گذار به سوی پایداری زیست‌محیطی برای استخراج ارز دیجیتال

فهرست مطالب

• 1 مقدمه
• 2 توصیف مرز انرژی
  • 2.1 مرور کلی فناوری بلاک چین
  • 2.2 زیرساخت و اقتصاد استخراج
• 3 تحلیل فنی و شاخص‌های عملکرد
  • 3.1 شاخص‌های عملکرد انرژی (EPI)
  • 3.2 شاخص‌های کیفیت توان (PQI)
• 4 نتایج آزمایشگاهی و بهینه‌سازی
• 5 نمونه پیاده‌سازی کد
• 6 کاربردها و جهت‌گیری‌های آینده
• 7 تحلیل اصیل
• 8 مراجع

1 مقدمه

استخراج ارزهای دیجیتال رشد نمایی را تجربه کرده است، به طوری که تا پایان سال 2020 بیش از 5392 ارز دیجیتال مختلف در دسترس بوده و ارزش کل بازار آن از 201 میلیارد دلار فراتر رفته است. این سیستم غیرمتمرکز برای حل معادلات رمزنگاری و تأیید تراکنش‌های بلاکچین به دستگاه‌های استخراج متکی است. پیش‌بینی می‌شود شاخص مصرف انرژی بیت‌کوین در سال 2021 به 77.782 تراوات‌ساعت در سال برسد که تقریباً 1.5 برابر کل مصرف برق رومانی در سال 2020 است. این مقاله با ارزیابی شاخص‌های عملکرد انرژی (EPI) و شاخص‌های کیفیت توان (PQI) به تحلیل گذار فرآیندهای استخراج ارزهای دیجیتال به سوی پایداری محیط‌زیستی می‌پردازد.

2 توصیف مرز انرژی

2.1 مرور کلی فناوری بلاک چین

تراکنش‌های ارز دیجیتال از رمزنگاری کلید عمومی و فناوری بلاک‌چین غیرمتمرکز بهره می‌برند. بلاک‌چین از بلوک‌های داده زنجیره‌ای تشکیل شده که حاوی هش‌های رمزنگاری هستند. مولفه‌های کلیدی شامل گره‌ها، ماینرها، تراکنش‌ها، هش‌ها، الگوریتم‌های اجماع (Proof of Work) و بلوک‌ها می‌شوند. فرآیند ماینینگ شامل تأیید بلوک‌های تأیید نشده از طریق حل معادلات رمزنگاری است که در ازای آن ماینرها پاداش ارز دیجیتال دریافت می‌کنند.

2.2 زیرساخت و اقتصاد استخراج

مطالعه موردی یک مزرعه رمزارز در بخارست با ۴۰۰۰ متر مربع مساحت مفید را بررسی می‌کند. هزینه‌های سرمایه‌ای در مجموع ۴۵۰۰۰۰ یورو بود که شامل ۱۰۰۰۰۰ یورو برای هزینه‌های اجرایی (بازسازی برق، تهویه، شبکه‌های فناوری اطلاعات و ارتباطات) و ۳۰۰۰۰۰ یورو برای دستگاه‌های ماینینگ می‌شود. این مزرعه شامل ۱۰۰ دستگاه است که ۳۰ دستگاه آن هر کدام دارای ۱۳ کارت گرافیک Nvidia P104-100 هستند و با سرعت ۴۷۰ مگاهرتز بر ثانیه اتریوم ماین می‌کنند، مصرف برق هر دستگاه ۲ کیلووات در ساعت است و ماهانه ۰.۹ اتریوم تولید می‌کنند.

3 تحلیل فنی و شاخص‌های عملکرد

3.1 شاخص‌های عملکرد انرژی (EPI)

شاخص‌های عملکرد انرژی شامل اثربخشی مصرف برق (PUE) می‌شود که بهره‌وری انرژی مرکز داده را اندازه‌گیری می‌کند: $PUE = \frac{Total\ Facility\ Energy}{IT\ Equipment\ Energy}$. مقدار بهینه PUE به 1.0 نزدیک می‌شود. معیارهای اضافی شامل بازده نرخ هش ($J/MH$) و شدت کربن ($gCO_2/kWh$) است.

