Der Aufstieg der ASICs: Eine schrittweise Geschichte des Bitcoin-Bergbaus

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In den letzten zehn Jahren haben die Maschinen, die das Bitcoin-Netzwerk unterhalten, eine rasante technologische Entwicklung erfahren.

Bergbaumaschinen sind ein grundlegendes Merkmal für den Erfolg des Bitcoin-Netzwerks, da diese Maschinen bestimmen, ob es für Bergleute rentabel ist, das zu tun, was sie tun, dh die Berechnungen zu verarbeiten, die zum Einbetten von Transaktionsblöcken in die Blockchain erforderlich sind.

Die Geschichte der Bitcoin-Bergbaumaschinen wird zwar etwas übersehen, ist aber auch eine wichtige Erklärung dafür, warum sich die Bergbautätigkeit im Laufe der Jahre zu einer milliardenschweren Industrie entwickelt hat. Die Bergbauindustrie entwickelt sich heute weiter, obwohl es Anzeichen dafür gibt, dass sich ihre Entwicklung verlangsamt.

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Im Folgenden werfen wir einen Blick auf die gesamte Geschichte der Bitcoin-Mining-Technologie und darauf, wohin Innovationen als nächstes führen könnten.

CPU Mining

Am 3. Januar 2009 hat der pseudonyme Schöpfer Satoshi Nakamoto den ersten Bitcoin-Block abgebaut. Als einziger Bergmann im Bitcoin-Netzwerk benötigte Nakamoto keine spezielle Ausrüstung, um die Bitcoin-Blockchain zu starten. Er war in der Lage, Bitcoin-Blöcke mit einem durchschnittlichen Personal Computer zu erstellen.

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Computer, die zum Surfen im Internet, zum Starten von Microsoft Word und zu einer Reihe anderer unzähliger Anwendungen verwendet werden, enthalten eine sogenannte Zentraleinheit (CPU). Diese Geräte steuern, wie Befehle auf einem Computer verarbeitet und ausgeführt werden. Aufgrund des Mangels an Miner-Wettbewerb in den Anfängen von Bitcoin konnte die Rechenenergie, die erforderlich ist, um neue Blöcke zu erstellen und Mining-Belohnungen zu verdienen, problemlos auf CPU-Geräten verarbeitet werden.

Die Hardware, die zum Abbau neuer Münzen benötigt wurde, entwickelte sich im Laufe der Zeit, als neue Bergleute dem Bitcoin-Netzwerk beitraten und um Blockbelohnungen konkurrierten.

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Bitcoin-Mining-Schwierigkeit im Verhältnis zur Zeit und ungefähre Einführungsdaten der neuen Mining-Technologie
Quelle: "Die Evolution der Bitcoin-Hardware" von Michael Bedford Taylor (Universität Washington), CoinDesk Research

GPU- und FPGA-Mining

Die erste große Innovation bei der Bitcoin-Mining-Hardware erfolgte kurz nach der Festlegung eines Marktwerts für Bitcoin.

Am 22. Mai 2010 zahlte der Computerprogrammierer Laszlo Hanyecz 10.000 BTC für zwei Papa Johns Pizzen. Die Pizzen waren rund 25 Dollar wert. Nach Angaben des Kryptowährungsdatenanbieters Coin Metrics stieg der Bitcoin-Marktpreis im Juli auf rund 8 Cent. Als der Bitcoin-Preis im Oktober 2010 10 Cent erreichte, wurde das erste Mining-Gerät entwickelt, das Grafikprozessoren (GPUs) nutzt.

Im Gegensatz zu CPUs sind GPU-Geräte für die Ausführung eines engen Bereichs von Rechenaufgaben optimiert. Ursprünglich für Spieleanwendungen entwickelt, können GPUs einfache mathematische Operationen parallel und nicht einzeln berechnen, um Tausende zeitkritischer Bildpixel zu erzeugen. Diese Geräte können auch neu programmiert werden, um andere mathematische Operationen zu berechnen, z. B. diejenigen, die zum Minen von neuem Bitcoin erforderlich sind.

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Gehäuse mit GPU-Cryptocurrency-Mining-Maschinen.
Quelle: DMG Blockchain

Die Innovation des GPU-Mining, dh das Mining von Bitcoin auf einem GPU-Gerät, hat die Produktion von Bitcoin-Blöcken und das Verdienen von Blockbelohnungen nach einer Analyse des CEO des Bergbau-Beratungsunternehmens Navier, Josh Metnick, im Durchschnitt etwa sechsmal effizienter gemacht. Für diese Effizienzgewinne kostet ein durchschnittliches GPU-Gerät nur doppelt so viel wie ein durchschnittliches CPU-Gerät.

Diese Effizienzgewinne wurden im folgenden Jahr, im Jahr 2011, schnell überschattet, als auch feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGAs) neu modelliert wurden, um Bitcoin abzubauen.

Nach Metnicks Berechnungen können FPGAs die mathematischen Operationen berechnen, die erforderlich sind, um Bitcoin doppelt so schnell abzubauen wie die GPU der höchsten Klasse. Diese Geräte sind jedoch arbeitsintensiver zu bauen. FPGAs müssen sowohl auf Software- als auch auf Hardwareebene konfiguriert werden. Dies bedeutet, dass die Geräte so programmiert werden müssen, dass sie benutzerdefinierten Code ausführen, und dass sie so konzipiert sind, dass dieser Code effizient ausgeführt wird. Durch die Möglichkeit, Hardwarekomponenten auf einem FPGA anzupassen, sind diese Gerätetypen für das Bitcoin-Mining besser optimiert als für eine GPU.

