计算能力与区块链技术：

高航 俞学劢 杨辉辉

未来科技金融核心随着联盟链和私有链的普及，区块链芯片研发企业获得了全新的市场发展机遇，通过为企业联盟或企业内部定制专用的区块链底层设施，区块链算力行业将演变为支撑起价值互联网络发展的IDC

区块链的计算能力

无发钞机构、去中心化、去信任化的电子现金系统的实现，依赖于每一个参与者自身，“人人为我，我为人人”是区块链的精髓。每一个人手上都有一个总账，总账上记录着包括自己在内所有人的交易记录，每个人都可以指着任意一笔记录与其他人核对，保证大家账本的统一一致，人、事、物、时完全相符且客观真实，这就是共享账本。比特币的区块链网络会给勤奋记账的人以激励，在每一轮区块建立的过程中只有他记的账会被传播给大家，并让大家验证。大家对他的辛勤劳动及记账结果一致认可后，新的账目就被添加到了共享账本中去。获得记账权的人会被奖励一些比特币，于是，整个记账验证机制被称为工作量证明。

这个体现记账勤奋程度的标准被称为算力，而算力正是区块链安全的根基。由于每一个节点都需要通过不断地计算来解出一个基于前一个区块信息所产生的特解，而这个计算的过程还需要不断打包验证网络中其他节点产生的交易数据，因此整个过程就像是为获得比特币奖励而进行的验证工作。这个过程被形象地称为挖矿。工作量证明机制意味着区块链的安全来源于现实世界人们共同的劳动投入。由于每一个特解都包含了前一个区块的信息，而一个特解的产生及被网络成功验证就意味着新区块的形成，每一个新区块都叠在上一个区块之上。于是，以前形成的区块就像地表以下的岩层，越久远的埋得越深，也越不可能被触碰到或者被篡改。不可伪造、不可篡改正是区块链建立信任机制、打造价值互联网络的基础。

区块链之沉浮

在2011年5月以前，参与到比特币区块链验证当中的算力并不充裕，比特币也并未获得太多人的关注。但到2011年底，通过算力记账获得比特币的挖矿行为逐渐普及。人们开始发掘出了专业的芯片FPGA用于输出算力，能耗只有GPU挖矿的1/4，比特币开始越来越紧密地与现实资源相联通。从2012年到2013年，人们开始意识到利用ASIC硅晶芯片进行算力输出可以大幅提升挖取比特币的速度，并能比FPGA更为节能。于是，多家机构相继开始研发ASIC比特币挖矿芯片。从此，比特币挖矿以及比特币本身开始形成产业。

2013年至今，全网输出算力从2.5T飙升至1400P（1P=1000T），是原来的约56万倍。算力的规模越大、节点越分散，区块链网络就越安全，对权力与利益机构的防御能力就越强，对应的区块链应用也就越有保障。2013年底，比特币币价超越1000美元，并于11月29日下午达到最高价格1242美元，超过了一盎司黄金1241.98美元的报价。从某种意义上说，此时此刻比特币成为了真正的数字黄金。促使比特币价疯涨的推动力，除了挖矿芯片与设备研发的军备竞赛以外，最为直接的因素来自于比特币交易所这些推动对比特币进行直接投资的入口的激增。

随着币价的不断攀升，大量的交易所也相继出现。中国的OKCoin、美国的Coinbase便是其中最具影响力的交易所。更多的交易入口也吸引了更多投机者的涌入。2013年5月，中国的OKCoin比特币交易所成立，3个月后即达到每月26亿的交易量，同年12月更是创造了单天交易量40亿的惊人数额，从而一举成为了全球最大交易所。

然而，比特币在支付领域的发展表现一般。2013年以来，相比于钱包之间的支付交易，通过交易所交易的比特币倍数常年保持在10倍以上，即每11笔交易有起码10笔源于对比特币的买卖炒作，而非针对服务或商品支付。根据Coinmap的资料显示，全球可用比特币进行线下支付的实体店仅为7709家，在中国只有北上深、港澳台和西安等地有约10家店铺支持比特币。另外，各国政策对比特币货币属性的限制，也导致了比特币作为货币基本的支付功能未能真正普及。

