力入场……如此循环，直至挖出最后一聪（比特币最小单位，1聪=0.00000001BTC）比特币。
挖矿的本质是什么？产业链上各环节是如何传递价值的？它们遵循着什么样的核心逻辑？影响挖矿收益的关键因素有哪些？市场正处于哪个阶段？比特币还能挖多久？
这些问题对于仍想进入和依然坚守在矿业的人来说至关重要。Odaily星球日报研究院将在本文中试图回答这些偏宏观的问题，并在后续的报告中聚焦到矿业的更多细节，欢迎持续关注，并与我们的分析师小派克（lmm662381）交流。pdf版报告可通过Odaily星球日报研究院网站下载。
目录
一、比特币挖矿的基本原理
二、影响比特币挖矿的三大因素
2.1 算力
2.2 算力难度
2.3 比特币价格
2.4 算力、算力难度、价格之间的反馈周期
三、比特币挖矿主要成本——电力价格
3.1 电力产业关系与采购渠道
3.2 最低电价浮动空间
四、比特币挖矿硬件基础——矿机
4.1 矿工视角：矿机性价比
4.2 厂商视角：矿机的定价法则
五、当前主流挖矿方式——矿池
5.1 矿池的运行规则
5.2 挖矿收益结算模式
5.3 矿池的分类
5.4 矿池算力分布
六、比特币产业链概览
七、比特币挖矿所处的阶段
八、参考及感谢
比特币是一个点对点的电子现金系统，每笔交易记录分布存储于整个网络中，而非传统的唯一的中央数据库。
为保证所有参与节点拥有一致的交易记录，比特币系统规定竞争记账。具体规则如下：
1. 竞争者通过SHA-256运算，在一堆随机数中找到符合要求的数值。谁的算力大、运算速度快，谁就有更大概率先找出“答案”。
2. 比特币系统平均每10分钟将交易数据分组（即打包成一个块）。先找到“答案”的竞争者获得记账权，同时获得比特币作为奖励。系统会根据全网算力调整挖矿难度（有一定滞后性），保证平均每10分钟出一个块。
3. 挖矿难度每2016个区块（约14天）调整一次。区块高度为2016整数倍的区块，即系统调整挖矿难度时所对应的区块。
4. 比特币挖矿的收入包括区块奖励和交易手续费。区块奖励最初为50个BTC，系统规定，每21万个区块（约4年），出块奖励减少一半，直到少至比特币最小单位1聪。因此，2012年后区块奖励调整为25个BTC，2016年为12.5个，下次减半将在2020年。
5. 交易手续费（也称矿工费），由转账者支付给矿工，用于奖励后者提供足够的算力以保证网络系统安全。交易手续费一般在当天区块奖励的0.5%-2%之间浮动。由于区块奖励每4年减半，交易手续费将逐渐成为矿工的主要收入。比特币预计在2140年被全部挖出，届时挖矿收益等于交易手续费。
6. 每笔交易的手续费取决于该笔交易的大小（多以千字节Kbytes为单位）。当网络拥堵时，更多人在同一时段提交记账需求，用户可通过提高手续费来激励矿工优先打包，以缩短交易确认时间。比如，2017年末比特币交易量暴涨，平均手续费一度高达40美元/笔，矿工手续费高达当月区块奖励的30%。
7. 交易大小同时也跟转入转出的数额大小有关，即交易数额越大，手续费/千字节越高。
算力、算力难度和比特币价格是影响挖矿成本及收入的关键因素。关注这三个指标，并理解它们之间的关系，将有助于判断市场趋势。
2.1 算力
算力（Hashrate），指每秒计算哈希值的次数，用于衡量矿工的计算能力。算力越高，挖到区块的概率越大。
比较直观的是，算力的常用单位，已从最初的每秒哈希值（H/s）变成 KH/s （千Hash/秒）、MH / s （百万hash/秒）、GH/s（十亿hash/秒）、TH/s (万亿hash）、PH/s (千万亿hash/s)、EH/s (百亿亿hash/s)。
