Последнее обновление страницы: 8 июня 2023 г.
Энергопотребление Ethereum
Текущий расход энергии Ethereum с доказательством работы слишком высок и неэкологичен. Решение проблемы с расходом энергии без ущерба для безопасности и децентрализации является серьезной технической задачей, и в течение многих лет она находилась в центре внимания исследований и разработок. Давайте рассмотрим, почему создание Ethereum оказало большое влияние на окружающую среду и как грядущее обновление сети с переходом к доказательству владения кардинально это изменит.
Энергия защищает сеть
Транзакции блокчейна Ethereum проверяются майнерами. Майнеры объединяют транзакции в упорядоченные блоки и добавляют их в блокчейн Ethereum. Новые блоки передаются всем другим операторам узлов, которые независимо выполняют транзакции и подтверждают их правильность. Любая попытка обмана выявляется как несоответствие между различными узлами. Достоверные блоки добавляются в блокчейн и становятся неизменной частью истории.
Способность любого майнера добавлять новые блоки существует только в том случае, когда есть затраты, связанные с добычей, и непредсказуемость того, какой конкретный узел отправляет следующий блок. Эти условия выполняются путем введения доказательства работы (proof-of-work, PoW). Чтобы иметь право передать блок транзакций, майнер должен решить произвольную вычислительную задачу быстрее, чем любой другой майнер. Решение этой задачи создает конкуренцию между майнерами и затраты на энергоснабжение. Для успешного обмана блокчейна нечестный майнер должен будет последовательно выигрывать в гонке доказательства работы, что весьма маловероятно и непомерно дорого.
Ethereum использовал доказательство работы с момента создания. Переход с доказательства работы на доказательство владения всегда был одной из основных целей Ethereum. Однако создание системы доказательства владения с соблюдением всех принципов безопасности и децентрализации Ethereum является нетривиальной задачей. Потребовалось провести большое число исследований и совершить прорыв в области криптографии, криптоэкономики и механизмов проектирования, чтобы достичь момента, когда переход стал возможен.
Расходы на электроэнергию при использовании доказательства работы
Доказательство работы (proof-of-Work) — это надежный способ обеспечить безопасность сети и проводить честные изменения в блокчейне, но это проблематичный подход по целому ряду причин. Поскольку право добыть блок требует решения произвольной вычислительной задачи, майнеры могут увеличивать их шансы на успех, вкладывая средства в более мощное оборудование. Это стимулирует гонку вооружений среди майнеров, в ходе которой они приобретают все более энерготребовательное оборудование для майнинга. Протокол подтверждения работы Ethereum в настоящее время имеет годовое энергопотребление примерно такое же, как Финляндия1, а углеродный след — как Швейцария1.
Доказательство владения
Более экологичное будущее Ethereum уже строится в виде цепи c доказательством владения (proof-of-stake, PoS). П ри использовании доказательства владения решение произвольных задач не требуется. Отход от решения задач кардинально сокращает потребление энергии, требуемой для обеспечения безопасности сети. Майнеры заменяются валидаторами, которые выполняют ту же функцию с той разницей, что вместо использования своих активов для перевода их в форму вычислительной работы, они закладывают ETH в качестве залога против нечестного поведения. Если валидатор бездействует (не в сети, когда он должен выполнять свои обязанности), его залоговые ETH будут медленно утекать, в то время как доказуемо нечестное поведение приведет к тому, что залоговые активы будут «сокращаться». Это надежно простимулирует активное и честное участие в обеспечении безопасности сети.
Как и в случае с доказательством работы, злоумышленнику потребуется не менее 51 % от общего количества ETH, размещенного в сети, для выполнения атаки 51 %. Однако в отличие от доказательства работы, где потенциальная потеря при неудавшейся атаке сводится к расходам на генерацию хэша для майнинга, при доказательстве доли владения возможная потеря при атаке — это вся сумма ETH, используемая в качестве залога. Эта сдерживающая структура позволяет обеспечить безопасность сети с помощью доказательства владения, устраняя при этом необходимость тратить энергию на произвольные вычисления. Подробные пояснения по сетевой безопасности в рамках модели Proof-of-Stake можно найти здесь и здесь(opens in a new tab).
Слияние
С декабря 2020 года работает функциональная цепочка Proof-of-Stake под названием Beacon Chain, которая демонстрирует жизнеспособность протокола. Понятие «слияние» относится к моменту времени, когда Ethereum полностью откажется от модели Proof-of-Work и перейдет к модели Proof-of-Stake. Ожидается, что слияние произойдет в третьем или четвертом квартале 2022 года. Подробнее о слиянии.