区块链之产业链

算力挖矿行业的出现不仅打通了区块链与现实资源之间的通道，更帮助区块链领域形成了第一条相对完整的产业链体系（图1）。而这一条产业链也从单纯的在比特币挖矿与交易的过程中获取财富，进化到了从区块链产业生态中去创造财富。随着区块链生态的完善和进化速度的加快，这一产业创造财富的能力也在与日俱增。

1.芯片研发与区块链计算机生产。比特币区块链安全基础的算力芯片是整个产业链的源头。芯片内部结构的研发设计由算力芯片的专业团队完成，而硅晶芯片的实际生产则是外包给台积电、三星、高通、因特尔等专业芯片代工厂进行生产，这个生产过程被称为流片。嘉楠耘智（清华长三角研究院投资）等芯片研发团队也由于关注到了区块链领域的机会，从而设计量产了多款针对区块链领域的专用超算芯片。

在经历了比特币币价的大起大落之后，当前市场上仍具竞争力的主要超算芯片团队有中国的嘉楠耘智、比特大陆、海外的Bitfury（中国信贷 投资）和21 Inc.（高通投资）。技术与资本是决定区块链计算机行业优胜劣汰的核心因素。运作良好的区块链计算机研发与生产企业一般拥有良好的现金流，但每个行业都有寒冬期。矿企竞争目前已经逐渐进入寡头阶段，之后的竞争不仅考验团队的技术研发能力，同样也考验团队的资本运作能力。

2.矿场。所谓矿场，就是将一台封装数十至数百颗芯片单体通电运行的小型区块链计算机，进化为部署几万至几十万台区块链计算机的大型机房。为了降低能源消耗，原本仅在算力芯片的能耗比上下功夫的芯片公司，也开始对区块链计算机散热、电源传输、矿场机房布设等外延性要素进行节能提效设计。因此，在产业链前端的这三个环节上，仍由原本的芯片研发团队所主导，各家在这个领域各有所长。嘉楠耘智团队针对自己研发的芯片，提供了一套低成本高性能的环境自适应解决方案，通过对系统运作过程中热耗散的控制，以及电源传输过程中电压稳定性的智能调整，使ASIC硅晶片在集群矿场的复杂环境中实现最低能耗的最大算力输出，同时保持较低的总体拥有成本。而Bitfury则开发了针对算力芯片的浸泡式水冷系统，在沸点非常低的情况下，把硬件浸泡在液体中。一旦加热，液体就会蒸发把热量带走，然后凝结再进入池中，通过这个过程降低挖矿在冷却过程中的能源消耗。

3.矿池。矿池是将来自各地的算力进行汇聚，从而提高算得新区块的几率。比特币的算法规定了算力占据总网络比率越高的节点，能算得新区块的几率越大。因此，算力输出方则会选择汇集在一起，共享一个主节点通道，并最终将共同产生的收益按照一定的分配方式提前分配到各个子算力输出节点的账户中。

数据来源：区块链公开数据

当前，从各大矿池所输出的算力占比情况如图2所示，其中国内矿池输出占比高达62%，这其中占具最大份额的是比特大陆的蚁池。与其他厂商专注于芯片设计领域不同，比特大陆从很早就在比特币全产业链进行了全面布局。从比特币浏览器项目，到大规模自有算力部署，再到云算力服务，涵盖了算力挖矿行业的大部分环节，而矿池正是这一布局的终点。比特大陆旗下的蚁池一家就占据了矿池份额的1/4，这意味着每一个区块由蚁池算得的几率是1/4。也因此，每个区块所产生的比特币奖励被蚁池获取的几率也是1/4。得益于较高的矿池份额和大量的自有算力，比特大陆收获了大量的比特币收益。其余诸如BTCC、鱼池等几大国内矿池中的算力则有很大比例来源于嘉楠耘智所投入制造的区块链超级计算芯片。

