比特幣礦業三篇（2）：密碼學原理 硬體知識和發展簡史
作者：村頭二舊
上一篇用養雞場的商業模式類比比特幣礦場，引出礦機公司、礦場、礦池、礦機託管、二手礦機市場、雲算力、算力等比特幣礦業全生態的基本圖景。今天是礦業三篇中的第二篇，主要描述一下，比特幣的數學原理，密碼學和硬體知識，以及比特幣礦機的發展簡史。
繼續延續通俗易懂的簡化形式去描述這樣一個過程。
比特幣為什麼2100萬個？
拋開設計者的經濟學構思，直接說數學構思，2009年1月3號開始，約十分鐘一個區塊，一個區塊獎勵是50個btc，4年後減半成為25個btc，再過4年繼續減半，以此類推。
目前處於第三個階段，也就是打包區塊獎勵是12.5個，明年會減半成6.25個。
用數學公式去算。
一小時有6個十分鐘，一天24小時，一年365天，四年減半。一直減半，也就是後面是個等比數列。
比特幣總量=50 x 6x 24 x 365 x 4 x (1+1/2+1/4+1/8+……+1/2^n)
以上等式就是約等於2100萬個，其中，(1+1/2+1/4+1/8+……+1/2^n)是一個等比數列，數學上等於2.
也可以看出來，比特幣前四年，挖出來的數量是1050萬個，也就是一半，然後第二個四年，挖出來是1050的一半，也就是525萬，第三個四年週期是525萬的一半，也就是262.5萬。現在處於第三個週期的末尾（2020年五六月份減半），所以很多新聞說現在比特幣的“流通量”為1700或者1800萬個，可以用計算器加一下，就是這個數字，只是有幾百萬個或許已經永久丟失，流通量大大低於產出。
備註：挖礦的獎勵實際上有兩部分，一部分是區塊獎勵，另一部分是在這大概十分鐘內全網發生的比特幣交易費。後者佔比極小，在目前階段收益計算中可以忽略不計。
引用上一篇養雞場邏輯，母雞下金蛋，但是有些金蛋弄丟了，所以，流通總量低於產出量。
簡單提一句，經濟學模型，這個就是通縮模型，在經濟學模型中並沒有大的創新。中本聰（這個人或者這個組織）有沒有諾貝爾獎級別的貢獻，和這個通縮模型並沒有什麼關係。因為是個極簡單（也比較簡陋）的經濟模型。歷史上沒有一個國家採用這種模型去獲得經濟繁榮。本文只講數學模型。
比特幣挖礦的過程是什麼？密碼學原理是什麼？
簡單來說：解開一個數學難題，然後廣播出去，得到驗證後，獲得區塊獎勵。別的礦機收到資訊後，放棄解這個數學難題，去算下一個數學難題，爭取區塊獎勵。以此類推。
具體一些，這裡接這個數學難題就是用到了一個密碼學知識：單向雜湊函式
單向雜湊函式，又叫雜湊函式，比特幣中的雜湊函式是SHA256.
