What is Bitcoin Mining?
Bitcoin is a digital currency that uses a process called mining to secure the network and verify transactions. Bitcoin mining is a race across the network to generate cryptographic solutions that match certain criteria. Upon arriving at the correct solution, the miner who arrives at the solution first is given a reward in the form of Bitcoins and a fee for their work.
This reward process will continue until all 21 million Bitcoins are in circulation. Once that number is reached, the mining process is expected to stop and Bitcoin miners will be rewarded through fees paid for their work.
Key Takeaways
Verifying transactions, maintaining the integrity of the blockchain, and opening new blocks are the goals of mining, and Bitcoin rewards are the incentive for mining.
- Bitcoin mining is necessary to maintain the transaction ledger that underpins Bitcoin.
- Miners have become extremely sophisticated over the past few years, using complex machines and groups to speed up mining operations.
- Bitcoin mining has generated controversy as it is not considered environmentally friendly.
How does Bitcoin mining work?
Here is a simple example of the mining process: you ask a friend to guess a number, say between 1 and 100. Your friend doesn't need to guess the exact number, he just needs to be the first to guess a number less than or equal to your number. If you come up with the number 19 and your friends answer 21, 55, and then 83, your friends lose because they all guessed a number greater than 19. But they can guess again, and their next guesses are 16, 41, and 67. The person who guessed 16 wins because they were the first to guess a number less than or equal to 19.
In this case, the number you chose, 19, represents the target hash that the Bitcoin network will create for the block, and the random guess from your friend is a guess from the miner.
Bitcoin mining is the same thing, but on a much larger scale. Mining uses cryptography, distributed computing, and technology to verify and secure transactions. The main idea that makes mining work is this:
hash
At the core of Bitcoin mining is the hash. A hash is a 64-digit hexadecimal number that is the result of sending the information contained in a block through the SHA256 hashing algorithm. This part of the process takes very little time to complete; in fact, you can paste your content into an online SHA256 hash generator and generate a hash in less than a second. This is the encryption method Bitcoin uses to create block hashes. However, decrypting that hash back to the content you pasted in is the hard part; a 64-digit hash can take centuries to decrypt on modern hardware.
For example, here's the hash of the previous paragraph run through a hash generator:
a54f83a5db7371eeeefa2287a0ede750ac623e49a8ba29f248eb785fe0a678559
Changing a single value in this content (such as replacing a single "t" with an "a") will change the hash. The next paragraph is the same, but the first word is mistyped as "Aa" instead of "At".
fbfa33ff980d1492b3a9275a1eb945d89bd6b699ca19c3c470021b8f253654af
This number, called the block hash, is used in the header of the next block as part of the encrypted information. Each block uses the hash of the previous block, which serves to link them together - hence the term "blockchain".
Target Hash
The target hash, used to determine mining difficulty, is the number that miners are trying to solve. This number is the hash that is generated by the network.
So the block hash is (block 786,729):
00000000000000000005a849c28eb24b8a5e04fcecc1ccb3eb2998e4730a456e
The target hash looks like this:
0x175c739
This number is a condensed representation of the difficulty target:
0...000005c73900000...0
Therefore, miners were required to generate numbers equal to or less than the above number.
Mining
Bitcoin mining requires a mining program to generate a hash and add another number to it called a nonce ("a number used only once"). When a miner starts, this number always starts at 0. The nonce changes by 1 with each attempt: first it's 0, then 1, 2, 3, and so on. If the hash and nonce generated by the miner are greater than the target hash set by the network, the attempt fails and the miner tries again.
Every miner on the network does this until they create a hash/nonce combination that is less than or equal to the target hash. The first miner to reach that target adds their proposed block to the chain, receives rewards and fees, and a new block is opened. Once that block is full of information (about 1 megabyte), it is closed, encrypted, and mined.
The Bitcoin network consists of thousands of devices that mine 24 hours a day. They are all competing because the mining reward is given to the miner who solves the problem first. This competition caused miners to need more computing power to increase their chances of winning, so they created pools to gain an advantage over other miners.
