2022-02-14
為何挖礦與顯示卡大缺貨有關？PoW、PoS是什麼？
2021年5月13日，伊隆·馬斯克 (Elon Musk)以消耗太多化石燃料為由，突然宣布特斯拉不再接受比特幣付款，消息一出幣圈馬上災情四起，而馬斯克也透露特斯拉目前正在評估其他較為節能的加密貨幣。同年，以太幣宣佈未來將改採用權益證明(PoS)機制。
比特幣作為目前全球最知名的加密貨幣之一，目前是使用工作量證明(PoW)機制，此時此刻，你可能就聽過許多加密貨幣的礦工與礦場大量買進顯示卡，導致顯示卡的價格飆漲，甚至供不應求；另外許多電費便宜的地方(如冰島)，則成立了巨大的礦場，耗費大量電力跟算力來挖礦，而這些都是PoW機制的問題：極度耗能、浪費硬體資源與電力。
以上這些PoW、PoS機制代表的又是什麼意思呢？
「共識機制」是什麼？
通常我們只要提到區塊鏈，大家馬上就會聯想到“挖礦”這個詞，延伸閱讀：加密貨幣？挖礦？區塊鏈到底是什麼？，前面文章就有提過，區塊鏈是透過點對點(P2P)運行的網路，這個網路是由分散式的節點所組成，可以把它想成是數據共享的資料庫，也就是去中心化的共用帳本，儲存著在網路上進行的所有交易紀錄，而每個區塊鏈都運行在一個共識機制上，所謂共識機制就是網路中所有節點的協議，用來驗證每次交易的真實性，驗證完了才能成為鏈上的一部分。
共識機制都擁有高難度的協議程式碼，可以確保去中心化系統中的各個節點安全運作，更重要的是也能保護區塊鏈網路免於駭客惡意行為的侵害，而大多數公共區塊鏈網路使用的共識機制，就是上面提到的工作量證明(PoW)、權益證明(PoS)這兩種。
PoW「工作量證明機制」是什麼？
回到正題，所謂的PoW (Proof of Work )指的就是區塊鏈中的一種共識機制，其目的就是在區塊鏈架構中協助底下幾件事，確保交易的真實性、防止有人惡意竄改帳本、避免雙重支付 (又稱為雙重花費、簡稱雙花)。
PoW如何運作？
PoW是目前區塊鏈使用最廣泛使用的共識機制之一，最早是由比特幣普及，你可以把它想像成在這個區塊鏈中，有一群礦工透過大量消耗電腦的CPU、電力、時間，來解一道稱為「PoW工作量證明」的超級數學難題。
簡單來講，比特幣網路大約每10～15分鐘生成一個區塊，這時礦工們要開始互相競爭，透過電腦CPU的運算能力去解開複雜的數學題目，此答案沒有任何公式可套用，解出來的答案會是一個隨機數值，而最先解開這個數學題的人，就會獲得下個區塊的記帳權，也會得到比特幣作為獎勵。
共識機制可以確保區塊鏈持續更新，也確保每一個被添加到區塊鏈的區塊都是唯一而真實的。
後來出現了不同的區塊鏈架構，相應的也衍生出專用顯示卡、專門做運算的礦機來進行挖礦，這些都是為了取得工作量證明，並從中獲取獎勵，更維持了區塊鏈的運作。
PoW有什麼優點、缺點？
PoW工作量證明機制的優點：
PoS「權益證明機制」是什麼？
權益證明機制PoS (Proof of Stake)又稱為股權證明，也被稱為持幣挖礦，是2011年在Bitcointalk論壇上被提出的一種共識機制算法，目的是為了減少「工作量證明機制」PoW大量運算造成資源消耗的替代方案。
所謂的權益，就是在比誰的加密貨幣多(誰的錢多)，就有能力去爭取新的區塊。所以PoS (Proof of Stake)又稱為股權證明機制，可以把它想成股權的概念，誰的股權多，誰就能配到更多股息。
PoS如何運作？
PoS不以消耗大量能源來取得新的區塊，而是消耗大量的權益(金錢)來取得新的區塊，也就是說PoS是透過加密貨幣的抵押數量，來取代礦工的運算力，你必須花錢購買加密貨幣，並將這些加密貨幣抵押在智能合約中。所以PoW共識機制下開採節點的被稱為礦工，而PoS共識機制下開採節點的被稱為驗證者。
在PoS共識機制下，會依照幣齡(Coin Days)以隨機的方式，選擇下一個區塊的驗證節點。
幣齡也會用來計算在新區塊能獲得多少獎勵，可以把它想像成當你越早持有某公司的股權，你就能獲得越多權力或是得到更多收益。
幣齡計算方式 = 抵押的幣數數 × 代幣抵押的天 數
