代码“大换血” 以太坊能耗将减少99%背后的故事

2018年大部分时间，以太坊挖矿的用电量，与“冰岛”整个国家的用电量差不多。事实上，每次典型以太坊交易消耗的电力，要比一个普通美国家庭日均用电量还多。

以太坊设计者Vitalik Buterin说：“即便你不觉得污染和二氧化碳是问题，但巨大的能源浪费确实存在。真正的消费者——我们每个人对电力的需要正在被比特币取代。” 

最具野心的开源工程

Buterin计划在2019年开始削减能源浪费。为此，以太坊基金会，以及各相关开源团队，都计划实地测试期待已久的以太坊代码“大换血”。如果手术成功，那么到2019年底，以太坊的新代码可以用目前所消耗能源的1%来完成交易。

为加密货币提供咨询的专家Zaki Manian说，以太坊的重生尝试将是今年“最值得关注的技术活动之一”。他认为，以太坊的开发过程，意味着众多开发者和组织必须公开协作，在规范上协同，创造出让区块链真正实现的技术，并使其无缝协作——这是迄今为止最具技术野心的开源社区项目。

Buterin的愿景，是让以太坊成为一个去中心、对所有人开放、本质上不受停机、审查和欺诈等因素影响的全球计算机。

以太坊区之所以具备这样的潜力，是因为它能存储数据、支持决策并自动分配价值。通过智能合约，以及由用户和开发人员，用以太坊的定制程序语言编写的应用来管理任务。从长远看，基于智能合约构建的应用，最终将使以太坊成为终极云计算平台。

能耗双刃剑

然而，这一崇高的愿景与现实冲突——尽管以太坊上运行着价值百万美元的应用，但就连Buterin也表示，以太坊消耗的资源超过了它的社会效益。

问题出在挖矿上。如多数加密货币一样，以太坊依赖“工作量证明（proof of work，PoW）的规则进行算力竞赛。在PoW规则下，所有参与者都竞相保证交易安全，并将交易数据添加到区块链的全球分布式账本中。这是一场赢家通吃的比赛，他们拿到新挖出的加密货币的奖励。因此，计算机算力越强，获得奖励的机会就越大。

设计PoW的初衷是增加挖矿的难度。其设计理念是防止任何一个实体控制区块链。比方说，如果一个比特币矿工的计算机系统拥有该网络一半以上的算力，该矿工就可能做出欺诈行为，比如篡改早已完成的交易。比特币用户几乎没有追索权，因为矿工都是匿名的。

理论上，PoW能让挖矿保持其分布式的特征。然而实际中，由中国几家芯片厂生产的可以加速挖矿的专用处理器ASIC的出现，已将算力集中在这些矿机而非各种不同的加密货币上了。

以太坊选择了一种内存密集型的PoW算法，进一步对抗了能源集中化的现象。这种算法对ASIC来说是不利的，然而面对价值狂飙，计算资源的投入，在过去一年，经历了爆炸性增长——至少是前一年的25倍。

由此产生的能源需求引起了环保人士的强烈反对。与此同时，公用事业部门和社区认为，如果它们迎合加密货币矿工的需求，就会面临财务风险和机会成本——在创造少量就业机会的同时，吞噬了廉价的电力。

为矿工提供服务可能要事业部门进行设备升级，但如果加密货币价格暴跌，挖矿业务关闭，设备升级就可能徒劳。

最近的市场动态验证了它们的担忧。以太币自去年一月达到1358美元峰值，就开始下跌，本文发稿时仅为136.37美元，这足以抹掉矿工的边际利润，并使一些公司放慢挖矿速度甚至关闭设备。

难怪一些公用事业公司会提高矿工的电价，比如总部位于蒙特利尔的魁北克省水电公司。公用事业及其监管机构的这种阻力可能会进一步削弱基于PoW的加密货币的安全性。限制电力供应和不断上涨的能源成本将阻碍新人加入，加速挖矿权的集中化，从而增加共谋和欺诈风险。