3.2 شاخص‌های کیفیت توان (PQI)

تحلیل PQI بر پایداری ولتاژ، اعوجاج هارمونیکی (THD) و ضریب توان تمرکز دارد. اعوجاج هارمونیکی کل به این صورت محاسبه می‌شود: $THD = \frac{\sqrt{\sum_{h=2}^{\infty} V_h^2}}{V_1} \times 100\%$ که در آن $V_h$ مؤلفه‌های ولتاژ هارمونیکی را نشان می‌دهد. اصلاح ضریب توان، توان راکتیو را کاهش می‌دهد: $PF = \frac{P}{S}$، که در آن $P$ توان اکتیو و $S$ توان ظاهری است.

4 نتایج آزمایشگاهی و بهینه‌سازی

این مطالعه الگوهای مصرف انرژی مزرعه را ارزیابی کرد و فرصت‌های بهینه‌سازی را از طریق زمان‌بندی بار و ادغام انرژی‌های تجدیدپذیر شناسایی نمود. پیاده‌سازی سیستم‌های خنک‌کننده پیشرفته، شاخص PUE را از ۱.۴۵ به ۱.۲۸ کاهش داد. اصلاح ضریب توان از ۰.۸۲ به ۰.۹۵ بهبود یافت که موجب کاهش تلفات انرژی شد. این استراتژی بهینه‌سازی با استفاده از توازن بار استراتژیک و بازیابی گرمای تلف شده، کارایی کلی استخراج را ۱۸٪ افزایش داده و همزمان انتشار کربن را ۲۲٪ کاهش داد.

5 نمونه پیاده‌سازی کد

import numpy as np

6 کاربردها و جهت‌گیری‌های آینده

تحولات آتی شامل گذار به مکانیزم‌های اجماع اثبات سهام، یکپارچه‌سازی با شبکه‌های هوشمند برای مدیریت پویای بار، و عملیات استخراج بهینه‌شده با هوش مصنوعی می‌شود. ریزشبکه‌های انرژی تجدیدپذیر که به‌طور ویژه برای عملیات استخراج طراحی شده‌اند، نمایانگر مسیری امیدبخش بوده و به‌طور بالقوه می‌توانند ردپای کربن را ۴۰ تا ۶۰ درصد کاهش دهند. سیستم‌های استخراج ترکیبی که چندین الگوریتم رمزارز را تلفیق می‌کنند، می‌توانند به بهبود بهره‌وری سخت‌افزار و بازده سرمایه‌گذاری منجر شوند.

7 تحلیل اصیل

صنعت استخراج رمزارزها در نقطه عطف حیاتی‌ای قرار دارد که در آن پایداری محیط‌زیست باید به عنوان ملاحظه‌ای اولیه و نه ثانویه در نظر گرفته شود. این پژوهش نشان می‌دهد که از طریق ارزیابی سیستماتیک شاخص‌های عملکرد انرژی و شاخص‌های کیفیت توان، می‌توان به بهبودهای چشمگیری در هر دو زمینه کارایی اقتصادی و تأثیرات محیط‌زیستی دست یافت. یافته‌های مطالعه موردی با روندهای گسترده صنعت که در شاخص مصرف برق بیت‌کوین کمبریج شناسایی شده است، همسو می‌باشد. این شاخص، ردپای انرژی قابل توجه بیت‌کوین را در سطح جهانی ردیابی می‌کند.

در مقایسه با مراکز داده سنتی، عملیات استخراج ارزهای دیجیتال ویژگی‌های منحصر به فردی را نشان می‌دهند که به رویکردهای تخصصی بهینه‌سازی نیاز دارند. بار محاسباتی ثابت و پرفشار، چالش‌های مدیریت حرارتی را ایجاد می‌کند که سیستم‌های خنک‌کننده متعارف در رسیدگی کارآمد به آن با مشکل مواجه هستند. همان‌طور که در مقاله CycleGAN (Zhu et al., 2017) اشاره شده است، رویکردهای یادگیری بدون نظارت به طور بالقوه می‌توانند عملیات استخراج را با شناسایی الگوهای مصرف انرژی و عملکرد سخت‌افزاری که ممکن است از دید تحلیلگران انسانی پنهان بماند، بهینه کنند.

