关键要点
工作量证明（PoW）是一种去中心化共识机制，用于区块链网络以验证交易和生成新块，要求称为矿工的网络参与者利用处理能力解决计算难题。
在工作量证明的区块链中，矿工竞争找到一个有效的哈希，以满足网络的难度目标。第一个成功的矿工将新区块添加到链中，并获得当前在比特币网络上减半后为3.125 BTC的区块奖励。
比特币网络的总电力消耗估计约为每年130到200 TWh，类似于中型国家的电力使用，估计40%到60%的电力来自可再生能源，具体取决于方法论和地区组合。
与权益证明（PoS）相比，工作量证明提供了更长的安全记录和使攻击变得昂贵的物理资源成本，但它面临着对其环境足迹的持续监管审查，迫使一些矿工采用被困的能源来源并参与电网需求响应项目。
引言
工作量证明（PoW）是一种加密共识机制，通过要求参与者消耗计算资源来验证交易和创建新区块，从而保护区块链网络。
如果你曾经想知道比特币交易是如何在没有中央权威的情况下得到确认的，工作量证明就是答案。这是一个让世界各地成千上万的计算机在不相互信任的情况下就共享账本的状态达成一致的系统，以新颖的方式解决了拜占庭容错问题。
什么是工作量证明（PoW）？
要求计算努力以访问资源的概念早于加密货币。1993年，研究人员Cynthia Dwork和Moni Naor提出使用计算难题来对抗电子邮件垃圾邮件，通过对发送者施加处理成本。
1997年，Adam Back创建了Hashcash，这是一个实用的基于哈希的工作量证明系统，旨在通过寻找满足特定目标的哈希值来阻止垃圾邮件。
"工作量证明"一词由Markus Jakobsson和Ari Juels在1999年正式提出。2008年，中本聪将这些思想与点对点时间戳链结合，创建了比特币，这是一个仍然以工作量证明保障的最大加密货币网络。
工作量证明的基本思想是，向链中添加新区块交易必须是困难且成本高昂的，但其他网络参与者验证起来却很简单。
这种不对称性创造了安全保证：通过试图重写交易历史来攻击网络将需要一个实体控制超过一半的总计算能力，这在比特币当前的规模下经济上是不切实际的。
工作量证明如何运作？
在工作量证明系统中，矿工竞争寻找称为nonce的特定数值，当其与区块的交易数据结合并经过加密哈希函数处理时，产生一个满足网络难度目标的输出。
该目标会定期调整，以便在网络上无论总的计算能力如何，区块都能以稳定的速率产生。比特币使用的哈希函数SHA-256生成一个固定长度的看似随机的输出，这意味着矿工必须通过暴力计算尝试数万亿个不同的nonce值以找到有效结果。
当矿工找到一个有效哈希时，他们将新区块广播给网络的其他节点。其他节点通过运行相同的哈希计算几乎瞬间验证解决方案。如果区块有效，它将被添加到每个节点的区块链副本中，成功的矿工获得区块奖励，以及区块中包含的任何交易费用。
该过程然后为下一个区块重复，所有矿工竞相寻找下一个有效哈希。在比特币网络中，网络的难度大约每2016个区块（大约两周）调整一次，以保持平均区块时间约为十分钟。
工作量证明与权益证明
工作量证明和权益证明代表区块链共识的两种主流方法，各有不同的权衡。在权益证明中，验证者将其部分代币锁定作为抵押，而不是在计算上消耗能源。
该协议根据质押的大小选择验证者来提议和验证新区块，而行为不诚实的验证者有风险通过称为惩罚的削减而失去其锁定代币。
这两种机制的一个重要现实测试来自于以太坊在2022年9月从工作量证明转向权益证明，被称为合并。在此次转变之后，以太坊的能源消耗下降了超过99.9%，从每年数十个太瓦时下降到与几千台标准服务器相当的水平。
这次剧烈的减少加强了支持权益证明的环境论据，并加大了对工作量证明网络的监管压力。然而，比特币的支持者认为，物理能源成本是一个特征而非缺陷，将网络的安全性与不能被制造或模拟的真实世界资源锚定在一起。
从安全的角度来看，工作量证明要求攻击者获取并提供足够的硬件以控制网络哈希率的多数（51%攻击），这个命题在网络扩展时变得越来越昂贵。
权益证明要求攻击者获取大多数质押代币供应，这同样耗费资金，但运作在不同的经济模型下。尽管两者在大型网络的规模上都没有成功被攻击，但它们都面临集中化压力：工作量证明中的矿池和ASIC制造，以及权益证明中的质押池和大型交易所验证者。
工作量证明的优点与局限性
工作量证明受益于长期且经过充分研究的历史记录。比特币自2009年起持续运行，没有发生过持续的共识失败或大规模成功的双重支付攻击，证明了该机制能在真实经济条件下保护全球金融网络的安全。