目前，比特币的全网算力已达47EH/s 。这意味着对采矿硬件的算力和电力支出要求较高。比特币网络算力一旦超过500EH/s ，将带领硬件的处理能力迈入zetahash时代。
总的来说，挖矿方式和硬件设备的迭代推动了比特币网络算力增长和挖矿成本的攀升，算力增长和价格的上涨又倒逼前者不断进化。回顾历史，比特币挖矿经历了CPU – GPU – FPGA – ASIC – 矿池的发展过程。
ASIC矿机芯片是矿机的核心，也是整台设备的关键。ASIC矿机芯片的出现使ASIC矿机开始大面积应用，除了最初的蝴蝶实验室之外，出现十几家不同的公司提供定制的ASIC矿机，同时出现矿机托管模式。如今全球算力的增长可以说直接归功于ASIC矿机的应用。
2.2 算力难度
比特币挖矿算力难度（Difficulty），是对挖矿困难程度的度量，挖矿难度越大，挖出区块就越困难。比特币系统通过调整区块头中的难度目标值（Target，由bits字段的值计算得出）来控制挖出区块所需平均时间。
Target是个长度为256比特的字符串，换句话说Target约有2^256种可能的取值。
调整Difficulty就是调整Target在整个输出空间的占比, Difficulty越高，Target越小。举例说明：挖矿就如射击，所有射出去的子弹都会落在一个很大的靶子上。Target就是这个大靶子上圈出一个范围，范围越小，被射中的难度就越高。调节Target，就是调节这个圈在整个靶子上的占比。
另外，难度目标上调和下调的范围都有4倍的限制。举例说明：假设上一个难度目标调整周期内的2016个区块，由于算力暴涨，只用7天就全部挖出来了，通过难度目标调整，将难度目标缩小一倍，可以将平均出块时间维持在10分钟左右，但如果算力暴涨，前2016个区块全部挖出只用了1天，那么难度目标最小只能调整为原来的四分之一。
2.3 比特币价格
很多人将比特币比作数字黄金，除了它有限的供应量类似黄金外，其价格也同黄金一样受供需关系的影响。
我们认为，算力大小和挖矿难度决定了比特币的供应部分，而对比特币的认知、受欢迎程度、各国政策等决定了比特币的需求部分。
如果需求部分高且供应不满足，则会导致比特币价格飙升，由于比特币数量有限，因此供应量有限，在大众看好比特币的前提下，价格会持续上涨。但具体影响比特币价格的因素主要有以下几点：
（1）社区共识
信任因素在加密货币环境中起着至关重要的作用，比特币社区开发者的共识是导致价格波动的重要影响因素。可以通过关注、研究比特币论坛来与社区的想法保持同步，这有助于了解价格走向。
（2）技术更新
技术创新也会影响比特币的价格。比如隔离见证、闪电网络方案的推行将提高比特币系统的转账效率。
（3）各国政策的政策
因为比特币不受任何政府的监管，因此反而成为了政府努力监管的对象。只要有关于数字货币监管的官方声明，比特币价格就会波动。例如，日本自2017年4月起，加密货币被视为合法付款，有几家商店开始接受比特币，因此引发了比特币价格上涨。
（4）“巨鲸”活动
有时价格波动的背后是因为有资金充足的持有者，又称巨鲸。这些巨鲸规模大、数量小，他们的行动会影响比特币价格的涨跌，但可以通过跟踪他们的行动来做预防措施。
（5）安全事件
如黑客入侵交易所会打击用户对加密货币的信心，导致价格暴跌。
（6）舆论影响
大众传媒对加密行业的态度影响着潜在投资者和商家。比如有关比特币的炒作有可能导致价格飙升，而负面新闻则会导致价格下降。
2.4 算力、算力难度、价格之间的反馈周期
因为比特币系统的自我调节机制和市场经济规律，算力、算力难度和价格之间存在一个反馈周期。
在基础设施保持不变的前提下，比特币价格越高，挖矿的吸引力越强，全网算力增多，矿工竞争愈加激烈，挖矿难度变高（系统会在下一个周期调整难度，具有一定滞后性），同时成本变高，挖矿变得不再有利可图，小矿工退出或被兼并。