因此，从矿池数据上也体现出了Bitfury、比特大陆与嘉楠耘智在比特币算力行业的先发优势。

4.云算力。在这种情况下，中小矿工的盈利空间越来越小甚至为负。它们不仅要面临单体区块链计算机供不应求的状况，还要面对区块链计算机从发货到安装调试再到维护的整个复杂流程。而且，最大的成本还不止是这些，使用一般家庭、商业用电进行挖矿所消耗的高昂电费，以及产生的噪音和热量，也成为普通比特币爱好者参与算力输出的障碍。算力通过大规模集成矿场以及矿池的集中，造成对比特币区块链安全的威胁。

综合这样的市场与技术需求，云算力服务应运而生。云算力平台将矿场和矿池等基础资源打通，为个体矿工更便捷地接入比特币区块链网络提供条件。这不仅降低了矿工的准入门槛，并且由于购买云算力的用户可以自主控制算力流向，这成为解决大规模集成化矿场和矿池汇聚而造成算力集中问题的一种策略。它的出现也因此使得比特币区块链离全民分布式共享的理想又近了一步。

5.交易所。算力芯片成为现实资源导向区块链虚拟资源的入口，那么，交易所就成为这条产业链最终的出口。即将算力所获取的比特币收益，转化为现实中可用的法币，比特币产业链的循环生态由此形成。实际上，整个产业的简化逻辑似乎是：投入资金购买设备，通过设备运作获取比特币，并寄期望于比特币的溢价能够为整个产业链获取利润；将比特币换成法币之后，再次投入购买更好的设备。这样的模式其实并未跳出2013-2014年比特币大起大落时期区块链计算机行业军备竞赛的怪圈。同时，硅晶芯片从110纳米到55纳米，从28纳米再到16纳米，其蚀刻密度的提升也逐渐开始受到单位面积产热剧增、量子效应的影响，使芯片设计的门槛进一步提高。在这种大环境下，区块链的产业链也进一步延伸出了更多价值。

算力与区块链的未来

从2013-2016年，区块链计算机从CPU时代进化到GPU时代，从FPGA时代进化到ASIC时代，再到当前的ASICs时代，ASIC芯片本身尺寸越来越小。在这个过程中，矿机专用芯片提供厂商从少到多，再到如今的寡头垄断，每一次芯片的进化都带来一次行业的更新迭代。根据全网算力的历史数据预测，4年以后也就是2020年，全网算力将接近20000P，是当前1600P算力的12倍多。

区块链计算机加速的军备竞赛，使得以颠覆世界不公的财富规律为目标的比特币开始重蹈覆辙，几乎50%以上的比特币集中在不足20%的人手中。而现实世界的大多数人并不真正了解比特币。作为一种平衡，云算力解决方案的提出，使区块链的网络进化增加了一种离散的力量。它致力于让更多的人体验挖矿，让更多人通过真正成为分布式矿工，方便地获得第一份数字资产，来理解比特币和区块链，从而形成由外向内吸附的生态。持有区块链数字资产的人越多、越分散，整个产业产生裂变的可能性就越大。新近上线的算力宝平台，以真实算力对应、自由调度算力资源为切入点，得到了传统IDC上市公司的有力支持，云算力平台的建设有可能会成为新的战略级入口。

1.加速大数据行业发展。由于区块链算力的本质是让芯片自动通过特定算法，进行大量运算来保障区块链这一公开账本的安全与稳定。而大数据分析则是通过多种数据挖掘的算法组合，将元数据进行输入、筛选、重构、分类、关联并最终输出知识。因此，通过将算力芯片进行内置算法的重新设计、定制，能够实现高效快速的大数据挖掘、分析功能。而伴随着互联网时代下数据量的激增，对数据分析的计算量要求也相应增加。对海量数据的处理需求，相应地提升了对分布式技术——云计算的需求。区块链则能够与大数据的云计算需求完美契合，以当前比特币全网算力1400P为例，若对整个互联网中存储的所有数据进行一次哈希运算，仅需要不到1分钟的时间。因此，区块链算力芯片行业的发展实际上推动了大数据行业的进步。

