Grayscale: Khai thác Bitcoin sẽ tác động đến cơ sở hạ tầng năng lượng toàn cầu như thế nào

Nguồn: Grayscale; Biên soạn bởi Wuzhu, Golden Finance

Tóm tắt

• Bitcoin có thể hoạt động như một hệ thống tiền tệ kỹ thuật số toàn cầu nhờ khai thác Bitcoin: một quá trình cạnh tranh để cập nhật chuỗi khối và phối hợp các động lực kinh tế trên toàn mạng lưới. Ngày nay, mạng lưới khai thác Bitcoin rất lớn đến mức nó tạo ra hơn 700 nghìn tỷ "băm" mỗi giây. [1]

• Những người khai thác Bitcoin kiếm thu nhập bằng cách phát hành bitcoin mới và từ phí giao dịch mạng. Họ cũng cần phải trang trải chi phí thiết bị vốn, điện và các chi phí hoạt động khác. Nhiều thợ đào cũng nắm giữ Bitcoin trong bảng cân đối kế toán của họ và ngày càng nhiều người đang đa dạng hóa sang các dịch vụ trí tuệ nhân tạo (AI) và điện toán hiệu suất cao (HPC).

• Grayscale Research ước tính rằng hoạt động khai thác Bitcoin chỉ chiếm 0,2% lượng điện sử dụng trên toàn cầu; năng lượng sạch cũng có thể chiếm tỷ trọng điện năng tiêu thụ cao hơn của hoạt động khai thác Bitcoin so với các ngành công nghiệp khác. Khai thác Bitcoin có thể giúp đẩy nhanh các mục tiêu về môi trường, đặc biệt là trong các lĩnh vực như phát thải khí mê-tan.

Bitcoin là một mạng máy tính mở, phi tập trung có giá trị 2 nghìn tỷ đô la. [2] Phép màu hiện đại này có thể thực hiện được là nhờ khai thác Bitcoin: những người tham gia mạng lưới cạnh tranh để giành quyền thêm khối tiếp theo vào chuỗi khối và nhận phần thưởng. Ngày nay, thợ đào Bitcoin hoạt động ở quy mô đáng kinh ngạc, chuyển đổi tài nguyên thực thành chứng khoán kỹ thuật số. Sức mạnh tính toán được sử dụng để bảo mật chuỗi khối Bitcoin là “cửa két” kỹ thuật số: một mạng lưới máy tính tự động đóng vai trò là cơ chế cho hệ thống tiền kỹ thuật số toàn cầu. Chuyên môn kỹ thuật, chi phí vốn và chi phí hoạt động liên tục cần thiết để vận hành các cơ sở khai thác Bitcoin, cũng như bản chất cạnh tranh cao của doanh nghiệp, giúp duy trì mạng lưới Bitcoin phi tập trung và tốn kém để tấn công.

Đầu tư vào các công ty khai thác Bitcoin được giao dịch công khai có thể thu được doanh thu từ việc sản xuất khối, cũng như tiềm năng tăng trưởng doanh thu từ việc phí giao dịch mạng tăng theo thời gian. Trên thực tế, hầu hết các công ty khai thác Bitcoin giao dịch công khai đều theo các mô hình kinh doanh khác nhau, nhiều công ty giữ Bitcoin khai thác được trong bảng cân đối kế toán hoặc thậm chí mua Bitcoin trên thị trường mở. Những người khai thác Bitcoin cũng đã bắt đầu đa dạng hóa, vận hành các trung tâm dữ liệu được sử dụng cho trí tuệ nhân tạo và điện toán hiệu suất cao (HPC).

