Центр биткоин переместился во Внутреннюю Монголию, в которой грязный уголь питает сложные полупроводниковые устройства

Когда я прибываю в место назначения в префектуре Ордос во Внутренней Монголии, ещё только 8 утра, но воздух уже тяжёлый и угнетающей жаркий. Мой хозяин провозит нас через ворота, мимо сонного охранника и в промышленный двор, простирающийся по сухой и пустынной сельской местности, насколько хватает глаз.

Передо мной находятся девять складов с ярко-голубыми крышами, на каждой из которых нарисован логотип Bitmain, китайской фирмы, штаб которой расположен в Пекине – вероятно, самой влиятельной компании в индустрии биткоин. Bitmain продаёт устройства для майнинга биткоин – специальные компьютеры, на которых работает криптовалютное ПО, и которые производят, или «майнят», новые биткоины для своих хозяев. Они тоже используют собственное оборудование на фабриках, которыми они владеют полностью или частично. Этой фабрикой Bitmain владеет на 20%.

Жихан Ву [Jihan Wu], директор Bitmain, заявляет, что 70% из всех работающих сегодня устройств для майнинга биткоин произведено его компанией. Согласно исследованию, проведённому прошлой зимой Кембриджским университетом, скорее всего, большая часть этих машин воткнута в розетку где-то в Китае.

Bitmain купила эту фабрику для майнинга во Внутренней Монголии пару лет назад, и превратила её в одну из мощнейших денежных фабрик в сети биткоин. Она буквально превращает электричество в деньги. По моим подсчётам, их железо – порядка 21000 компьютеров – отвечают за 4% всей вычислительной мощности сети биткоин.

Словно десятитонные пресс-папье, эти машины давят на распределённую базу транзакций, которую представляет собой биткоин, не давая её страницам перелистываться назад. Именно тут обеспечивается безопасность запасам существующих биткоинов. Именно тут рождаются новые.



Процесс майнинга биткоинов работает как лотерея. Майнеры соревнуются в производстве хэшей – алфавитно-цифровых строчек фиксированной длины, подсчитываемых на основе данных произвольной длины. Они производят хэши, комбинируя три части данных: новые блоки транзакций биткоин; последний блок блокчейна; случайное число. Всё это в целом называют «заголовком блока» для текущего блока. Каждый раз, когда майнеры выполняют хеширование заголовка блока с новым случайным числом, они получают новый результат. Чтобы выиграть в лотерее, майнеру нужно найти хэш, начинающийся с определённого количества нулей.

Количество нулей изменяется сообразно количеству вычислительной мощности, подсоединённой к сет. В среднем каждые две недели ПО майнинга подправляет необходимо количество ведущих нулей – уровень сложности – изучая скорость добавления новых блоков транзакций. Алгоритм пытается достичь задержки в 10 минут между блоками. Когда майнеры увеличивают вычислительную мощность сети, они временно увеличивают скорость создания блоков. Сеть отслеживает изменения и повышает уровень сложности. Когда компьютер майнера находит выигрышный хэш, он распространяет заголовок блока среди его соседей по сети, которые его проверяют и распространяют далее.

Затем происходят две вещи. Новая транзакция добавляется в распределённую базу, блокчейн, а выигравший майнер награждается новыми биткоинами. Также он получает небольшой процент, который пользователи по своему желанию добавляют к своим транзакциям, чтобы подвинуть их ближе к началу очереди. По сути, это обмен электричества на монеты, осуществляемый при посредничестве огромных объёмов вычислений. Вероятность выиграть в лотерею для конкретного майнера определяется скоростью, с которой он может производить новые хэши по отношению к скорости всех остальных майнеров. Это похоже на лотерею с билетами, где чем больше билетов вы купите, тем более вероятно, что ваше имя вытянут из шляпы.



Всё это привело к гонке майнеров за накопление самых быстрых и наиболее энергетически эффективных чипов. Запросы на более быстрое оборудование породили новую индустрию, посвящённую исключительно вычислительным потребностям майнеров биткоин. До конца 2013 года обычные графические карты и FGPA были достаточно мощными для того, чтобы участвовать в гонках. Но в этом году компании начали продавать интегральные схемы специального назначения (ASIC), заточенные на работу с алгоритмом хэширования биткоин. Сегодня ASIC – это стандарт для больших фабрик, включая и ферму в Ордосе. Когда Bitmain впервые начали производить ASIC в 2013 году, в этой области было много конкурентов: BitFury, многонациональный производитель ASIC; KnCMiner из Стокгольма; Butterfly Labs в США; Canaan Creative в Пекине; и ещё порядка 20 китайских компаний.