假設你有100個代幣，持有代幣7天，幣齡 = 100 × 7 = 700。
而成功幫忙打包一個新區塊就會獲得一定的加密貨幣獎勵(利息)。
利息計算方式 = 幣齡 × 年利率 ÷ 365
舉例來說，在一個年利率 5% 的系統內，驗證者可獲得：700 × 5% ÷ 365 = 0.0958個貨幣。
每次驗證者獲得獎勵後，幣齡就會歸0，並且開始重新累積到下一次的新區塊產生，用以防止較大的權益節點主導區塊鏈。
透過上述計算方可知，在PoS中要提升記帳權(獲得獎勵)機率的方式有幾種，增加加密貨幣抵押數量、增長加密貨幣抵押時間或是取得距離上次獲得記帳權越久的節點。
PoS權益證明機制有什麼優點、缺點？
PoS工作量證明機制優點：
發展至今，區塊鏈領域有很多專有名詞，透過理解這些詞能夠讓你更清楚整個區塊鏈的運作機制以及演進，進而找到最適合自己運用這項技術的方式喔。
比特幣作為目前全球最知名的加密貨幣之一，目前是使用工作量證明(PoW)機制，此時此刻，你可能就聽過許多加密貨幣的礦工與礦場大量買進顯示卡，導致顯示卡的價格飆漲，甚至供不應求；另外許多電費便宜的地方(如冰島)，則成立了巨大的礦場，耗費大量電力跟算力來挖礦，而這些都是PoW機制的問題：極度耗能、浪費硬體資源與電力。
以上這些PoW、PoS機制代表的又是什麼意思呢？
「共識機制」是什麼？
通常我們只要提到區塊鏈，大家馬上就會聯想到“挖礦”這個詞，延伸閱讀：加密貨幣？挖礦？區塊鏈到底是什麼？，前面文章就有提過，區塊鏈是透過點對點(P2P)運行的網路，這個網路是由分散式的節點所組成，可以把它想成是數據共享的資料庫，也就是去中心化的共用帳本，儲存著在網路上進行的所有交易紀錄，而每個區塊鏈都運行在一個共識機制上，所謂共識機制就是網路中所有節點的協議，用來驗證每次交易的真實性，驗證完了才能成為鏈上的一部分。
共識機制都擁有高難度的協議程式碼，可以確保去中心化系統中的各個節點安全運作，更重要的是也能保護區塊鏈網路免於駭客惡意行為的侵害，而大多數公共區塊鏈網路使用的共識機制，就是上面提到的工作量證明(PoW)、權益證明(PoS)這兩種。
PoW「工作量證明機制」是什麼？
回到正題，所謂的PoW (Proof of Work )指的就是區塊鏈中的一種共識機制，其目的就是在區塊鏈架構中協助底下幾件事，確保交易的真實性、防止有人惡意竄改帳本、避免雙重支付 (又稱為雙重花費、簡稱雙花)。
PoW如何運作？
PoW是目前區塊鏈使用最廣泛使用的共識機制之一，最早是由比特幣普及，你可以把它想像成在這個區塊鏈中，有一群礦工透過大量消耗電腦的CPU、電力、時間，來解一道稱為「PoW工作量證明」的超級數學難題。
簡單來講，比特幣網路大約每10～15分鐘生成一個區塊，這時礦工們要開始互相競爭，透過電腦CPU的運算能力去解開複雜的數學題目，此答案沒有任何公式可套用，解出來的答案會是一個隨機數值，而最先解開這個數學題的人，就會獲得下個區塊的記帳權，也會得到比特幣作為獎勵。
共識機制可以確保區塊鏈持續更新，也確保每一個被添加到區塊鏈的區塊都是唯一而真實的。
後來出現了不同的區塊鏈架構，相應的也衍生出專用顯示卡、專門做運算的礦機來進行挖礦，這些都是為了取得工作量證明，並從中獲取獎勵，更維持了區塊鏈的運作。
PoW有什麼優點、缺點？
PoW工作量證明機制的優點：
- 去中心化程度高，任何人都可自由進入節點，不需透過中心化的第三人，即可驗證交易以及防止個人或組織篡改數據庫的系統，確保了每筆交易的真實性。
- PoW依賴於計算能力，想要篡改區塊鏈必須投入極大的成本，安全性較高。
- 必須使用大量的CPU、電力運算，才能順利進行挖礦並獲得獎勵，因此這是一種非常耗費能源的方式。
- 為了挖掘比特幣，礦池通常會尋找如冰島等電價便宜的地方，而礦工也會尋找價格昂貴的挖礦機(例如ASIC機器)，最後造成只有少數礦工可以順利挖礦，形成被大資本或大型礦場壟斷進而越來越集中化，與去中心化的目的背道而馳。