ASIC-Mining

Die dritte wichtige Neuerung im Bitcoin-Bergbau erforderte wahrscheinlich die größte Menge an dedizierten Ressourcen, Zeit und Entwicklung, um dies zu erreichen. Anstatt die Software- und Hardwareparameter bestehender Maschinen neu zu verwenden, zahlten sich die Bemühungen, eine völlig neue Maschine zu schaffen, die nur Bitcoin abbauen würde, schließlich aus. 2013 veröffentlichte ein in China ansässiger Computerhardwarehersteller namens Canaan Creative den ersten Satz anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreise (ASICs) für das Bitcoin-Mining.

Diese Geräte wurden im Gegensatz zu CPUs, GPUs und FPGAs von Anfang an für die Gewinnung von Bitcoin entwickelt. Dies bedeutete, dass alle Hardware- und Softwarekomponenten dieser ASIC-Geräte vorab entworfen und optimiert wurden, um genau die Berechnungen zu berechnen, die zum Erstellen neuer Bitcoin-Blöcke erforderlich sind. Die Effizienzgewinne durch ASICs konnten von keinem der vorangegangenen allgemeineren Geräte erreicht werden.

Während Canaan Creative der erste Bitcoin-ASIC-Hersteller war, entwickelten andere wie Bitmain und MicroBT auch neue Versionen von ASIC-Bitcoin-Mining-Geräten mit immer fortschrittlicherer Hardware. Eine der auffälligsten Entwicklungen in der ASIC-Bergbautechnologie seit 2013 war die stetige Reduzierung der Chipgröße. Die Größe der ASIC-Chips, die 2013 mit einer Größe von 130 nm begann, ist bei den neuesten Hardwaremodellen erheblich auf 7 nm geschrumpft.

Ohne eine radikal neue bahnbrechende Technologie werden Bitcoin-Bergleute bald aufhören, hauptsächlich auf der Basis von Hardware und Ausrüstung zu konkurrieren, wie dies im letzten Jahrzehnt der Fall war.

Die Bedeutung der Chipgröße kommt auf die Effizienz des Bergbaus zurück. Je breiter die Oberfläche eines ASIC-Chips ist, desto größer sind seine Kommunikationskanäle und desto mehr Strom wird zur Übertragung von Daten auf seiner Oberfläche benötigt. Nach Berechnungen von Metnick ist ein ASIC-Bitcoin-Mining-Gerät heute 100 Milliarden Mal so schnell wie die durchschnittliche CPU im Jahr 2009.

Rakesh Kumar, außerordentlicher Professor für Elektrotechnik und Informationstechnik an der Universität von Illinois, glaubt, dass ein starker Motivationsfaktor für die Entwicklung der Hardware im Bergbau im Laufe der Jahre seit der Schaffung von Bitcoin der steigende Dollarwert von Bitcoin war, der den Bergbau zu einer zunehmend lukrativen Aktivität machte. Je höher der Marktwert von Blockbelohnungen ist, desto höher ist die Auszahlung für Innovationen in der Bergbautechnologie, die die Gewinnmargen der Bergarbeiter steigern und gleichzeitig die Betriebskosten senken.

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Quelle: Münzmetriken

Die Zukunft des Bitcoin-Bergbaus

Seit 2015 war die Reduzierung der Chipgröße bei ASIC-Bitcoin-Mining-Geräten langsamer und weniger dramatisch als in den Jahren 2013 und 2014. Darüber hinaus gibt es seit dem ersten Bitcoin-ASIC-Miner keine neue Technologie, mit der die Effizienzgewinne beim Mining auf die gleiche Weise wie beim GPU-Mining übersprungen werden können hatte für CPU-Mining oder FPGA-Mining hatte für GPU-Mining.

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Neue Bitmain Antminer S17 Profis.
Quelle: Navier

"Wir stoßen an grundlegende Grenzen", sagte Kumar. "Es ist ein Problem für die gesamte Branche, nicht nur [bitcoin] Bergbau, aber die gesamte Halbleiterindustrie… Wir brauchen eine neue Art von Gerät. “

Ohne eine radikal neue bahnbrechende Technologie werden Bitcoin-Bergleute bald aufhören, hauptsächlich auf der Basis von Hardware und Ausrüstung zu konkurrieren, wie dies im letzten Jahrzehnt der Fall war. Sollte Bitcoin-Mining-Hardware zur Ware werden, bei der sich die Effizienzgewinne eines Modells geringfügig von denen eines neueren Modells unterscheiden, müssen Bergleute andere Bereiche in Betracht ziehen, um einen Wettbewerbsvorteil zu erzielen. Diese könnten unter Innovationen in der Energiebeschaffung, Finanzplanung oder sogar Produktdiversifikation fallen.

Während die Entwicklung der Bitcoin-Mining-Hardware in der Vergangenheit die Ursache für große Effizienzsteigerungen bei Miner war, ist dies in Zukunft möglicherweise nicht der Fall, zumal technologische Innovationen auf der Basis von Hardware immer weniger werden. Der Wettbewerb um Belohnungen für den Bitcoin-Abbau wird die technologische Entwicklung weiter vorantreiben. Es ist jedoch unklar, wie der nächste große Sprung in der Bergbautechnologie aussehen wird.

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