Расходы на электроэнергию при модели Proof-of-Stake
Помимо укрепления доверия к механизму PoS, Beacon Chain также позволит оценить энергопотребление Ethereum после слияния. Недавняя оценка(opens in a new tab) показала, что слияние с переходом на Proof-of-Stake может привести к сокращению общего энергопотребления на 99,95 %. Учитывая это, Proof-of-Stake будет примерно в 2000 раз более энергоэффективным, чем Proof-of-Work. Энергозатраты Ethereum будут примерно равны стоимости работы домашнего компьютера для каждого узла в сети.
Оценка энергопотребления PoW на транзакцию, используемая на рисунке, основана на данных за май 2021 года(opens in a new tab), на момент написания этот источник предполагал потребление до 175,56 кВт*ч(opens in a new tab).
Давайте сравним эти цифры с таким сервисом, как Visa. 100 000 транзакций Visa используют 149 кВт*ч энергии2. Предполагая, что шардинг реализован, текущая скорость транзакций Ethereum (15 транзакций в секунду) будет увеличена как минимум в 64 раза (количество шардов) без учета дополнительной оптимизации от накопительных пакетов. Реалистичная оценка для Ethereum с накопительными пакетами после шардинга и слияния составляет 25 000–100 000(opens in a new tab) транзакций в секунду. Мы можем использовать эту информацию для оценки максимального и минимального расхода энергии на 100 000 транзакций.
- 25 000 транзакций в секунду.
100 000 / 25 000 = 4
секунды для обработки 100 000 транзакций.
Мы также можем оценить расход энергии Ethereum в секунду, сделав скромную оценку, согласно которой безопасность сети обеспечивают 10 000 активных валидаторов (на данный момент в Beacon Chain более 250 000 валидаторов(opens in a new tab), но многие вали даторы могут действовать на одном узле). В настоящее время, по оценкам, существует 3000–4000 отдельных узлов, поэтому 10 000 — это скромная оценка после слияния:
1,44 кВт*ч ежедневного потребления * 10 000 сетевых узлов = 14 400 кВт*ч
в день. В сутках 86 400 секунд, поэтому 14 400 / 86 400 = 0,1667 кВт*ч
в секунду.
Если мы умножим это число на количество времени, необходимое для обработки 100 000 транзакций: 0,1667 * 4 = 0,667 кВт*ч.
.
Это примерно 0,4 % энергии, используемой Visa для того же количества транзакций, или снижение расхода энергии примерно в 225 раз по сравнению с текущей сетью Ethereum на Proof-of-Work.
Повторение расчета с максимальным количеством транзакций в секунду дает 0,1667 кВт*ч в секунду, что составляет около 0,1 % от энергопотребления Visa, или сокращение примерно в 894 раза.
Примечание. Сравнение по количеству транзакций не совсем точно, поскольку потребление энергии Ethereum зависит от времени. Энергопотребление Ethereum в течение 1 минуты одинаково и не зависит от того, выполняется 1 или 1000 транзакций.
Мы должны также учитывать, что Ethereum не ограничивается простыми финансовыми транзакциями, но также является полноценной платформой, созданной для умных контрактов и децентрализованных приложений.
Более зеленый Ethereum
Хотя энергопотребление Ethereum исторически было значительным, разработчики вложили много времени и умственных усилий в переход от энергоемкой к более энергоэффективной проверке блоков. Цитируя Bankless(opens in a new tab), лучший способ уменьшить потребление энергии доказательством работы — это просто «отключить его». Именно такой подходрешили реализовать в Ethereum.
Дополнительные ресурсы
- Энергопотребление на уровне целой страны уходит в прошлое(opens in a new tab) Карл Бекхейзен, 18 мая 2021 г.
- Энергопотребление Ethereum(opens in a new tab)
- Эмиссия Ethereum: полная оценка(opens in a new tab) — Кайл Макдональд
- Индекс энергопотребления Ethereum(opens in a new tab) — Digiconomist
- ETHMerge.com(opens in a new tab) — @InsideTheSim(opens in a new tab)
Похожие темы
Сноски и источники
1. Энергопотребление Ethereum с Proof-of-Work
Энергопотребление по странам, в т. ч. Ethereum (ТВт*ч, в годовом исчислении)(opens in a new tab)
2. Энергопотребление Visa
Финансовый отчет Visa за 4 квартал 2020 года(opens in a new tab)