Bitmain вырвалась вперёд, предлагая продукты наилучшего качества в больших количествах, с чем не справлялись другие. Фабрика в Ордос почти полностью использует лучшее оборудование Bitmain, Antminer S9. Согласно спецификациям компании, S9 может перемалывать 14 терахэшей, или 14 триллионов хэшей в секунду, потребляя 0,1 Дж на гигахэш, что составляет общую мощность в 1400 Вт (что сравнимо с микроволновкой).

Хотя BitFury заявляет, что производит чипы почти сходной с S9 эффективности, компания упаковала их в совершенно другой продукт. Он называется BlockBox – это целый дата-центр для майнинга, поставляемый клиентам в контейнере для грузоперевозок. Пекинская Canaan Creative всё ещё продаёт устройства для майнинга широкому кругу лиц, но предлагает лишь один продукт, AvalonMiner 741 – в два раза менее мощный и не такой эффективный, как S9.



Antminer S9 состоит из 189 ASIC-чипов, изготовленных Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (крупнейшей фабрикой мира) на 16-нм техпроцессе.

В каждом ASIC-чипе более 100 ядер, независимо выполняющих алгоритмы хэширования SHA-256. Контрольная панель наверху машины координирует её работу, скачивает заголовок блока для хэширования и распределяет задачу между всеми компонентами, сообщающими ей о найденных решениях и использованных случайных числах.

«Это похоже на колонию муравьёв, где панель управления – матка, управляющая рабочими», – говорит Питер Холм, директор разработки интегральных схем в Bitmain, поясняя происхождение названия.

Все ASIC, работающие над майнингом, выполняют по сути сходные вычисления – алгоритм хэширования SHA-256 – хотя подходят к нему немного по-разному. Для завершения стандартного алгоритма требуется 64 шага, но в случае с биткоин он работает дважды для каждого заголовка блока, что означает наличие 128 шагов, активно использующих целочисленное сложение. «Это и диктует всю схему», – говорит Тимо Ханке, главный криптограф из String Labs, инкубатора из Пало-Альто. «Если кто-то хочет его оптимизировать, ему нужно оптимизировать сложение. В этой области и идёт основная работа».


Во Внутренней Монголии одни из самых низких цен на электричество (4 цента США за квт*ч, благодаря государственным субсидиям), почему здесь и обосновываются майнеры. Но климат снаружи помещений Bitmain ужасный, особенно летом.

Несмотря на схожие потребности существует большое разнообразие схем, решающих задачу хэширования, говорит Ханке, который раньше работал техническим директором ныне закрытого производителя оборудования для майнинга, CoinTerra. К примеру, Bitmain использует конвейеризацию – стратегию, составляющую из шагов процесса цепочку, в которой выход одного шага является входом для другого. Конкурент Bitmain, BitFury, отказался от этой технологии.

Основная проблема в разработке чипов для майнинга – энергетическая эффективность, поскольку ваша прибыль является разницей потраченных на электричество денег и выигранных вами биткоинов.

«Энергия важнее номинальной скорости. Вы не разрабатываете чипы для максимальной скорости, вы разрабатываете их для максимальной энергетической эффективности», – говорит Ханке.

Если вы всё делаете правильно, вы ещё учитываете необходимость охлаждать чипы. S9 должен работать при температурах менее 38 °C. Контроллер наверху машины меряет окружающую температуру и регулирует скорость вентилятора, напряжение и тактовую частоту.

Но этих мер недостаточно, если вы майните во Внутренней Монголии.



Внутри ангара в Ордосе темно, громко и ветрено. Молодой человек по имени Жанг заводит меня внутрь, перекрикивая оглушающий шум. «Это прохладная сторона», – говорит он. Вдоль стены ангара все окна заменены на пустынные вентиляторы – панели из скрученных, плотно упакованных металлических полосок, поливаемых водой из трубы сверху.

Жанг идёт к двери между двумя полками с оборудованием, и мы проходим через неё. «Это горячая сторона», – говорит он. Мы стоим в пустом, ярко освещённом помещении, служащем для отвода тепла. Выдувные вентиляторы оборудования для майнинга с другой стороны металлической стены торчат из небольших отверстий, выдувая горячий воздух в помещение, из которого его выводит ещё одна стена из гигантских металлических вентиляторов.