随之全网算力下降，挖矿难度也跟着下降（再加上系统本身根据上个周期的难度进行调整的增益效果），此时已退出市场的矿工有抛售倾向，比特币价格随之下降（这反而有利于留下的大矿工）。由于难度变小，挖矿利润增多，挖矿的吸引力重新变大，新矿工加入，竞争回归激烈，以此循环。
从图9可以看出，算力曲线和难度曲线的走势基本一致，算力越大难度越大。2018年比特币价格下跌，但是加入挖矿的算力增多，导致难度增多。
我们可以借助“算力难度/价格”这一指标，来比较“收入因素”和“成本因素”变动的幅度，进而判断挖矿的盈利空间。
图9中，当2018年价格下降、算力和难度都增长时，“难度/价格”曲线呈上升趋势，2018年12月有部分算力在高成本的逼迫下撤出，全网算力下降，挖矿难度下降，比特币价格也下降。反而使“难度/价格”曲线下降，挖矿利润增长。
长期来看，“难度/价格“曲线整体走高。但短期来看（图10），2017年这条线整体下降，说明2017年价格增长速度超过算力难度的增长速度，迎来矿工繁荣。而2018年走势掉头向上，算力难度增长速度远超比特币价格增长速度，迎来矿工衰退。值得注意的是，在2018年年初之前，这个系数总是低于0.5。从2018年9月份开始，系数开始大于1，直到12月到达顶峰，迎来矿业最糟糕的时刻，即矿难。从2018年12月到2019年年末，此系数下降，比特币挖矿重新变得有有利可图，矿工重新加入挖矿。
比特币采矿需要输出大量的算力，而算力需要机器和电力来运维，因此我们可以把比特币看做一种由电力能源转换成的数字产品。因此，机器和电力价格实际上构成比特币开采的主要成本，当然除此之外，还有基建等固定成本。
其中基建等固定成本，分摊到每台机器上面大概每台矿机700元-800元（包括把高压电变为低压电、矿机冷却、除尘、矿机电源、矿机集装箱、人力等）；矿机则属于一次性投入，只要找到市场上“性价比”最高矿机就行（下一部分详述）；而电力价格是最大的可变成本，也因此成为影响比特币采矿的主要因素。
根据彭博 BNEF（ Bitcoin in Energy Crisis as China Cracks Down, Lu et al., 10 Jan 2018） 数据，比特币78%的算力来自中国，因此中国电价的浮动空间、采购渠道和相关政策是比特币矿工需要重点关注的对象。
3.1 电力产业关系与采购渠道
从生产流程角度将电力生产分为五个环节，但是从整个电力行业来说，普遍认为电力系统分为四个环节，即发、输、配、售。发电就是由发电厂发出电能（发电厂有火电、水电、风电、太阳能及核电，火电还分为燃气、燃煤、生物质、垃圾焚烧等），输电是长距离的输送电力（主要应用是交直流特高压技术），配电是直接与用户相连并向用户分配电能的环节，售电顾名思义就是你要买电我把电卖给你。
这四个环节构成了庞大的电力系统，发电环节在发电厂中完成，其余三个环节都需要依托电网，最终将电能送到用户手中。
电力采购渠道包括，发电厂、电网公司、售电公司、以及售电中介。
需要注意的是，发电场直供电交易的对象是年用电量1000万千瓦时的大用户和售电公司及电网。而售电公司交易的对象是一千万以下的用户和不自主选择发电企业的大用户。两者的用户不同，竞价也有根本区别。
以蚂蚁S9j型号的矿机粗略计算，年度用电1000万千瓦时需要850台矿机规模的矿场，因此矿场规模大于850台以上的矿场理论上都能从发电厂直接购电。但是直接购电竞争激烈且涉及政府关系，因此政府资源是非常重要的因素。
3.2 最低电价浮动空间
对于矿工来说，最关心的问题莫过于如何找到最便宜的电价。知道最低电价的浮动空间就可以知道挖矿利润空间。