Một phép màu hiện đại

Mặc dù phức tạp về mặt kỹ thuật, nhưng quá trình khai thác bitcoin lại đơn giản về mặt khái niệm. Các máy tính chuyên dụng cạnh tranh để đoán một số ngẫu nhiên và máy đoán đúng số đầu tiên sẽ giành được quyền cập nhật blockchain ("đào một khối"). Người khai thác chiến thắng sẽ nhận được bitcoin mới được phát hành và phí giao dịch (“phần thưởng khối”). [3]

Không có lối tắt nào trong cuộc đua này—ví dụ, không có thuật toán nào có thể giúp tìm ra con số phù hợp nhanh hơn—thợ đào Bitcoin cạnh tranh bằng sức mạnh thô bạo. Quá trình này có thể được xem như một trò chơi may rủi. Người thợ mỏ sẽ tiếp tục đoán cho đến khi tìm ra giải pháp đúng—giống như việc lăn một con xúc xắc nhiều mặt cho đến khi xuất hiện con số mong muốn. Do đó, xác suất chiến thắng phụ thuộc vào số lần đoán (“lăn”) mà người thợ mỏ có thể thực hiện mỗi giây. Người vận hành có nhiều máy móc nhất và/hoặc máy móc hiệu quả nhất sẽ đưa ra nhiều dự đoán nhất và có cơ hội nhận được phần thưởng khối cao nhất.

Về mặt kỹ thuật, kết quả chiến thắng không chỉ là một con số ngẫu nhiên mà là "giá trị băm" của con số đó kết hợp với dữ liệu khác. Trong khoa học máy tính, hàm băm là một phép toán chuyển đổi dữ liệu tùy ý thành một chuỗi chữ cái và/hoặc số, gọi là giá trị băm. Ví dụ, khi sử dụng cùng một hàm băm trong mạng Bitcoin, từ "Bitcoin" sẽ băm thành: b4056df6691f8dc72e56302ddad345d65fead3ead9299609a826e2344eb63aa4 Vì vậy, mục tiêu của thợ đào Bitcoin là tạo ra các hàm băm nhanh chóng: đoán một số ngẫu nhiên, tính toán hàm băm của nó (kết hợp số ngẫu nhiên với dữ liệu khác), sau đó kiểm tra xem nó có đúng không.

Ngày nay, ước tính có khoảng 5 đến 6 triệu máy khai thác Bitcoin[4] tạo ra các hàm băm ở quy mô đáng kinh ngạc (Hình 1). Tổng cộng, thợ đào Bitcoin đã tạo ra trung bình 765 exahash mỗi giây (EH/s) trong 90 ngày qua. [5] Một ahash bằng một nghìn tỷ (10^18) giá trị băm. Nói một cách đơn giản, thợ đào Bitcoin đoán một số ngẫu nhiên và tính toán hàm băm của nó trung bình hơn 700 nghìn tỷ lần mỗi giây. Để hiểu rõ hơn về con số này, người ta ước tính có khoảng 7,5 nghìn tỷ hạt cát và 10 nghìn tỷ loài côn trùng sống trên Trái Đất. [6]

Hình 1: Thợ đào Bitcoin sản xuất hàng loạt các hàm băm

Việc tạo ra tất cả các hàm băm đó rất tốn kém — và đó chính là mục đích. Để cạnh tranh giành phần thưởng, các nhà khai thác cần phải mua máy móc chuyên dụng và phần cứng khác, đồng thời trả chi phí điện và bảo trì liên tục. Do đó, bằng cách tạo ra hàm băm chính xác, thợ đào cung cấp “bằng chứng công việc”: bằng chứng cho thấy họ đã sử dụng nguồn lực kinh tế và có thể tin tưởng họ trong việc cập nhật blockchain.

Tấn công Bitcoin có nghĩa là phá vỡ ngành khai thác Bitcoin hiện tại. Trong đó, nếu một tác nhân độc hại kiểm soát 51% tốc độ băm của mạng và do đó có thể khai thác phần lớn các khối, chúng có thể phá vỡ mạng (ví dụ: chi tiêu gấp đôi bitcoin hoặc kiểm duyệt một số giao dịch nhất định). Trong một bài báo, các nhà nghiên cứu ước tính rằng tính đến tháng 2 năm 2024, chi phí cho một cuộc tấn công 51% kéo dài một giờ vào mạng Bitcoin sẽ vào khoảng từ 5 đến 20 tỷ đô la (tùy thuộc vào cách kẻ tấn công có được máy đào). [7] Trên thực tế, không có tác nhân nào có động cơ tài chính để chi tiêu các nguồn lực này và trong mọi trường hợp, mạng lưới có các cơ chế phòng thủ khác ngoài khai thác. [8]

Hoạt động khai thác Bitcoin

Những người khai thác Bitcoin nhận được thu nhập bằng với phần thưởng khi khai thác một khối mới và họ cũng cần phải trả chi phí điện để vận hành máy và tạo ra hashrate (cũng như các chi phí hoạt động khác có thể có như bảo trì, phí nhóm khai thác, v.v.). Do đó, mục tiêu của thợ đào Bitcoin là tạo ra nhiều băm nhất mỗi giây với chi phí thấp nhất có thể.