گذر از Proof-of-Work به مکانیسم‌های اجماع جایگزین، امیدوارکننده‌ترین مسیر به سوی عملیات پایدار ارزهای دیجیتال است. مهاجرت جاری اتریوم به Proof-of-Stake (Eth2) نمونه‌ای از این روند است که طبق گزارش بنیاد اتریوم می‌تواند مصرف انرژی را تقریباً ۹۹.۹۵٪ کاهش دهد. با این حال، این انتقال نیازمند پیاده‌سازی دقیق برای حفظ امنیت شبکه و اصول غیرمتمرکزسازی است.

از منظر فنی، بنیان ریاضی استخراج ارز دیجیتال محدودیت‌های ذاتی کارایی را آشکار می‌سازد. فرآیند هش که برای امنیت بلاکچین ضروری است، لزوماً منابع محاسباتی قابل توجهی مصرف می‌کند. احتمال یافتن یک هش معتبر را می‌توان با $P = \frac{target}{2^{256}}$ بیان کرد، که در آن مقادیر هدف پایین‌تر، دشواری و نیازهای انرژی را افزایش می‌دهند. این رابطه بنیادی نشان می‌دهد که بدون نوآوری‌های الگوریتمی، بهبودهای محض کارایی با بازدهی کاهشی مواجه خواهند شد.

ادغام منابع انرژی تجدیدپذیر یک استراتژی حیاتی برای کاهش تأثیرات زیست‌محیطی استخراج رمزارزها محسوب می‌شود. انرژی خورشیدی و بادی، همراه با سیستم‌های پیشرفته ذخیره‌سازی انرژی، می‌توانند برق پایدار برای عملیات استخراج فراهم کنند. بر اساس گزارش آژانس بین‌المللی انرژی تجدیدپذیر (IRENA)، هزینه‌های انرژی تجدیدپذیر به طور قابل توجهی کاهش یافته‌اند که این امر چنین ادغام‌هایی را از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه‌تر کرده است. علاوه بر این، عملیات استخراج می‌توانند به عنوان بارهای انعطاف‌پذیر عمل کنند که به تعادل عملیات شبکه کمک کرده و مازاد تولید انرژی تجدیدپذیر که در غیر این صورت محدود می‌شد را جذب می‌کنند.

در چشم‌انداز آینده، توسعه سخت‌افزارهای تخصصی که هم برای کارایی محاسباتی و هم عملکرد حرارتی بهینه‌سازی شده‌اند، ضروری خواهد بود. مدارهای مجتمع با کاربرد خاص (ASICs) که با کارایی انرژی به عنوان یک محدودیت اولیه طراحی شده‌اند، می‌توانند به طور قابل توجهی شدت کربن عملیات استخراج را کاهش دهند. علاوه بر این، استفاده مجدد از گرمای تلف شده عملیات استخراج برای گرمایش مسکونی یا صنعتی، فرصت کم‌استفاده‌شده‌ای برای بهبود کارایی کلی انرژی محسوب می‌شود که مشابه رویکردهای مورد استفاده در سیستم‌های گرمایش منطقه‌ای در کشورهای نوردیک است.

8 مراجع

1. Cambridge Centre for Alternative Finance. (2021). Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index.
2. Zhu, J. Y., Park, T., Isola, P., & Efros, A. A. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. IEEE International Conference on Computer Vision.
3. Ethereum Foundation. (2021). Ethereum 2.0 Specifications.
4. International Renewable Energy Agency. (2020). هزینه‌های تولید برق تجدیدپذیر در سال 2019.
5. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
6. Digiconomist. (2021). Bitcoin Energy Consumption Index.