工作量证明的物理资源成本也意味着区块链的历史随着时间的推移变得越来越难以更改，因为每个新区块都增加了重写链所需的累积工作量。
工作量证明的主要局限性是其能源消耗。全球比特币挖矿估计每年消耗约130到200 TWh的电力，产生的二氧化碳当量为7000万到1亿吨，具体取决于矿工所使用的能源结构。
相当大比例的挖矿能源来自可再生能源，包括加拿大和斯堪的纳维亚地区的水电，以及美国部分地区的风能和太阳能。行业调查显示，约40%到60%的挖矿能源来自可再生能源，尽管确切数字取决于方法论和被调查的操作。
其他操作则依赖于煤炭重的电网，尤其是在中亚地区。部分矿工已经采取措施，比如捕获油田的燃烧天然气，并参与电网需求响应项目，在峰值电力需求期间停机以换取补偿。
2024年减半与挖矿格局
2024年4月的比特币减半将区块奖励从6.25 BTC减少到3.125 BTC，压缩了矿工的收入，并加速了向大型、资本雄厚的工业化操作的整合。
到2025年，随着公共矿业公司部署更高效的ASIC硬件并扩展到能源便宜的地区，网络哈希率持续增长。
哈希率在2025年底达到了约1400 EH/s的历史高点，但在2026年初显著下降，较峰值水平下降了大约40%到50%，因为利润压力迫使高成本的操作退出市场。这一下降的幅度与2021年因中国挖矿禁令导致的哈希率下降相当。
挖矿行业的一个显著趋势是一些大型运营商向多元化计算基础设施的转变。Bitdeer、Core Scientific和Hut 8等公司已扩展到AI云服务、GPU租赁和高性能计算的共址，同时进行比特币挖矿，将能源密集型数据中心视为灵活资产，根据市场条件在挖矿、AI工作负载和电网服务之间切换。
这一趋势反映了工作量证明挖矿行业的更广泛成熟，最大的参与者越来越多地作为基础设施提供者，而不仅仅是纯粹的比特币矿工。
常见问题解答
简单来说，什么是工作量证明？
工作量证明是一种系统，计算机竞相解决每个新区块交易的计算难题。可以把它想象成一种彩票，购买更多的"彩票"（计算能力）会增加你获胜的机会。赢家添加下一个区块并获得奖励，而所需的努力确保没有人能够便宜地伪造或重写过去的交易。
为什么工作量证明消耗如此多的能源？
能源支出是故意的：这是使网络安全的成本。因为矿工必须在电力和硬件上花费真实货币，攻击比特币需要超出整个矿业行业的开销。
难度调整确保随着更多计算能力的加入，难题变得更难，从而保持区块生产大约每十分钟一次，而不管网络的总功率如何。
工作量证明能否变得更高效？
多年来，挖矿硬件变得极为高效，现代的ASIC每瓦特执行的哈希计算远比早期的几代要多。
然而，效率的提高往往会吸引更多的矿工，从而提高难度，因此网络的总能耗主要受比特币价格和区块奖励的驱动，而不仅仅是硬件效率。
一些矿工通过使用可再生能源、捕获废气甲烷或为电网提供灵活需求来减少其环境足迹。
工作量证明与权益证明有什么区别？
工作量证明通过计算努力和电力支出保护网络，而权益证明则通过验证者锁定加密货币作为抵押来保护网络。
关键的哲学区别在于：工作量证明将安全性锚定在一个存在于加密货币系统之外的物理资源（能源）上，而权益证明则将安全性锚定在系统内代币的价值上。
每种方法在去中心化、能源使用和攻击成本上都有不同的权衡。
比特币减半后矿工会发生什么？
减半将区块奖励减半，立即减少每个区块的矿工收入。电费成本较高或硬件效率较低的矿工面临关闭或升级的压力，而资本雄厚、能够获得廉价电力的操作可以扩大市场份额。
历史上，减半通常会导致价格上涨，最终恢复矿工的盈利能力，尽管这一结果并不总是有保障。
进一步阅读
• 什么是权益证明（PoS）？
• 什么是51%攻击？
• 比特币减半日期：减半后你的比特币会发生什么？
• 什么是区块链，它是如何工作的？
• 区块链第一层与第二层扩展解决方案
免责声明：此内容以“按现状”方式提供，仅供一般信息和/或教育目的，并不代表或保证任何形式。不得将其解释为财务、法律或其他专业建议，也不意味着推荐购买任何特定产品或服务。您应寻求适当专业顾问的建议。对于由第三方提供的内容，请注意，所表达的观点属于第三方贡献者，并不一定反映Binance Academy的观点。数字资产价格可能会波动。您的投资价值可能会下降或上升，您可能无法收回投资金额。您对自己的投资决策负全部责任，Binance Academy对您可能遭受的任何损失不承担责任。有关更多信息，请参见我们的使用条款、风险警告和Binance Academy条款。