电力价格因不同的发电模式而有很大差异，但中国电力主要是煤炭发电和水力发电，其中煤电是主要的电力输出，2018年市场交易电量10459亿千瓦时，占市场总销量76%，水电2056亿千瓦时，占市场总销量15%。且水电主要在丰水期（每年3、4月开始—8、9月结束）发电，输出电力小且不持续，但因为发电成本低因而更便宜。
发电产业又因涉及多个环节，因而形成不同的电价，如上网电价、输电电价、配电电价、售电电价。其中上网电价是指电网购买发电厂的电力价格；输电电价和配电电价是指运输到各大变电站的时候因为损耗而增加了单价的电价；售电电价就是指从售电公司买到的电力价格。上网电价<销售电价，所以矿工主要关注的是上网电价。
在比特币挖矿产业链中，大多数矿工会将矿机托管在大矿工（矿场主）那里，因此除了上网电价（矿工一般称裸电价格，指矿场主和电厂签订的合同电价）之外，还有托管电价（矿工把矿机托管在矿场，和矿场主签订的合同电价）。下面我们将分析上网电价和托管电价的最低电价浮动空间。
（注：关于电力价格的定价政策主要依据《国家发展改革委关于印发电价改革实施办法的通知》文件）
（1）上网电价：
据公开资料，煤电的上网电价一般在每度0.27元-0.47元，水电的上网电价一般在0.2元-0.4元。
另外，就火电（内蒙、新疆、山西、陕西）而言，还有一种“坑口电”，即煤炭从矿场采出后直接投入到旁边的电场进行发电，坑口电价边际成本低，上网电价相当于水电价格。经调查，坑口电的成本电价一般在每度0.16元-0.18元，上网电价在每度0.26元-0.28元。
坑口电站主要分布在煤炭资源丰富的地区，如内蒙古、山西。以内蒙为例，蒙东地区在2014年开始组织电力直接交易，目前大用户准入条件要求电压等级在10千伏以上，年用电量门槛为1亿千瓦时，交易已相对成熟，加上政府给予补贴丰厚，可以0.06元的电价，且不对售电公司开放。
仍以蚂蚁S9j型号矿机粗略计算，9000台矿机以上的规模才能在蒙东地区的坑口发电站旁边建厂，除此之外还需要相应的政府资源。
蒙西地区已开展电力交易近8年， 2017年大用户准入条件要求用户年用电量1000万千瓦时以上，且均由政府出面达成用户与发电厂间撮合交易，同样未放开售电公司进入市场。仍以蚂蚁S9j型号矿机粗略计算，大约850台矿机以上规模的矿场就能在蒙西地区建厂，政府资源同样成为核心竞争力。
综合以上情况，矿场能拿到的火电最低价格浮动空间为每度0.06元-0.47元。
而水电站成本电价为每度点0.04-0.09元，而部分国电不收的水电销售价格可低至每度0.12元，即水电最低价格浮动空间为0.12-0.4元，但需要考虑法律风险及电力稳定性。
（2）托管电价
托管电价即矿工把矿机托管在矿场时，和矿场主签订的合同价，托管电价根据比特币价格而变动，比特币价格降低，电价升高，比特币价格升高，电价降低，但总之不会低于上网电价。当比特币价格降到边际成本，电价会涨到关机电价，目前平均在每度电0.38元。
实际上，每年追赶丰水期的矿工都是出于比特币挖矿成本边缘的小矿工，找到坑口电价的大矿工（矿场）处于持续的盈利状态，因此电力资源是大矿工的核心竞争力。
上文，我们介绍除了电力价格，比特币挖矿成本中还包含矿机投入。矿机既符合工业部件的基础逻辑，又因和加密货币市场强相关而多了金融属性，我们将以市面上主流的ASIC矿机为例展开介绍。
4.1 矿工视角：矿机性价比
4.2 厂商视角：矿机的定价法则
随着比特币价格上升，拉动矿机需求，上游矿机供应商在寡头垄断的情况下，对矿机有绝对的定价权，矿机价格也水涨船高。2018年年初，蚂蚁矿机S9在华强北一度卖出30000元的期货单价。那么，矿机究竟该如何定价？