之前寫了很多篇關於密碼學的文章，可以參考（《比特幣中的密碼學：雜湊函式的五大特性和挖礦原理》），在此也簡單講述。
SHA256 是一種雜湊函式，SHA(資訊)=256位的二進位制數字，輸入任何資訊，可以是一本《紅樓夢》可以是一個字等等，都可以快速得到這256位二進位制。改一點點輸入資訊，結果就相差很多，而且，從結果資訊無法反推輸入資訊。
對於二進位制來說，前面的0越多，這個數字越小，如果範圍是小於等於這個數，意味著二進位制數位上，前面的0越多，這個範圍越窄，猜出來輸入值的難度越高。
SHA256（SHA256（資訊+x））小於等於目標值（target）。
用礦機去找或者說去猜x，知道滿足條件。這就是挖礦。
公式中的資訊是區塊頭資訊，包含version，pre_hash，merkle root，ntime，nbits等等資訊，隨著區塊高度的改變和時間的變化而改變，去猜的這個x數值也可以寫成nonce，寫成什麼不重要，不影響理解比特幣挖礦，大概知道有這會事兒就行了。
挖礦過程運用的只是單向雜湊函式的特性，公鑰加密、簽名、驗證等概念，不要糾結，這個解題過程用不著。
如果依然沒有看明白，請忽略以上單向雜湊函式的描述，簡單粗暴的理解為，解一個數學題。而且解這個數學題只能靠猜，沒有合理的運算方法去解這個題。
硬體知識和礦機發展簡史
做這個數學難題剛開始由CPU來做，然後是GPU顯示卡挖礦，然後是FPGA，然後是現在的主流比特幣挖礦的ASIC晶片礦機。
CPU能處理複雜問題，但是這個解題過程不需要那麼複雜的頭腦，使勁猜就好了。於是用GPU 並行運算等相關特性比較好，最著名的公司是英偉達（NVIDIA）和AMD公司，在礦圈，前者被稱為N卡，後者被稱為A卡。
GPU有耗電和其他缺點，於是用FPGA，深圳有家很牛的無人機企業叫大疆科技，背後用的就是FPGA。GPU和FPGA在人工智慧領域有很多應用（知識擴充套件，和今天主題無關）。
FPGA 就是現場可程式設計門陣列（再次提醒：所有聽不懂的概念，不要糾結，直接跳過），就是說白了，好程式設計，好調整。但是呢，功能相對還是太多了。我只是要一個能夠把元宵裝進盒子的人，不需要一個大學生博士生，繼續簡化，出現了ASIC晶片。
“我只需要一雙手,而你卻給了我一個人”——亨利·福特
現在AISC本質上就是簡化後的產物，只剩下一雙手，只解決這一個函式問題。
和CPU對比，CPU是一個博士生和產線工人比賽誰能把元宵裝到盒子裡裝得快，由於優秀的整合，變成了一個博士生和十個一百個產線工人比賽誰裝元宵裝得快。結果可想而知，於是，現在比特幣挖礦，只用ASIC晶片礦機。
礦機發展的邏輯以上已經講完了，歷史部分簡述如下：
2009年1月3號，中本聰用CPU挖礦；2010年9月就有了GPU挖礦，2011年有了FPGA，2012年8月烤貓fried cat 眾籌搞ASIC礦機，那時間開始世界礦業向中國傾斜，2012年11月，btc首次減半，差不多四年了從2009年。2013年年初，烤貓繼續幹。阿瓦隆ASIC礦機弄出來了，也是中國最早的一批ASIC礦機，母公司就是嘉楠耘智，最近上市納斯達克股價大跌的那個公司。
2013年年底的大陽線，很多第一代同學入場，中國兩次大規模礦工出現和炒幣的人出現第一次就是2013年，第二次就是2017年。一根大陽線，千軍萬馬來相見，說的就是這個意思。2014年之後的歷史，就很容易在網上查到了。烤貓2015年1月份就失蹤了，神秘失蹤，這個具體為啥失蹤，是被人謀害了，是穿越了被外星人帶走了，還是因為礦機慢慢地不夠好了，人家跑路了，我們不關心這些內容，這不是八卦類文章。烤貓同志為比特幣挖礦做出大貢獻，在此向烤貓同志致敬。
之後的故事大家都知道了，位元大陸崛起，在2017年2018年佔了全球市場80%以上，過去一年資料的話，大概位元大陸的礦機螞蟻礦機佔60%多，神馬礦機佔20%+。這裡面的恩怨糾葛和具體市場比例，感興趣自己查吧。
本文講了三塊內容：比特幣的挖礦基本原理，挖礦硬體相關的淺顯知識，以及礦機發展的簡史。
結合礦業三篇的第一篇和第二篇就可以瞭解整個比特幣礦業的全景圖，下一篇是關於算力、雲算力、電費、回本週期、利潤核算等內容，一堆運算公式會出現，放心，有個手機計算器就可以了。敬請期待。