Vào năm 2024, thợ đào đã kiếm được tổng cộng khoảng 230.000 bitcoin, trị giá gần 15 tỷ đô la (dựa trên giá cùng kỳ). [9] Con số này cao gấp khoảng 19 lần mức năm 2014 hoặc tốc độ tăng trưởng kép hàng năm là 34% (Biểu đồ 2). Tốc độ phát hành Bitcoin mới giảm dần sau mỗi bốn năm, sự kiện này được gọi là Bitcoin halving. Bất chấp sự sụt giảm trong việc phát hành tính bằng Bitcoin, doanh thu khai thác vẫn tăng theo thời gian do giá Bitcoin tăng theo đô la Mỹ. Trong tương lai, sự tăng trưởng trong doanh thu khai thác có thể đến từ việc giá Bitcoin tăng và/hoặc sự tăng trưởng trong phí giao dịch của mạng lưới.

Hình 2: Tăng trưởng doanh thu khai thác Bitcoin theo thời gian

Thợ đào phải chịu chi phí hoạt động, chủ yếu dưới dạng điện năng cần thiết để vận hành máy móc của họ. [10] Mỗi nhà điều hành đàm phán thỏa thuận mua điện của riêng mình và các thỏa thuận này khác nhau đáng kể trên toàn thế giới. Đối với mục đích phân tích kinh nghiệm này, chúng ta có thể tạo ra một bức tranh đơn giản về nền kinh tế tổng thể của thợ đào Bitcoin bằng cách sử dụng chi phí điện giả định và bỏ qua các chi phí khác. Ví dụ, Biểu đồ 3 so sánh doanh thu của thợ đào Bitcoin với tổng chi phí điện ước tính với giả định giá điện là 0,05 đô la cho mỗi kilowatt-giờ (kWh). Sự chênh lệch giữa doanh thu và chi phí điện có thể được coi là thước đo đơn giản về biên lợi nhuận hoạt động của thợ đào. Thợ đào được hưởng lợi khi giá trị đô la của phần thưởng khối tăng lên và mất mát khi giá đô la của việc sản xuất hashrate tăng lên.

Hình 3: Biên lợi nhuận hoạt động của thợ đào phản ánh mức chênh lệch giữa phần thưởng khối và chi phí điện

Do chi phí điện mà thợ đào trên toàn thế giới phải trả khác nhau, một biện pháp trực quan hơn có thể là giá trị đô la nhận được cho một lượng điện tiêu thụ nhất định—ví dụ, số tiền thợ đào kiếm được trên mỗi megawatt-giờ (MWh). Những người tham gia ngành khai thác thường nhắc đến khái niệm có liên quan chặt chẽ là “giá băm”, được tính bằng tỷ lệ doanh thu hàng ngày của thợ đào so với tỷ lệ băm của mạng. Mặc dù các khái niệm rất giống nhau, nhưng khi thợ đào trở nên hiệu quả hơn, giá băm sẽ có xu hướng giảm. Do đó, tỷ lệ doanh thu của thợ mỏ so với mức tiêu thụ điện có thể phản ánh chính xác hơn những thay đổi trong nền kinh tế khai thác theo thời gian. Hình 4 hiển thị doanh thu hàng ngày trên mỗi MWh của thợ đào Bitcoin. Ước tính này phần lớn vẫn ổn định trong hai năm qua, mặc dù có những biến động đáng kể xung quanh sự kiện halving năm 2024.