- PoW有遭受51%攻擊的危機，意思是當某一個特定礦工控制住全網51%以上的運算力，就可以出於自己的目的篡改、取消或更改交易，使用區塊鏈執行其他惡意操作。
PoS「權益證明機制」是什麼？
權益證明機制PoS (Proof of Stake)又稱為股權證明，也被稱為持幣挖礦，是2011年在Bitcointalk論壇上被提出的一種共識機制算法，目的是為了減少「工作量證明機制」PoW大量運算造成資源消耗的替代方案。
所謂的權益，就是在比誰的加密貨幣多(誰的錢多)，就有能力去爭取新的區塊。所以PoS (Proof of Stake)又稱為股權證明機制，可以把它想成股權的概念，誰的股權多，誰就能配到更多股息。
PoS如何運作？
PoS不以消耗大量能源來取得新的區塊，而是消耗大量的權益(金錢)來取得新的區塊，也就是說PoS是透過加密貨幣的抵押數量，來取代礦工的運算力，你必須花錢購買加密貨幣，並將這些加密貨幣抵押在智能合約中。所以PoW共識機制下開採節點的被稱為礦工，而PoS共識機制下開採節點的被稱為驗證者。
在PoS共識機制下，會依照幣齡(Coin Days)以隨機的方式，選擇下一個區塊的驗證節點。
幣齡也會用來計算在新區塊能獲得多少獎勵，可以把它想像成當你越早持有某公司的股權，你就能獲得越多權力或是得到更多收益。
幣齡計算方式 = 抵押的幣數數 × 代幣抵押的天 數
假設你有100個代幣，持有代幣7天，幣齡 = 100 × 7 = 700。
而成功幫忙打包一個新區塊就會獲得一定的加密貨幣獎勵(利息)。
利息計算方式 = 幣齡 × 年利率 ÷ 365
舉例來說，在一個年利率 5% 的系統內，驗證者可獲得：700 × 5% ÷ 365 = 0.0958個貨幣。
每次驗證者獲得獎勵後，幣齡就會歸0，並且開始重新累積到下一次的新區塊產生，用以防止較大的權益節點主導區塊鏈。
透過上述計算方可知，在PoS中要提升記帳權(獲得獎勵)機率的方式有幾種，增加加密貨幣抵押數量、增長加密貨幣抵押時間或是取得距離上次獲得記帳權越久的節點。
PoS權益證明機制有什麼優點、缺點？
PoS工作量證明機制優點：
- PoS不需要像PoW一樣需要準備強大、昂貴的採礦設備，因此可大幅節省能源消耗。
- PoS採用抵押加密貨幣的方式來開採節點，若是駭客想要在裡面作亂，自身抵押的代幣就會被沒收，進而有效減少駭客51%攻擊的機率。
- PoS權益證明機制鼓勵驗證者購買大量的加密貨幣，但這很有可能導致網路的中心化，如果造成一小群擁有足夠資金的人聯合起來，他們就能對加密貨幣的運作施加自己的規則，變成富人擁有越多的權力，因而失去原本去中心化的價值。
- 當區塊鏈分叉(Fork)成2條鏈時，節點抵押的代幣在2條鏈都會存在並獲得所有收益，這會造成區塊鏈上的加密貨幣產生通貨膨脹，使價值降低，這種狀況稱為無利害關係(Nothing at Stake Problem)，造成有雙花攻擊(同一筆加密貨幣被重覆使用)的風險。
| 工作量證明機制PoW(Proof of Work) | 權益證明機制PoS (Proof of Stake) | |
| 機制簡介 | 透過消耗電腦CPU、電量、時間，來解碼PoW工作量證明，解碼成功的人才能爭取新的區塊、獲得獎勵。 | 誰的加密貨幣多(誰的錢多)，就有能力去爭取新的區塊。 |
| 能源消耗 | 高 | 低 |
| 所需條件 | 採礦設備 | 不需要設備 |
| 風險 | 經過驗證較安全 | 可能遇到雙花攻擊 |
| 優點 | 節點可自由進入、去中心化程度高 安全性高，因破壞系統需要投入極大的成本 |
不需要強大、昂貴的採礦設備 減少51%攻擊的可能性 |
| 缺點 | 挖礦過程會消耗大量的能源 挖礦機器愈發昂貴，可能導致集中化 有遭受51%攻擊的危機 |
可能導致富人囤積加密貨幣 可能產生加密貨幣通膨問題 |
| 代表貨幣 | 比特幣、比特幣現金等 | 乙太坊2.0、ADA幣 |
發展至今，區塊鏈領域有很多專有名詞，透過理解這些詞能夠讓你更清楚整個區塊鏈的運作機制以及演進，進而找到最適合自己運用這項技術的方式喔。