The mining rate of the Bitcoin network fluctuates, but the average in August 2024 was about 622 exahashes per second. This is 622 followed by 18 zeros. If it takes about 10 minutes to mine a block, then it takes about 3.75 x 1023 hashes to open a new block. 2
Proof of Work
マイニング プロセスは、プルーフ オブ ワーク (PoW) と呼ばれるものです。勝利ハッシュを生成するために行われた作業は、マイナーがブロック内のトランザクションを検証したことの証明と見なされるため、プルーフ オブ ワークと呼ばれます。
PoW はコンセンサス メカニズムと呼ばれることもありますが、プルーフ オブ ワークはコンセンサスの一部にすぎません。マイナーがブロックをブロックチェーンに追加し、ネットワークの残りの部分がハッシュを使用してブロックを検証すると、コンセンサスが達成されます (コンセンサスに達する)。各マイニング ノードも最新のブロックをマイニングしながらこれを実行するため、これには多くのエネルギーや計算能力は必要ありません。新しいブロックが追加されると、ネットワークがそれを確認します。
確認
各ブロックには前のブロックのハッシュが含まれているため、次のブロックのハッシュが生成されると、前のブロックのハッシュが含まれます。 1 文字でも変更されるとハッシュが変更され、後続の各ブロックのハッシュも変更されることを覚えておいてください。
ブロックをマイニングして閉じた時点では、まだ確認されていません。ブロックは、合計 6 回の検証を経た 5 ブロック後まで確認されたとは見なされません。とはいえ、6 回の検証に達する前にブロック内の情報を変更することは可能ですが、変更を試みる個人またはグループがネットワークを制御している必要があるため、その可能性は非常に低いです。
報酬
ブロックの検証に成功した場合の報酬はビットコインです。2009 年には、ブロックをマイニングすると 50 ビットコインが付与されました。しかし、ブロック報酬は 210,000 ブロックごとに (つまり約 4 年ごとに) 半減するため、2013 年には報酬額が 25、次に 12.5、さらに 6.25 に減少しました。2024 年 4 月のビットコインの最後の半減イベントでは、報酬は 3.125 に変更されました。3
難易度
マイニングの難易度とは、目標ハッシュより小さい数値を生成するのに要する作業量です。マイニングの難易度は 2,016 ブロックごと、つまり約 2 週間ごとに変わります。次の難易度は、前のサイクルでのマイナーの効率と参加しているマイナーの数によって決まります。
ビットコインのネットワークは、暗号通貨のマイニングに必要なハッシュ レート (計算能力の量) を増減します。ソリューションを求めて競争するマイナーの数が増えるほど、問題は難しくなります。ブロックチェーン ネットワークから計算能力が取り除かれると、難易度は下方に調整され、マイニングが容易になります。これは、ブロック時間を平均約 10 分に保つために行われます。
2024 年 9 月 15 日のマイニングの難易度は 92.67 兆でした。つまり、コンピューターが目標より小さいハッシュを生成する確率は 92.67 兆分の 1 です。これを大局的に見ると、宝くじ 1 枚でパワーボールの大賞に当たる確率は、1 回の試行で正しいハッシュを選ぶ確率の約 286,000 倍です。45
ビットコインのマイニングの経済性は?
ビットコインのマイニングはビジネス ベンチャーです。その出力であるビットコインから得られる利益は、その入力に行われた投資によって決まります。
ビットコインのマイニングには、主に 3 つのコストがかかります。
電気: これは、マイニング システムを 24 時間 365 日稼働させる電力です。マイニングにはかなりの費用がかかります。プロセス (ネットワーク全体) は、一部の国と同じくらいの電力を消費します。マイニング システムがあるエリアの冷却コストも考慮することが重要です。マイニング システムは大量の熱を発生するため、ユニットの数が多いほど、より多くの冷却が必要になります。空調コストによって、電気代がさらに高くなります。6
マイニング システム: 一般的な説とは反対に、デスクトップ コンピューターや通常のゲーム システムも、マイニング プールに参加することでマイニングに使用できます。しかし、ほとんどのプールは各マイナーの貢献した作業量に基づいて報酬を分割するため、リターンは限られています。これらのシステムは ASIC マイニング マシンと競合することはできませんが、使用されるエネルギーを考慮すると数百ドルの利益を得ることは可能です。競争力を高めたい場合は、ASIC マイニング マシンを複数購入してプールに参加する必要があります。これには、1 台あたり 4,000 ～ 12,000 ドルかかります。マシンのマイニング速度が速いほど、コストが高くなります。
ネットワーク インフラストラクチャ: ネットワーク速度はビットコインのマイニング プロセスに大きな影響を与えませんが、レイテンシは影響します。レイテンシとは、ネットワークの他の部分と通信するのにかかる時間です。また、マイニング ファームでは、各マイニング リグをインターネットに接続されたメイン ルーターまたはサーバーに接続するために、複数の内部接続が必要です。ただし、ゲーム リグを使用してマイニングし、プールに参加する場合は、追加の帯域幅は必要ありません。参加したプールへのレイテンシが低いだけで十分です。
ベンチャーから利益を上げるには、これら 3 つの入力にかかる総コストが出力 (この場合はビットコインの価格) よりも低くなければなりません。ビットコインの価格が変動し、しばしば上昇することを考えると、独自の暗号通貨を鋳造するというアイデアは魅力的な提案のように思えるかもしれません。
しかし、ビットコイン マイニングの経済的困難さを考えると、ビットコインが宝くじになった今、機器を購入した後は、利益が低くなり、損益分岐点に達するまでの期間が長くなることを覚悟しなければならないかもしれません。
FoundyUSA と AntPool は、世界のビットコイン マイニング パワーのほぼ 60% を保有する 2 つの人気のマイニング プールです。2
ビットコイン マイニングの歴史
2 つの開発が、今日のビットコイン マイニングの進化と構成に貢献しました。まず、ビットコイン マイニング マシンのカスタム製造により、ネットワークが集中化されました。ビットコイン マイニングは基本的に推測作業であるため、他のマイナーよりも先に正しい答えに到達することは、デバイスがハッシュを生成できる速度とほぼすべて関係しています。
ビットコインの初期には、通常の CPU を搭載したデスクトップ コンピューターがビットコインのマイニングを支配していました。しかし、アルゴリズムの難易度が時間とともに上昇するにつれて、ブロックチェーン ネットワーク上でソリューションを見つけるのに長い時間がかかるようになりました。いくつかの推定によると、2015 年初頭の難易度では、CPU を使用して有効なブロックを見つけるのに「平均して数十万年」かかったとのことです。7
GPU マイニング
Over time, miners realized that Graphics Processing Units (GPUs), or graphics cards, were more effective and faster for mining. However, GPUs consumed a lot of power and were not designed for high-volume mining. Eventually, the increased demand for GPUs caused prices to skyrocket and availability to decrease, forcing manufacturers to limit mining.