对Buterin而言，削减能源一开始就是以太坊愿景的一部分。其他支持者普遍认同这一点——计划是将PoW替换为权益证明（PoS）——分布式共识的替代机制，该机制于2012年首先被用于一个叫Peercoin的加密货币。PoS随机挑选一名矿工处理交易，而不是数百万处理器同时处理相同的交易。

在PoS机制下，参与者成为“验证者”而不是矿工，关键是要使验证者保持诚实——PoS通过要求每个验证者在以太坊中投注以太币作为抵押来实现这个关键要求。投注越多，验证者就会有越多的机会。但同时也意味着，如果被发现作弊，该验证者将会遭受很大的损失。

按Buterin的说法，转向PoS将使以太坊交易能量消耗减少99%以上，“PoW是耗费巨额电力的部分，区块链交易本身所需的算力并不是超级密集，主要是验证数字签名。这不像某种重型3D矩阵地图或机器学习那样，有千兆字节的数据。”

削减算力和能源使用不仅仅是一种生态行为，还具有经济利益。因为这会降低新以太币的发行速度来鼓励验证者——稀释了一个加密货币的额外资金。因为PoS验证者并没有消耗所有的能量，我们不必像以前一样奖励他们。

转向PoS还可以提高安全性。在PoS下，每个验证者帐户的位置是已知的，如果验证者违反规则，那么位置销毁。以太坊基金会的主要PoS开发人员Vlad Zamfir将这比做：比特币社区获得了销毁滥用权力的矿工数据中心的权力。

不容有误的转弯

到2015年，PoS的优势已经说服了以太坊社区作出转变，而Buterin这样的领导者预计会在短短的一两年内实现这一目标。为了明确他们的意图，以太坊的核心开发人员重新编写了他们的PoW代码，以增加挖矿难度——被称为“Hard Bomb”，它在2016年底开始减缓新交易区块的建立，预计在此后的几年内，将让以太坊挖矿滞不前。

然而，这个功能更像是带有贪睡按钮的闹钟。2017年10月，当挖矿时间翻倍，达到30秒时，以太坊团队重置了时钟，将PoW的世界末日推迟了大约12个月。他们很快就会再次按下贪睡按钮。

并不是说以太坊团队正在睡觉。Buterin说，事实上，以太坊的开发者已经消灭了大部分与PoS相关的理论怪兽，但理论解决方案转变为高效软件的过程一直比预期的要慢。

为2019年带来希望的是以太坊领导人在2018年6月采用的一项激进的新计划。在此之前，他们曾预计将PoS并入现有的以太坊区块链。但6月，他们决定与PoW彻底决裂，建立一个完全通过PoS操作的全新区块链。

这个双链解决方案被称为以太坊2.0，为以太坊程序员带来了不同的体验，因为如果继续使用原始链，就意味着要将PoS机制编写成一组复杂的智能合约。

在决定转向以太坊2.0的几个月后，PoS规范就被草拟了出来，多个团队已经在使用各种编程语言开发软件。例如Sigma Prime所在的Hauner团队正在使用Rust开发其以太坊2.0客户端，他预计这款应用将在2019年初于测试网络上运行PoS。

Buterin表示，2019年底之前，公共测试网可能会处理另一个拥有多个分支机构的以太网2.0创新，以提高交易吞吐量。但他警告仍可能有“未知因素”潜伏，使这一时间推迟。

作为一个价值数十亿美元的网络，以太坊如果推出不稳定或不安全的技术，显然会损失惨重。要使用以太坊的PoS链，以太币的持有者必须在原有的以太坊链上存入一个智能合约，该合约不可逆转地将以太币转移到新的链上。任何失误都可能让使用以太坊智能合约开发者与项目濒临险境。

而若延迟太久，以太坊也会遭受巨额损失——一系列资金充足的项目，如cardano、Dfinity、Eosio和Cosmos等，正在酝酿自己的，基于PoS的区块链。像以太坊一样，他们试图证明高安全与高效率并不矛盾。

谁最先释放区块链的应用潜力，谁就可能成为未来的计算平台，而其他竞争者则可能消失。