根据国盛证券研究所的模型：当期矿机价格P=固定回本周期D×当期挖矿日收益（挖矿收入R-挖矿成本C）。即当期矿机价格与当期挖矿日收益呈正比关系。
根据以上公式和线性回归结果，国盛证券认为可以得出矿机供应商的定价策略：固定回本周期为 180 天左右，根据当期的挖矿收入动态地调整矿机价格。
值得注意的是，这样的定价策略基于未来的日挖矿收益维持不变的假设之上，才可以保证回本周期为180天。若未来币价上涨导致日挖矿收益增加，则实际回本周期变短，反之则变长。
另外，矿机实际计算静态回本周期时往往与180天有偏差，主要由于：
（1）矿机价格调整相对挖矿收益和比特币价格变动较为低频，致使静态回本周期发生偏离。因此，同款矿机在一个月内可能发出三批货，所以一个月内调整三次价格。
（2）矿机供应商在实际定价时，也会考虑到未来挖矿收益的预期变化。尤其在行情上扬的情况下，会对未来挖矿收益作乐观判断，从而提高矿机价格，导致静态回本周期变长。
（3）矿机供应商在挖矿收益下降的情况下，不愿压缩自身利润空间。价格下调幅度小于挖矿收益下降幅度时，静态回本周期变长。
将以上观点进一步提炼，即矿机可以看作比特币价格的“看涨期权”。矿工买入矿机的时候，以确定的代价获得了未来数量相对确定的比特币（虽然未来全网算力不确定，但大致区间可估算），而矿工购买矿机的动力来源于其预测未来比特币价格将高于现在，相当于未来以低于市场的价格购买比特币，从而获得超额收益。
随着算力增加，挖到比特币的概率越来越小，目前全网算力已经达到47Eh/s，为了追求持续稳定的收益，矿池已经成为目前主流的挖矿方式。简单来说，矿池就是算力的集合，大家把算力集中到矿池，能挖到区块的概率就会大大增加，然后把收益根据每个人的算力占比去分配。矿池的核心工作是给矿工分配任务，统计工作量并分发收益。和Solo模式相比，矿工收益的期望值没有变，但收益更加持续稳定。
5.1 矿池的运行规则
我们将通过一些基本概念介绍矿池是如何运作的：
（1）矿池协议：
“矿池”通过一种专有的协议，来协调成百上千个矿工。矿工在建立矿池账号后，设置他们的矿机连接到矿池服务器。矿机在线上运行挖矿时，需要保持和矿池服务器的连接，和其他矿工同步工作。常用协议包括：Stratum（STM协议）& GetBlockTemplate（GBT协议）和已经过时了GetWork（GWK协议）。
（2）矿池中的矿工：
按照算力贡献份额来赚取相对稳定的奖励。
（3）矿池管理员：
收取一定比例的手续费，矿池管理员也可以作为Solo矿工参与算力贡献。
（4）矿池准入条件：
矿池对所有矿工开放。矿池中的某一个矿工成功挖矿之后，出块奖励支付到矿池的固定比特币钱包地址。奖励不属于挖到矿的矿工，而属于整个矿池。
（5）奖励分配机制：
矿池会设置一个奖励分配的“阈值”，这个阈值是针对每次计算的TargetHash值的难度目标，通常不到比特币网络难度的1/1000。比如，全网的挖矿难度为开头连续10个0的Hash值，矿池设置的难度阈值为开头连续7个0的Hash难度；矿池中的某一个矿工成功挖到矿后，那些成功进行Hash计算并且达标矿池难度阈值的矿工可以分享到奖励。
奖励的分配，并不是挖到一个矿之后，立即分配的，而是当挖矿奖励累积到矿池设定的一定量之后，进行一次奖励的分配，或者按照固定时间（如每日）进行结算。
（6）矿池的幸运值：
比特币挖矿本质上是概率性的，出块速度时快时慢，幸运值在理论值矿池爆块存在一定概率因素，爆块速度时快时慢；幸运值在理论值100%上下浮动，当幸运值高时，矿池的收益会增大，反之减小，但这只会影响选择PPLNS收益模式的用户。
5.2 挖矿收益结算模式