ASIC Mining
Currently, many miners use custom mining machines called application-specific integrated circuit (ASIC) miners, which are equipped with special chips for faster and more efficient Bitcoin mining. The price ranges from a few hundred dollars to tens of thousands of dollars. Bitcoin mining is now highly competitive, and only the latest ASICs are profitable.
Currently, many miners use custom mining machines called application-specific integrated circuit (ASIC) miners, which are equipped with special chips for faster and more efficient Bitcoin mining. The price ranges from a few hundred dollars to tens of thousands of dollars. Bitcoin mining is now highly competitive, and only the latest ASICs are profitable. However,
According to a Cambridge University study, the majority of Bitcoin mining operations are currently concentrated in the United States. With roughly 38% of global Bitcoin mining activity occurring in the United States, over 62% is concentrated in just four states: Georgia (30.76%), Texas (11.22%), Kentucky (10.93%), and New York (9.77%). This means that the four states account for over 23% of global Bitcoin mining energy usage, and theoretically, hash power as well.11
University of Cambridge. "US Bitcoin Mining Map"
Hashpower is the rate at which a computer, miner, or network can generate solutions (hashes) to a cryptographic problem. For example, as of September 2024, the average Bitcoin network hashrate is over 622 exahashes (10 billion) per second. That's 622 x 1018 (that's 622 followed by 18 zeros) hashes per second.
Avoiding Bitcoin Mining Scams
Like anything involving money, Bitcoin and Bitcoin mining attract many bad actors. If you've decided to get started mining, you should be aware of mining scams before choosing any software, tools, or network. Below are some of the more common scams:
Cloud mining platforms: These are websites that claim to rent out mining power to customers. Not all of these services are scams, but make sure you read reviews, talk to others, and do thorough due diligence before choosing one.
Fake wallets: Your cryptocurrency wallet stores your private keys. However, thieves can try to create fake wallets to steal your keys. Make sure you use a reputable wallet provider.
Fake exchanges: There are many cases of fake exchanges contacting people via email or social media, pressuring or tricking them into depositing funds.
There are other types of scams and scams out there, but the best way to avoid becoming a victim is to never give out your keys, seed phrases or passwords to anyone, and never trust anyone you've never met or services with an unreputable reputation.
Investing in Bitcoin Mining Stocks
If you're interested in mining but don't want to get involved in the process or take on the risks that come with it, consider investing in companies that mine Bitcoin. Publicly traded companies that own or partner with Bitcoin miners include Hut 8 (NASDAQ: HUT), MARA Holdings (NASDAQ: MARA), and Clean Spark (NASDAQ: CLSK), but there are plenty of other options. Keep in mind that the stocks of these companies are as volatile, if not more so, than Bitcoin itself.
Is Bitcoin Mining Actually Profitable?
It depends on your mining setup and the costs incurred to start mining. It may take years before you recoup your costs and start making a profit. However, if you only care about daily earnings and not costs or profits, mining with a pool on a modern high-end gaming PC can earn you around $1 per day before considering electricity and other costs.
How long does it take to mine 1 Bitcoin?
Mining one block will reward you with 3.125 Bitcoins. It takes the network about 10 minutes to mine one block, so it will take about 10 minutes to mine 3.125 Bitcoins.
How do I start mining Bitcoin?
To start mining Bitcoin, you need to join a mining pool and install a mining client. Some pools have their own mining software, others only provide instructions on how to connect to one of several mining clients. Mining pools distribute rewards based on the amount of work you contribute, so the faster your computer or mining rig is, the more rewards you will receive. You can also mine alone, but your chances of earning rewards are slim at best.
Conclusion
Bitcoin mining is an energy-intensive process that involves mining devices and software competing to solve cryptographic problems. The Bitcoin mining process also confirms transactions on the cryptocurrency's network. As an incentive to participate in the process, winners of the competition are awarded Bitcoins.
While individual miners using desktop systems played a role in the cryptocurrency's early days, the Bitcoin mining ecosystem is now dominated by large mining companies that operate mining pools spread across many geographies. The sheer amount of energy required for this process has raised concerns and criticism.
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