2.未来区块链计算机——从致富工具到智能机器。区块链算力的军备竞赛，在刺激了芯片技术繁荣的同时也造成了挖矿难度的指数级增加，而期望通过简单粗暴的挖币卖币来致富的投机者们，也在比特币泡沫破裂后的冷静中被逐步淘汰。因为币价保值升值所真正需要的并非是短期的利益绑架，而是区块链的真正安全，以及区块链上进一步可被开发的应用价值，于是真正的区块链研究者与创业者们开始将区块链计算机推向了智能硬件的新生态。其中一种新的应用价值开发，就来自于高通所投资的21 Inc.。这家海外的创业公司将自己所研发的芯片及设备命名为“比特币电脑”，而非“比特币区块链计算机”，因为他们更看重比特币的“工业用途”。

21 Inc.联合创始人兼CEO Balaji Srinivasan认为，机器网络是继万维网和社交网络之后的第三个网络，在该网络中，所有的连接实际上都是机器间直接的支付行为。21 Inc.以嵌入式挖矿为理念，着眼于未来物联网的潜力，希望通过嵌入主流的消费电子设备在后台挖矿，通过无限的数字货币流来从事微交易。21 Inc.计划向市场推出嵌入式芯片，允许用户使用智能手机和其他互联网设备进行比特币挖矿。

在2015年，现实中的人和设备在嵌入软件、传感器和网络之后，实现了物物连接的状态，即物联网。而IBM认为，未来的每个设备都能进行自我管理，即设备自治。未来10年，物联网设备的数量将大幅增加，将如此多的上网设备通过中心化的方式来管理是不现实的。IBM认为，区块链技术正好能解决这个问题。通过区块链技术实现去中心化的分布式云网络的物联网，各个设备彼此相连，解决节点信任问题。同样，中国的芯片设计研发厂商也已开始从模式识别入手，对支持人工智能技术的神经网络算法的通用芯片进行研发。由于区块链共识机制建立，实际上是基于算法的一种自动化组织架构，因此，将相似的算法逻辑应用在人工智能的交互上所实现的是人工智能的“社会规则”。未来整个物联网世界的所有智能电子设备的内部，都有可能带有一颗接入区块链网络的芯片。一旦实现了这种区块链物联网络，那么人与机器、机器与机器智能之间进行交互就拥有了一种通用的语言。社会规则可编程、社会资源可自由连接，在这个基础上，自助化的电子政务、智慧家居、智慧城市、车联网、医疗物联等各个行业都将产生具有颠覆性的商业新模式。

3.区块链网络生态。算力是区块链网络的底层架构，维护着区块链网络的安全和正常运行。目前的区块链产品的架构，都是围绕从算力基础设施到数字货币网络再到区块链应用的由下至上的架构展开（图3）。

区块链的共识机制基于算力基础设施的保障，解决了对等实体间信任的问题，区块链也因此将可能重塑除货币和物联网以外包括金融、法律、审计等众多领域的业务模式。由于受制于比特币区块链当前区块容量1MB的限制，以及平均10分钟算出一个区块的交易确认时间的限制，当前给予比特币区块链的应用仍然被限制在低频、小容量的范围内。然而，随着比特币核心协议的一次次更新迭代，最新的0.12.1协议实现了高频交易的闪电支付接口，以及能够解决区块容量问题的侧链兼容，并且进一步提升了比特币区块链的可编程智能合约属性。这一切都为比特币产业链在应用价值上的衍生翻开了全新的篇章。

区块链的进化并不是在比特世界（虚拟世界）里孤立进行的，它与原子世界（现实世界）有着千丝万缕的对应关系。区块链网络生态另外一个重要的发展方向，就是建立两个世界的映射关系。不论区块链拥有哪些核心优势，最终它要在原子世界里落地和执行，要进行实物的交割，要进行人与人之间真实的接触，社会与国家的权力执行机构并不会消失。相反，在一个透明化的体系里，他们会更加高效率、民主、廉洁地参与。区块链创业公司保全网在这种映射关系上做了一些积极探索，利用区块链技术来实现存证、增信和鉴真的功能。在整个产业生态中，这实际上起到了一种管道的作用。有了这种管道，我们才能清晰地看到逐步递进的发展路径。目前，保全网已经在金融、保险、基金、财税、教育等领域有了应用案例。