市场上存在多种收益结算模式，主流挖矿模式包括：PPS、PPLNS、PPS+和SOLO模式。
5.3 矿池的分类
市场上主要有托管矿池和P2P矿池，由于P2P矿池的效率低，所以这种模式渐渐淡出市场。
5.4 矿池算力分布
矿池算力可分为比特币大陆系和非比特大陆系，BTC.COM、AntPool、BTC.TOP、ViaBTC 均属比特大陆系，占全网算力46%，其他非比特大陆系占54%。
去年年初，比特大陆系的矿池占据全网算力53%，如今已经下降到了39%，另外，据Dir数据，不知名矿工正在改变矿池算力分布。2018年12月，神秘矿工在挖出了比特币网络22%的区块，而去年年初这一比例仅为6%，这一改变使矿池的主导地位下降。目前神秘矿工控制着BTC22%以上的算力。
矿池最基本的职能就是将矿工的算力聚集起来一起去挖矿，在技术上的差异很小，现阶段比拼的是算力和服务质量。比特大陆系矿池矿有着矿机价钱优惠、获取矿机的速度快等先天优势；非比特大陆系的矿池则凭借自己的口碑及差异化服务获得矿工的支持，国内以F2Pool为代表，国外则以SlushPool为代表。
至此，我们已经对矿机、矿池行业有了基本的了解，下图将把矿业作为一个产业，描绘出参与方的全貌和环节之间的关系。
最后，我们要试着回答关于“终局”的问题，即比特币还能挖多久？
有人说比特币交易很像商品，这一点不完全准确。因为当商品停止生产时，商品的交易仍可以进行，但当矿工停止挖矿后，比特币会立即死亡，，因为无人验证交易，比特币无法流通，而无法流通的货币是没有价值的，即“死亡螺旋”。这就是说，如果采矿利润降为零，比特币的价值也将归零。
目前，各环节都在为足够多的矿工保留利润空间，以确保比特币系统免受攻击。但当区块奖励完全转为交易手续费后，被抬高的交易手续费将阻止用户使用比特币转账，届时将交易手续费稳定在合理的平衡点将成为新的重点。矿业也会迎来新的转折变为向其他领域提供基础算力的产业，机会会倾向于有电力资源和运营实力的大型企业。
理论上讲这个转折点是2140年，但从比特币减半时间表（图4）可以看到，2048年比特币出块奖励不足0.1BTC，少于平均交易手续费，届时要么比特币价格涨到足够支撑挖矿成本，要么有更加便宜的电力能源。否则比特币或将真的面临“死亡螺旋“。
另外，根据图2，从去年9月份小矿工开始无利可挖，可以将彼时的价格7193美元看做边际价格，目前出块奖励12.5BTC，粗略估算2048年后若比特币价格无法涨过125倍即约90万美元，比特币挖矿将变得不再有吸引力。
参考资料：
Bitcoin Developer Reference, Target nBits
How is difficulty calculated?
精通比特币 第8章 挖矿与共识
区块链入门|和比特币相关的10个数字
什么决定了比特币的价格
电厂、电网、电力公司、供电局、发电集团之间的关系？
发电企业上网竞价与售电企业售电价格的区别？
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Decrypting Cryptocurrencies: Technology, Applications
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比特币全网算力突破每秒1 Petahash
特别感谢:
矿海学院COO王孝一、 Rawpool CEO David Li 、Rawpool市场总监耿磊、中国地质大学产业经济博士严丹霖、ENT公链CEO Aaron Yuan、比特大陆产品经理杨鑫。
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