Hình 4: Doanh thu của thợ đào trên mỗi MWh về cơ bản vẫn ổn định trong hai năm qua

Đầu tư vào thợ đào Bitcoin

Đầu tư vào cổ phiếu của thợ đào được giao dịch công khai có thể tiếp cận nền kinh tế Bitcoin thông qua các công cụ thị trường chứng khoán. Các mô hình kinh doanh của thợ đào Bitcoin có thể ngày càng đa dạng, nhưng tất cả thợ đào đều tham gia vào hoạt động kinh doanh cốt lõi là tạo ra hashrate, đào khối và kiếm phần thưởng khối. Do sự khác biệt về chi phí điện, chi phí hoạt động không liên quan đến điện và các yếu tố khác[11], mỗi thợ đào nhận được mức giá thực tế khác nhau cho phần thưởng khối. Trong quý 3 năm 2024, chi phí trung bình để sản xuất Bitcoin cho các công ty khai thác công khai lớn nhất là từ 34.000 đến 59.000 đô la (Biểu đồ 5). Để so sánh, giá trung bình của Bitcoin trong quý này là 61.000 đô la.

Hình 5: Có sự khác biệt về chi phí sản xuất giữa các thợ đào khác nhau

Các thợ đào Bitcoin nắm giữ Bitcoin trong bảng cân đối kế toán của họ theo những cách khác nhau. Một số thợ đào thanh lý phần thưởng khối ngay lập tức, một số thợ đào giữ lại phần thưởng khối và một số thợ đào thậm chí còn mua thêm Bitcoin trên thị trường mở. Tất nhiên, sự khác biệt trong chính sách bảng cân đối kế toán có thể có tác động đáng kể đến hiệu suất tài chính tương đối của các công ty khai thác được niêm yết khi giá Bitcoin thay đổi (Hình 6). Tuy nhiên, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hồ sơ rủi ro của từng thợ đào và những người có bảng cân đối kế toán tương đối cao về Bitcoin không nhất thiết phải rủi ro hơn những người thanh lý phần thưởng khối.

Hình 6: Một số thợ đào nắm giữ Bitcoin trong bảng cân đối kế toán của họ

Gần đây, thợ đào Bitcoin đã bắt đầu chuyển sang các dịch vụ AI và điện toán hiệu suất cao (HPC) khác, vốn có nhu cầu về cơ sở hạ tầng trung tâm dữ liệu tăng nhanh chóng. Ví dụ, nghiên cứu từ Goldman Sachs[12] ước tính nhu cầu điện của trung tâm dữ liệu (không bao gồm tiền điện tử) có thể tăng 160% từ năm 2023 đến năm 2030. Những người khai thác Bitcoin có thể có lợi thế cạnh tranh trong việc cung cấp cho thị trường AI/HPC vì họ đã có quyền truy cập vào nguồn điện giá rẻ và cơ sở hạ tầng liên quan. Đầu năm 2024, Core Scientific, công ty khai thác tiền mã hóa lớn thứ ba được giao dịch công khai theo vốn hóa thị trường, đã công bố hợp đồng dài hạn với CoreWeave, một nhà cung cấp dịch vụ cơ sở hạ tầng AI chuyên biệt. [13] Kể từ khi thỏa thuận Core Scientific/CoreWeave được công bố vào tháng 6 năm 2024, một số công ty khai thác giao dịch công khai khác đã có những bước đi để tiến vào không gian AI/HPC.

Khai thác Bitcoin và tính bền vững

Khai thác Bitcoin tiêu thụ các nguồn tài nguyên kinh tế thực sự—điện—để tạo ra bảo mật kỹ thuật số phi tập trung. Sự thành công của Bitcoin như một hệ thống tiền tệ kỹ thuật số có nghĩa là hoạt động khai thác hiện nay tiêu thụ một lượng điện năng khổng lồ. Bitcoin là một công cụ tiêu thụ năng lượng độc đáo, hiện đang sử dụng một phần đáng kể các nguồn năng lượng sạch và Grayscale Research tin rằng công cụ này có thể đóng góp tích cực vào quá trình chuyển đổi năng lượng xanh theo thời gian.