4.新型区块链创新。越来越多的技术团队及金融公司开始尝试构建一个独立于比特币区块链之外的新区块链结构。比特币区块链由于其完全的分布式、公开化，是当前最为典型的公有链。公有链是指任何人都可以读取公有区块链的数据，任何人都可以在公有区块链上发送交易，任何人都可以参与到共识过程——该过程决定什么区块被加入到链上，以及现在的状态是什么。另一种是联盟链，它的共识过程是受预先选定的多个节点控制的。它可以让每个人读取区块链数据，也可以让选定的参与者读取区块链数据，这些区块链可以被看作“半去中心化”的。最为保守或者说更接近中心化的结构是私有链。因为向私有链写入数据的权限只被一个机构所拥有，或许在某些特定情况下公众会拥有读取数据的权限，大多数时候则只有特定的人才拥有读取数据的权限。

相比于比特币的公有链，联盟链与私有链更具优势：（1）由一个联盟或者公司运行的私有链可以很容易改变区块链规则、回滚交易、修改余额等。（2）区块链上的确认者的身份是已知的，所以不存在算力集中等导致的51%攻击问题。（3）交易费用更低。这是因为交易只需要被几个可信的、拥有非常强大的处理能力的专业节点确认，而不需要被数以万计的、处理能力有限还偶尔不稳定的节点确认。现在，这一优势很有效果，因为当前比特币公有区块链处理的一笔交易的费用将近1%，并且还有10分钟的确认时间限制。（4）节点之间的连接更好，故障可以更快地被修复，所以，可以使用区块时间更短的共识算法。（5）如果对读取区块链数据的权限作了限制，那么，就意味着私有链可以提供更好的隐私保证。当然，这些半去中心化联盟链与中心化的私有链的优势是建立在牺牲了公有链强健的安全性的基础上而获得的，并且由于共享、共担机制的缺失也使得联盟链、私有链的建设接入成本远远高于公有链。

但对于许多注重灵活性和保密性的私有机构来说，私有链似乎是权衡之后更好的选择。创业机构R3 CEV就是联盟链应用的典型，它聚集了全世界各大跨国银行机构，从高盛、巴克莱、汇丰、花旗到东京日联、瑞穗，总计42家银行加入了R3主导的联盟链计划，通过共同开发银行间区块链金融应用，使银行间的交易更高效、更安全。同时，四大会计事务所之一的德勤旗下全资子公司Rubix也致力于为企业提供专业化的私有链定制解决方案。然而，所有类型区块链的底层基础设施都是由专业芯片公司所提供的算力。因此，区块链的创新意味着基础设施的创新。随着联盟链和私有链的普及，芯片研发企业就获得了在区块链领域新的市场发展机遇，通过为企业联盟或企业内部定制专用区块链底层设施，区块链算力行业将演变为支撑起新互联网发展的IDC。使用特定的算法开发分布式账本的专用芯片，以这种专用芯片作为硬件支撑的分布式账本系统，可以摆脱会计依赖和内部IT管理的依赖，可以快速地建立公司代币系统、建立私有的数字资本账户体系，这将进一步提升企业资源调度的效率。

在区块链产业链的各个环节上，各种类型的创业公司正如雨后春笋般出现。而这一领域的先行者们，也每天都有新的故事上演。Bitfury在获得中国信贷投资后，还在谋求去美国纳斯达克上市；算力宝正在努力将云算力与传统IDC厂商结合起来；2016年6月8日更见到了创业板上市公司鲁亿通公告以30.6亿人民币收购芯片设计公司嘉楠耘智的新闻。这一系列的变革都在产业内外产生着深远的影响。技术变革推动意识觉醒，新型区块链的创新还有非常大的想像空间。