在比特币的生态系统里，挖矿是一个关键环节，它不仅支撑着比特币的运行，还蕴含着丰富的经济和技术内涵。第五章对其进行了全面深入的探讨，接下来就让我们一起走进比特币挖矿的世界，了解其中的奥秘。
比特币矿工的任务与挑战
比特币矿工在整个比特币网络中扮演着至关重要的角色，他们承担着多项重要任务。首先，需要监听网络上的交易广播，并验证交易的签名是否有效，确保交易输出没有被重复支付 。这就好比在一个庞大的交易市场中，矿工要仔细检查每一笔交易的真实性和合法性，防止出现欺诈行为。
矿工们要维护区块链网络并监听新的区块。他们需要先同步区块链上的历史记录，然后对收到的每个新区块进行严格验证，确保区块里的每笔交易都是有效的，并且包含一个有效的随机数 。这个过程就像是守护一本不断更新的账本，保证账本的准确性和完整性。
组装一个备选区块也是矿工的重要任务之一。他们要将监听到的交易进行组合并放入新的区块，同时要保证新区块里的每笔交易都是正当有效的 。这需要矿工对交易进行筛选和整理，确保区块的质量。
而找到一个让区块有效的随机数是矿工工作中最具挑战性的部分。这需要不断尝试不同的数值，直到找到一个能使整个区块的哈希值小于目标值的随机数 。这个过程就像在一个巨大的数字迷宫中寻找出口，需要付出大量的时间和计算资源。
即使矿工找到了一个有效区块，也不能保证该区块会被全网接受。这需要一定的运气，希望其他矿工接受并在该区块的基础上继续接龙下去 。如果其他矿工不认可，那么这个区块就可能成为孤块，矿工的努力也就白费了。
挖矿所需硬件：不断演进的技术
比特币挖矿对硬件的要求随着时间的推移不断变化，经历了从 CPU 挖矿到 GPU 挖矿，再到 FPGA 和 ASIC 挖矿的发展历程。
最初，矿工使用普通电脑的 CPU 进行挖矿，然而，CPU 挖矿的效率极低。一台高端的个人桌面电脑每秒大约能计算 2 千万次哈希函数，按照 2015 年早期的难度水平，大概需要几十万年来找到一个有效区块 。这就好比用一把小勺子在大海里捞针，几乎是不可能完成的任务。
随着技术的发展，GPU 逐渐被应用于挖矿。GPU 具有高吞吐量和高并行处理功能，适合比特币挖矿中的大量并行计算 。与 CPU 相比，GPU 的运算速度有了大幅提升，一个非常高端的显卡经过超频后运行速度可达 200MH/s，每秒能进行 2 亿次哈希运算 。但即使将 100 块这样的显卡集成在一起，在 2015 年早期的比特币难度下，仍需运算几百年才有可能找到一个有效区块 。
2011 年左右，FPGA 开始用于比特币挖矿。FPGA 在数位操作方面具有优势，运算速度可上升到 1GH/s，即每秒 10 亿次哈希运算 。然而，FPGA 挖矿也存在一些问题，如使用难度大、优化 32 位加法处理困难、在多数商店难以买到等，因此其挖矿时代较为短暂。
如今，ASIC 矿机主导着比特币挖矿市场。这些专门为比特币挖矿设计的集成电路芯片，具有更高的运算效率 。但早期的 ASIC 芯片存在设计缺陷，且由于网络运算能力的快速上升，大部分早期芯片在 6 个月后就被淘汰 。不过，随着技术的不断成熟，现在的比特币矿机芯片技术已经相当可靠。
能源消耗与矿池：挖矿背后的问题
比特币挖矿消耗大量能源，这一问题引起了广泛关注。挖矿过程中的能源消耗主要包括三个部分：内涵能源、电能和冷却能源 。内涵能源是指生产挖矿设备所消耗的能源，包括原材料开采和设备制造过程中的能耗；电能则是矿机运行时所消耗的电力；冷却能源用于防止矿机过热，确保其正常运行 。
据估算，整个比特币网络的能耗达到了几百万瓦特的数量级，约占一个大型电厂总发电量的 10% 。虽然与地球上其他用电 "大户" 相比，这个比例不算大，但比特币挖矿的能源消耗问题仍然值得关注。为了使比特币挖矿更加环保，人们提出了一些设想，如将挖矿过程中产生的热能进行二次利用，用于家庭供热等，但这些方案在实际应用中还面临一些问题，如矿机发热效率与天然气供暖相比仍有差距，以及矿机所有权和收益分配等问题 。
为了降低挖矿的风险和提高收益的稳定性，矿池应运而生。矿池是比特币矿工互相之间的一种保险机制，一组矿工共同挖矿，并指定一个币基接受人（矿池管理员） 。当矿池中的某个成员找到有效区块时，矿池管理员会根据每个参与者所贡献的工作量按比例分配奖励 。
矿池的出现降低了矿工成功寻找有效区块的概率波动，使小矿工也能更轻松地参与挖矿。然而，矿池也存在一些问题，如中心化管理导致矿池管理员权力较大，以及减少了比特币网络上校验全部交易节点的数量（全节点），可能会影响网络。