Sử dụng dữ liệu từ thuật toán MINE-MATCH của Coin Metrics, chúng tôi ước tính rằng mạng Bitcoin đã tiêu thụ điện ở mức khoảng 175 terawatt giờ (TWh) trong 12 tháng qua. [14] Điều này tương đương với ước tính của Trung tâm Tài chính Thay thế Cambridge (Hình 7). Theo dữ liệu từ năm 2023 (năm mới nhất có sẵn), mức tiêu thụ năng lượng của Bitcoin chiếm 0,2% tổng mức tiêu thụ điện của thế giới (có tính đến tổn thất điện năng trong quá trình truyền tải). [15] Theo Trung tâm Tài chính Thay thế Cambridge, các trung tâm dữ liệu tiêu thụ khoảng 200 TWh điện mỗi năm và dự báo cho thấy mức tiêu thụ năng lượng của trung tâm dữ liệu có khả năng tăng lên do sử dụng các mô hình AI. [16]

Hình 7: Khai thác Bitcoin tiêu thụ điện để tạo ra bảo mật kỹ thuật số

Bitcoin là một công cụ tiêu thụ năng lượng độc đáo so với người dùng dân dụng hoặc thương mại thông thường. Khai thác Bitcoin có tính mô-đun và di động, không phụ thuộc vào vị trí, có thể bị gián đoạn và rất nhạy cảm với những thay đổi về giá điện. Do đó, thợ mỏ thường có thể hoạt động ở những nơi có nguồn năng lượng sạch giá rẻ. Người ta ước tính rằng khoảng 50%-60% điện năng mà ngành khai thác Bitcoin sử dụng đến từ các nguồn năng lượng bền vững (bao gồm cả năng lượng hạt nhân). [17] Đối với Hoa Kỳ và toàn thế giới, tỷ lệ sản xuất điện bền vững là khoảng 40 phần trăm. [18] Sử dụng dữ liệu từ năm 2023 (năm mới nhất có sẵn) và giả sử tỷ lệ bền vững là 50%-60% cho mức tiêu thụ điện của Bitcoin, chúng tôi ước tính rằng khai thác Bitcoin chiếm 0,2%-0,3% lượng khí thải CO2 liên quan đến điện toàn cầu. [19]

Grayscale Research tin rằng Khai thác Bitcoin có thể giúp đẩy nhanh việc áp dụng sản xuất năng lượng tái tạo trong những năm tới. Do những đặc tính độc đáo của mình, hoạt động khai thác Bitcoin khuyến khích đầu tư vào phát triển cơ sở hạ tầng năng lượng tái tạo, đặc biệt là ở những địa điểm không có đường truyền đến các điểm nóng lớn. Khai thác Bitcoin cũng có thể giúp ổn định nhu cầu trên lưới điện—nếu không, nhu cầu này sẽ dao động dựa trên mô hình tiêu thụ và thời tiết—giống như hệ thống của Hội đồng Độ tin cậy Điện Texas (ERCOT). [20] Ngoài ra, các công ty khởi nghiệp như Sustainable Bitcoin Protocol đã tạo ra các cơ chế dựa trên thị trường để khuyến khích sử dụng năng lượng sạch và khen thưởng những nỗ lực giảm phát thải khí mê-tan. Việc giải quyết vấn đề phát thải khí mê-tan có thể là một cách đặc biệt quan trọng để những người khai thác Bitcoin đóng góp vào các mục tiêu về môi trường. Khí mê-tan được giải phóng từ khí đốt hoặc khí đốt tự nhiên được đốt trong quá trình khai thác dầu. Các công ty như Crusoe Energy đã phát triển các phương pháp thu giữ khí đốt tự nhiên dư thừa thay vì thải ra ngoài, sau đó chuyển đổi thành điện và cung cấp năng lượng cho thợ đào Bitcoin.

Sự phát triển trong việc sử dụng công nghệ sẽ tạo ra nhu cầu lớn về sản xuất điện trong những năm tới - từ tài sản kỹ thuật số, trí tuệ nhân tạo và các ngành công nghiệp khác. Grayscale tin rằng Bitcoin góp phần vào hoạt động lành mạnh của cơ sở hạ tầng năng lượng toàn cầu và có vị thế độc đáo để giúp đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang năng lượng tái tạo so với nhiều ngành công nghiệp khác.

Ghi chú

[1] Nguồn: Coin Metrics. Dữ liệu tính đến ngày 31 tháng 1 năm 2025. [2] Nguồn: Coin Metrics. Dữ liệu tính đến ngày 31 tháng 1 năm 2025.