Оборудованию нужен воздух не теплее 38 °C, и Монголия – не идеальное место для майнинговой фабрики. В июле, когда я туда ездил, несколько дней держалась температура в 40 °C. А зимой она может падать до –20 °C, из-за чего в ангары пришлось добавлять теплоизоляцию. Доставляет проблем и пыль, из-за чего все помещения ограждаются при помощи тканевых фильтров.


Окна заменены пустынными вентиляторами. Металлические панели омывают водой из трубы. Когда воздух поступает в помещение, вода испаряется и охлаждает его.

Чтобы экономить на охлаждении, некоторые майнеры выбирают более прохладные климатические условия. У BitFury есть три больших фабрики для майнинга, одна из которых находится в Исландии, пользуясь прохладным климатом. «Многие дата-центры в мире тратят 30-40% средств при оплате электричества на охлаждение», – объясняет Валерий Вавилов, директор BitFury. «Для нашего исландского дата-центра это не проблема».

Две других фабрики BitFury расположены в Тбилиси, в Грузии, где погода гораздо теплее. Согласно Вавилову, компания разработала двухфазную погружную технологию охлаждения совместно с дочерней компанией Allied Control. Система погружает оборудование в диэлектрическую теплопроводящую жидкость Novec, охлаждающую компьютеры при испарении. Эту систему внедряют в грузинских дата-центрах.


Индустриальные вентиляторы выдувают горячий воздух наружу. С этой стороны температура превышает 40 °C.

И хотя жара в Ордосе представляет проблему, электричество тут очень дешёвое – всего 4 цента США за кВт*ч [порядка 2,4 руб – прим. перев.], благодаря правительственным субсидиям. Это примерно в пять раз меньше средней стоимости энергии в Британии [средняя стоимость электроэнергии для населения в России — 3,1 руб. за кВт•ч // прим. перев.]. Остальные расходы идут только на сами компьютеры и зарплату нескольких десятков человек, поддерживающих их в рабочем состоянии.

Один из них – Жанг. Он недавно закончил колледж во Внутренней Монголии и начал работать на фабрике всего несколько месяцев назад. Он называет себя техническим работником, и показывает на человека, стоящего на пневматическом подъёмнике, и вынимающего оборудование из стоек. «Я вот этим и занимаюсь», – говорит он мне.

На контрольной панели S9 есть красный огонёк, отключающийся при возникновении проблем. Техники вроде Жанга ищут неисправное оборудование в стойках. Находя его, они его вынимают и отправляют в специальное здание на территории фабрики, где другие техники определяют проблему, исправляют её и возвращают компьютер. Иногда отказывает чип. Иногда сгорает вентилятор. В более серьёзных случаях компьютер отправляют в лабораторию Bitmain в Шэньчжэне на юго-востоке Китая. Каждая секунда, когда компьютер не работает – это упущенная прибыль.

Учитывая стоимость биткоина на момент моего посещения в Ордоса, каждый компьютер фабрики зарабатывал по $10 в день. С этой скоростью вся фабрика, в которой содержится более 20000 компьютеров Antminer, может дать прибыль в $70 миллионов в год. И это только одна из фабрик фирмы Bitmain.


Тепловые щиты. Стойки с компьютерами расположены на холодной стороне ангара, а вентиляторы выдувают горячий воздух на горячую сторону.

Из-за волатильности биткоина невозможно предсказать ежегодную прибыль майнинговой фермы. Пока я летел из Китая обратно в США, стоимость биткоина упала на 25%, с $2400 до $1800. В результате вся посещённая мною фабрика стала давать на $50000 в день меньше. За неделю цены вернулись, и приближаются к рекордным.

Флуктуации цен, привычные для сети биткоин со дня её появления восемь лет назад, обременяют майнеров рисками и неопределённостью. Эта ноша разделяется с производителями чипов, особенно с такими, как Bitmain, инвестирующими время и средства в разработку с нуля. Согласно Нишанту Шарме, менеджеру по международному маркетингу в Bitmain, когда стоимость биткоинов этой весной брала рекорды, продажи S9 удвоились. Но на эту тенденцию компания ставить не может.

Поэтому Bitmain занялась диверсификацией. Кроме биткоин-бизнеса, компания начала работать с искусственным интеллектом, и разрабатывает оборудование для распознавания лиц, которое планирует продавать китайскому правительству.

Их конкурент по производству ASIC, BitFury, тоже находится в поисках индустрий, не связанных с майнингом. «В 2011 году мы открыли компанию специально для майнинга, но с тех пор она значительно расширилась», – говорит Вавилов. Среди прочего, BitFury продаёт технологию погружного охлаждения высокопроизводительным дата-центрам, не занятым работой с биткоинами.


Что-то не так. ПО, отслеживающее работу тысяч майнеров, сообщает работникам об их отказах.

Для директора Bitmain Джихана Ву поиск новых источников прибыли – способ защитить место, занимаемую компанией в сети биткоин, которую он описывает с нежностью. «Для меня успех биткоин был личным стремлением, – говорит Ву. – Но компания не может основываться на одном успехе биткоин. Мы не можем себе этого позволить».

Неопределённость может объяснить тот факт, что гиганты полупроводниковой индустрии до сих пор не вступали в драку. Но если стоимость биткоинов останется высокой, это может измениться.

«В пользу Bitmain говорит то, что они смогли отвадить своих конкурентов. Но вы пока не видели, как в этот сектор входят Nvidia или Intel, и было бы интересно посмотреть, что произошло бы в этом случае», – говорит Гэрик Хилеман, историк экономики из Лондонской школы экономики, составлявший совместно с Кембриджским университетом обзор майнеров.


В одном здании на территории фабрика находится столовая, рабочий офис, ремонтная мастерская и общежитие. Многие из работников недавно закончили местный университет.

А что нужно конкуренту, чтобы ввязаться в драку? Он должен захотеть вложить кучу денег. В разработку чипа можно вбухать несколько миллионов долларов до производства первого прототипа. «Чтобы нажать на спусковой крючок и оплатить всё это, нужна воля», – говорит Ханке. Но он уверен в том, что это произойдёт. «Люди увидят прибыль и придут».

Возможно, это уже работает. В сентябре 2017 GMO Internet Group, японская компания с доходностью в $1,2 млрд, объявила о разработке собственного ASIC с использованием 7-нм технологии.

Такое событие станет хорошей новостью для многих членов сообщества, считающих, что чрезмерно прочная позиция Bitmain на рынке оборудования для майнинга угрожает биткоину.

Весной Bitmain стала причиной волнений, когда разработчики нашли «чёрный ход» Antbleed в прошивке оборудования S9 Antminer. Его можно было использовать для отслеживания местонахождения машин и удалённого отключения. В то время как ни один покупатель не сочтёт приемлемой такую уязвимость, это стало особенно плохой новостью для биткоин.





Протокол биткоин был разработан так, чтобы поощрять распределение хэширующих мощностей между майнерами, а не их концентрацию. У майнеров есть власть не только над добавлением транзакций к сети биткоин, но и над эволюцией самого ПО для биткоин. После появления обновлений протокола именно майнеры следят за их внедрением. Если майнеры объединяться и решать не внедрять обновление, поступившее от основных разработчиков, они могут задержать транзакции или даже расщепить валюту на конкурирующие версии.

Использование чёрного хода может дать производителю ASIC возможность затыкать майнеров, поддерживающих ту версию протокола, с которой производитель не согласен. К примеру, Bitmain могла нажатием кнопки закрыть всю фабрику в Ордосе, если бы она не договорилась по какому-либо вопросу с акционерами.

Ву утверждает, что Antbleed, который уже исправили, был всего лишь рудиментарным кодом, оставленным по ошибке, когда программисты пытались сделать удалённый отключатель для использования владельцем оборудования. Это объяснение было воспринято скептически, но поскольку прошивка S9 имеет открытый код, пользователи уверены насчёт исправленной версии. И всё-таки такое открытие стало явным напоминанием о необходимости диверсификации в индустрии производителей оборудования для майнинга.

«Производители железа способны серьёзно контролировать биткоин», – говорит Питер Тодд, один из основных разработчиков биткоин и консультант по прикладной криптографии. «Хорошо разработанный чёрный ход было бы очень трудно обнаружить, и он мог бы работать как выключатель хэшинговых мощностей, что позволило бы убить сеть или подчинить её одному игроку».

В июле, когда Ву находился в своём офисе, он считал, что конкуренции в этой области и так достаточно, или, по меньшей мере, в ней было достаточно угрозы конкуренции для того, чтобы компания Bitmain играла честно.

«В любой области всё равно будет один-два игрока. Это специфика ASIC-бизнеса. Если не мы, это может быть AMD. Это может быть Nvidia. Это может быть Intel. Это может быть кто-то ещё, – говорит Ву. – И если мы делаем что-то не так, на наше место может прийти другой».