区块链/等级 III · 网络/3.2 挖矿/课程 1
从CPU到GPU、FPGA和ASIC
硬件军备竞赛：从通用逻辑器件到单一功能芯片
材料Antminer S9及当前世代ASIC矿机的制造商规格参数当地电价（每千瓦时的费用）
好奇
- 为何专为游戏设计的显卡在哈希运算方面的性能会优于现代CPU？
- 当一台矿机的效率仅比下一代低20%时，其经济可行性会发生什么变化？
- 制造环节集中在少数几家企业手中，会如何改变网络的去中心化格局？
探索
- 2009年初，挖矿使用的是普通的中央处理器（CPU）。中本聪和最早的一批采用者在个人台式电脑上运行软件，通过暴力计算SHA-256哈希来争夺区块奖励。这一时期一直延续到2010年；CPU是为多样化的顺序任务而设计的，而不是为工作量证明所奖励的那种无休止的并行重复运算。随着全网难度上升，业余硬件与不断扩张的网络之间的算力差距迅速拉大。
- 2010年，挖矿的重心转向了图形处理器（GPU）。GPU最初为渲染图形而设计，拥有数千个能够同时执行简单计算的核心。拉斯洛·汉耶茨是最早用显卡挖矿的人之一，他意识到这种并行能力相比CPU能大幅提升每瓦算力。随着难度攀升，短短几个月内CPU挖矿便失去了竞争力。
- 大约在2011年，现场可编程门阵列（FPGA）登场。与架构固定的GPU不同，FPGA是一种出厂后仍可由用户重新编程的芯片。矿工利用它剔除芯片中所有不必要的逻辑，只保留SHA-256哈希运算所需的特定电路。这使其能效和性能明显优于通用显卡，标志着向专用硬件又迈进了一步。
- 这一演进的巅峰是专用集成电路（ASIC）。首批比特币ASIC于2013年初出货（Avalon），随后比特大陆推出了Antminer系列；其中Antminer S9（2016年）算力约为12-14 TH/s（因批次而异），多年来一直占据主导地位。ASIC是专为双重SHA-256算法优化定制的芯片，性能和效率无可匹敌，使此前所有类型的硬件在竞争环境中都失去了经济可行性。
- 效率是关键指标：每太哈希消耗的焦耳数（J/TH）。2025-2026年最好的新机型约为10-15 J/TH，而全网矿机的平均水平更接近20-30 J/TH。只要电费不可忽略，每一代硬件都会让上一代无利可图。比特币ASIC除了计算双重SHA-256之外什么也做不了，因此只能挖采用相同工作量证明的币。这种专用性把矿工的资本与单一资产的健康状况绑定在一起。
- ASIC使制造环节集中在少数几家公司手中，这是一个反复出现的去中心化隐忧。虽然软件依然开放、无需许可，但在经济上参与挖矿所需的硬件却是专有的，且只由有限的供应商生产。如需了解当前的效率标准，可访问区块浏览器或挖矿数据面板，将全网算力估算值与不同年代主流ASIC机型的功耗指标进行比较。
关键事实
- 2009年，CPU挖矿占据主导地位，但到了2010年，GPU并行计算技术便超越了它。
- 2010年，拉斯洛·汉耶茨是最早使用显卡挖矿的人之一。
- FPGA于2011年出现，凭借可重编程逻辑实现了比GPU更高的效率。
- Antminer S9（2016年）的算力约为12-14 TH/s，多年来一直占据主导地位。
- 近期最好的ASIC每太哈希能耗约为10-15焦耳；全网矿机的平均能耗更高。
- ASIC制造集中在少数几家公司手中，引发了对去中心化的担忧。
练习 九、六、三、一
9收集列出2009年至今用于或曾被提议用于比特币挖矿的9种计算硬件类型。说明它们的主要设计用途以及各自的效率表现阶段。
6归类根据架构的专用化程度，将这9种归为6类：通用型、并行图形型、可重编程逻辑型、固定功能ASIC、实验性或已淘汰。
3提炼将这6类归纳为3个原因，说明为何每一代新硬件都会使上一代在经济上失去可行性。
1凝结用一句话说明：每一类新硬件凭借哪种具体的技术优势取代了上一类。
事实核查
日期、数字及数据均依据下方列出的已发表资料进行核实。