[3] Con số này được gọi là “nonce” (một con số chỉ được sử dụng một lần) và không hoàn toàn ngẫu nhiên. Ví dụ, hãy xem “Bí ẩn về các mẫu Nonce của Bitcoin”, BitMEX Research, 2019.

[4] Nguồn: Tính toán của Grayscale Research dựa trên tỷ lệ băm mạng được báo cáo và ước tính năng suất khai thác trung bình. Đối với trường hợp sau, chúng tôi sử dụng ước tính trung tâm là 125 TH/s dựa trên dữ liệu MINE-MATCH của Coin Metrics và phân tích lợi nhuận của từng máy khai thác ở các kết hợp khác nhau của giá băm và giá điện. [5] Nguồn: Coin Metrics. Dữ liệu tính đến ngày 31 tháng 1 năm 2025. [6] Nguồn: “Cái nào lớn hơn, số hạt cát trên Trái đất hay số lượng các vì sao trên bầu trời?”, NPR, tháng 9 năm 2012; “Quần thể côn trùng (Loài và cá thể)”, Viện Smithsonian. [7] Nuzzi, Waters và Andrade, “Phá vỡ BFT: Định lượng chi phí tấn công Bitcoin và Ethereum.” Ngày 15 tháng 2 năm 2024. [8] Xem ví dụ, “Phân tích sự đồng thuận của Bitcoin: Rủi ro khi nâng cấp giao thức”, Ren Crypto Fish, Steve Lee và Lyn Alden, tháng 11 năm 2024. [9] Nguồn: Coin Metrics.

[10] Vào bất kỳ thời điểm nào cũng có nhiều loại máy khai thác khác nhau đang hoạt động. Nhà cung cấp dữ liệu Coin Metrics đã phát triển công nghệ để xác định loại máy đóng góp tích cực vào tốc độ băm của mạng. Chúng tôi sử dụng dữ liệu này để ước tính mức tiêu thụ điện năng và số lượng máy đang hoạt động trên mạng.

[11] Ví dụ, thợ đào có thể phải chịu các chi phí khác, chẳng hạn như phí nhóm khai thác và doanh thu có thể thay đổi tùy thuộc vào thu nhập phí cho một khối cụ thể. [12] Nguồn: “Tăng trưởng thế hệ – Sự gia tăng năng lượng toàn cầu cho các trung tâm dữ liệu/AI và ý nghĩa của nó đối với tính bền vững”, Goldman Sachs, ngày 30 tháng 4 năm 2024. [13] Nguồn: “Core Scientific ký hợp đồng 12 năm với công ty AI với tổng doanh thu 3,5 tỷ đô la”, The Block, ngày 4 tháng 6 năm 2024. [14] Trong 365 ngày kết thúc vào ngày 31 tháng 1 năm 2025, cách tiếp cận này ngụ ý mức tiêu thụ điện hàng năm là 177,8 TWh; điều này nên được coi là ước tính có độ không chắc chắn đáng kể. [15] Nguồn: Tính toán thang độ xám dựa trên dữ liệu từ Viện nghiên cứu năng lượng, Đánh giá thống kê năng lượng thế giới và Trung tâm tài chính thay thế Cambridge. [16] Nguồn: Trung tâm Tài chính Thay thế Cambridge; “Lượng khí thải carbon từ AI và tiền điện tử đang tăng vọt; Chính sách thuế có thể giúp ích”, Shafik Hebous và Nate Vernon-Lin, Blog của IMF, ngày 15 tháng 8 năm 2024. [17] Nguồn: Xem ví dụ, Bitcoin Energy and Emissions Sustainability Tracker của Daniel Batten và “Bitcoin Mining Council Survey Confirms Year-over-Year Improvements in Sustainable Power and Technology Efficiency,” Bitcoin Mining Council, tháng 8 năm 2023. [18] Nguồn: Tính toán thang độ xám dựa trên dữ liệu từ Đánh giá thống kê năng lượng thế giới của Viện nghiên cứu năng lượng. [19] Nguồn: Tính toán thang độ xám dựa trên dữ liệu từ Đánh giá thống kê năng lượng thế giới của Viện nghiên cứu năng lượng. [20] Nguồn: Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ.