サムネイル|ビットコインの送金を示す図。 ビットコインのマイニングとは、過去の取引を記録するビットコインの公開台帳に取引記録を追加するプロセスである。この台帳は、取引や記録のブロックの連鎖であることからブロックチェーンと呼ばれる。ブロックチェーンは、取引をネットワークの他の参加者に確認させるために機能し、正当なビットコイン取引と、コインの再利用試行とを区別するために使用される。
マイニングは意図的にリソースを大量に消費し、困難なプロセスとなるよう設計されており、1日に発見されるブロック数が一定に保たれるようになっている。個々のブロックは、有効とみなされるために証明（プルーフ）を含まなければならない。この証明は、他のビットコインノードがブロックを受信するたびに検証する。ビットコインは、プルーフ・オブ・ワークとしてハッシュキャッシュ方式を採用している。マイニングの根本的な目的は、ビットコインネットワークのノードが、安全で改ざん不可能なコンセンサス（合意）に達することを可能にすることである。マイニングはまた、ビットコインシステムに新しいコインを導入するための仕組みでもある。マイナー（採掘者）は、取引手数料と、新たに創造されたコインのサブシディ（補助金）を受け取る。これらはどちらも、新しいコインを分散型の方法で流通させるとともに、人々にシステムの安全性を提供する動機を与えるという目的を果たしている。
ビットコインのマイニングは、努力を必要とし、金などの商品が土から採掘される速度と同程度の割合で新しいコインをゆっくりと利用可能にするという、他の商品の採掘に似ていることから、そのように呼ばれている。
起源 ビットコインの台帳であるブロックチェーンは、2009年1月3日18:15 UTCに開始された。おそらくサトシ・ナカモトによって創設されたと考えられている。最初のブロックは「ジェネシスブロック」として知られている。最初のブロックに記録された最初の取引は、50ビットコインの報酬をその創設者に支払う単独の取引であった。
ビットコインは、その供給量が恣意的に2,100万ユニットに制限されるように創造された。各コインは分割可能であり、最小単位は1サトシ = 0.00000001 BTCに相当する。
活動 マイナー（採掘者）の主な活動は以下の通りである。
取引をリスンする。まずネットワーク上の取引をリスンし、署名をチェックして、その支出が以前に使用されていないことを確認することで取引を検証する。 ブロックチェーンを維持し、新しいブロックをリスンする。マイナーはブロックチェーンを維持しなければならない。ネットワークに参加する前にすでにブロックチェーンの一部となっている取引履歴を他のノードに要求することから始める。その後、マイナーはネットワーク上でブロードキャストされている新しいブロックをリスンし、各ブロックの取引を検証し、そのブロックが有効なナンスを含んでいるかどうかをチェックする。 新しいブロックを組み立てる。マイナーは最新のブロックチェーンのコピーを入手すると、自身のブロックの構築も開始する。そのために、リスンした取引を新しいブロックにグループ化する。そのブロックは、自身が把握した最新のブロックを拡張するものであり、有効な取引を含む。 自身のブロックを有効にするナンスを見つける。このステップには最も多くの作業が必要であり、マイナーの困難の大部分がここで発生する。 ブロックが受け入れられることを願う。マイナーがブロックを見つけても、そのブロックがコンセンサスチェーンの一部となる保証はない。この段階には多少の運が必要である。マイナーは、他のマイナーが自分以外のマイナーのブロックではなく、自分のブロックを受け入れ、そこからマイニングを開始することを願わなければならない。 利益を得る。すべてのマイナーがブロックを受け入れた場合、その新しいブロックを作成したマイナーが利益を得る。2015年初頭時点で、1ブロックあたりの報酬は25ビットコインであり、その価値は6,000ドル以上であった。さらに、ブロック内の取引に手数料が含まれている場合、マイナーはその手数料も受け取る。
難易度 ブロックのマイニングが計算量的に困難であるのは、ブロックヘッダーのSHA-256ハッシュが、ネットワークによって受け入れられるために「ターゲット」（すべてのビットコインクライアントが共有する非常に大きな256ビットの数値）以下でなければならないからである。この問題は説明の目的で単純化すると、ある「ブロック」のハッシュは特定の数のゼロで始まらなければならない。複数のゼロで始まるハッシュを計算する確率は非常に低いため、多くの試行を行う必要がある。各ラウンドで新しいハッシュを生成するために、「ナンス」（ビットコインブロックにおけるナンスは32ビットのフィールドであり、その値はブロックのハッシュが一連のゼロを含むように設定される）がインクリメントされる。
難易度の指標 難易度とは、最も容易に存在し得る場合と比較して、新しいブロックを見つけることがどれほど難しいかを示す尺度である。これは2016ブロックごとに再計算され、直前の2016ブロックがちょうど2週間で生成され、すべてのマイナーがその難易度でマイニングを行っていたかのような値に設定される。これにより、平均して10分に1ブロックのペースが維持される。より多くのマイナーがネットワークに参加するにつれて、ブロックの生成レートは上昇する。ブロックの生成レートが上昇すると、難易度も上昇してそれを相殺し、ブロック生成レートを押し下げる。難易度（ターゲット）に従わない悪意あるマイナーによって解放されたブロックは、ネットワーク上のすべての参加者に単純に拒否され、その作業は無価値となる。
報酬 ブロックが発見されると、発見者は一定数のビットコインで報酬を得ることができる。この金額はネットワーク上のすべての参加者による合意事項である。2015年初頭時点では、この報酬は25ビットコインであった。この金額は、21万ブロックごとに半減する。
ビットコインのマイニング難易度は、時間の経過とともに上昇してきた。必ずしも線形的あるいは指数的な成長ではなく、難易度は市場の活動に依存する。ネットワーク上のマイナー数（これは為替レートによって影響を受ける可能性がある）などの要因が、マイニング難易度に影響を与える。一般的に、より多くのマイナーがネットワークに参加するにつれて、ブロックはより速く発見され、難易度は上昇する。さらに、マイナーは取引を送信しているユーザーが支払う手数料によっても報酬を得る。この手数料は、マイナーが自分のブロックにその取引を含めるためのインセンティブである。将来的には、各ブロックでマイナーが創造できるビットコインの数が減少するにつれて、手数料がマイニング収入のより重要な割合を占めるようになるだろう。
マイニングのエコシステム
ハードウェア ユーザーはこれまで、ブロックをマイニングするために様々な種類のハードウェアを使用してきた。ハードウェアの統計情報と仕様は、「Mining Hardware Comparison」ページに詳細に記載されている。
CPUマイニング 初期のビットコインクライアントのバージョンでは、ユーザーは自身のCPUを使ってマイニングすることができた。しかし、一般的な用途のコンピュータでのこのプロセスはどれほど高速だろうか？最新のPCでは、毎秒2000万ハッシュ（MH/s）を計算できる。この速度では、2015年初頭の難易度によれば、平均して数十万年かかってようやく1ブロックを見つけられることになる。GPUマイニングの出現により、ネットワークのハッシュレートが上昇し、CPUマイニングで生成されるビットコインの量がCPUを動作させるための電力コストを下回るようになったため、CPUマイニングは経済的に賢明ではないものとなった。その後、このオプションはビットコインクライアントのコアユーザーインターフェースから削除された。
GPUマイニング 第二世代は、人々がCPUの低速さに不満を抱き、グラフィックス処理ユニット（GPU）を使い始めたときに始まった。GPUマイニングは、CPUマイニングよりも劇的に高速かつ効率的である。簡単に比較すると、CPUが1クロックあたり4つの32ビット命令を実行できるのに対し、GPUはこれらの操作を同時に3200個実行できる。GPUは高いスループットと高い並列性を実現するために作られており、マイナーは異なるナンスを用いて複数のハッシュを同時に計算できるため、どちらもビットコインマイニングに有用である。
GPUマイニングにはいくつかの欠点もある。GPUの構成の多くはビデオ処理を目的としているためである。具体的には、GPUにはSHA-256では使用されない浮動小数点ユニットが含まれており、マイニングにおいては無駄になる。また、GPUは冷却特性や電力消費の面でも最適とは言えない。高性能グラフィックカードは毎秒約2億ハッシュ（MH/s）を計算できるが、これはCPUを使用する場合よりも約1桁優れている。しかし、この性能向上をもってしても、ブロックを1つ見つけるには平均で300年以上かかることになる。
FPGAマイニング FPGAマイニングは、非常に効率的かつ高速なマイニング方法であり、GPUマイニングに匹敵し、CPUマイニングを劇的に凌駕する。FPGAは通常、比較的高いハッシュレートを維持しながら非常に少ない電力を消費するため、GPUマイニングよりも実現可能で効率的である。しかしながら、このレートでもまだ実用的とは言えない。FPGAを適切に使用すれば、マイナーは毎秒10億ハッシュのレートでハッシュを計算できる。これはCPUやGPUとは大きな差があるが、それでも数百枚のボードを一緒に使用しても、ブロックを1つ見つけるには平均で約50年かかることになる。 サムネイル|ASIC
ASICマイニング 特定用途向け集積回路（ASIC）は、非常に特定の目的のために設計・製造されたマイクロチップである。ビットコインマイニング用に作られたASICは2013年に発表された。ASICの消費電力あたりの性能を考慮すると、これらは以前のすべての技術よりもはるかに高速であり、約32.5 GH/sを計算し、一部の国ではGPUマイニングを経済的に採算の合わないものにしている。
エネルギー消費と環境への影響 大規模な専門的なマイニングデータセンターがビットコインマイニング事業を支配しつつあり、これは金採掘におけるピット採掘（露天掘り）の動きに類似している。長年にわたり環境保護主義者の間で大きな懸念があるのは、これらのマイニング施設が環境にもたらすリスクと被害の大きさである。現在のところ、ビットコインはまだその段階には達していないが、かなりの量のエネルギーを使い始めている（分散型コンセンサスを確保するために、ますます強力なマシンが必要とされているため）。今後、マイニングにどれだけのエネルギーが消費され、それが通貨と地球にとってどのような影響を及ぼすのかを見守る必要があるだろう。
なぜビットコインのマイニングにエネルギーが必要なのか？ そのプロセスにはエネルギーを必要とする3つの段階があり、そのうちのいくつかはそれほど明白ではないかもしれない。
1. 生産エネルギー まず、ビットコインをマイニングする機器そのものを製造する必要がある。これには、原材料の物理的な採掘だけでなく、それらの材料をCPU、GPU、FPGA、あるいはASICに加工することも含まれ、いずれもエネルギーを必要とする。機器を受け取った時点で、すでに多量のエネルギーを消費していることになる。配送に費やされたエネルギーも含め、これらすべては、マイニングのために機器の電源を入れる前の段階で消費されているのである。
2. 電力 機器の電源を入れてマイニングを開始すると、その機器はエネルギーを消費する。
3. 冷却 マイニングにおける3つ目の重要な要素は、機器の故障を防ぐために冷却する際に消費されるエネルギーである。非常に寒冷な気候の場所で運用している場合、冷却コストは非常に低くなるはずだが、ほとんどの気候では、機器のための追加の冷却費用を支払わなければならない。
大規模なマイニング 生産エネルギーと電力はどちらも、大規模に運用する場合には減少する。多数のデータセンターを稼働させている場合、より効率的に運用できる。大規模データセンターで動作するように作られたチップを製造する方が安価であり、また多数の電力供給業者を必要としないように、より効率的に電力を配分することができる。しかし冷却に関しては、その逆が真である。
実際には、冷却は大規模にマイニングすればするほどコストがかかる。大規模な運用を行い、多くのビットコインマイニング機器を一箇所に集中させたい場合、機器の周囲には熱を拡散させるための空気が少なくなる。大きな塊を冷却することは非常に難しくなるため、冷却の予算は増大する。
マイニング戦略 マイニングにおける課題、例えば優れたハードウェアや低い電力価格などについては多く語られてきた。しかし、これらの課題に加えて、マイナーがどのブロックの上で作業を行うかを選択する前に検討すべき戦略的な考慮事項もいくつか存在する。その一部を以下に示す。
どの取引を含めるか。マイナーは、どの取引をブロックに含めるかを選択する機会がある。標準的な戦略は、何らかの手数料の閾値を超える取引をすべて含めることである。 どのブロックの上でマイニングするか。マイナーはまた、どのブロックの上でマイニングしたいかを決定しなければならない。標準的な戦略は、ブロックチェーン上で既に検証された最も長いチェーンを拡張することである。 同じ高さのブロック間での選択。もし2つの異なるブロックが同時にマイニングおよびアナウンスされた場合、1ブロックの分岐が生じ、両方のブロックが最長チェーンとなる可能性がある。マイナーはその後、どちらのブロックを拡張するかを決定しなければならない。標準的な動作は、より先に知ったブロックから続けることである。 新しいブロックをいつアナウンスするか。新しいブロックが見つかったとき、マイナーはそのブロックをネットワークにいつアナウンスするかを決定しなければならない。標準的な動作は即座にアナウンスすることであるが、アナウンス前にしばらく待つことを選択することもできる。
マイニングプール ビットコインネットワークの難易度の上昇により、個別マイニングはあまり一般的ではなくなり、大部分はマイニングプールへの参加に取って代わられている。
マイニングプールにより、複数のマイナーが各自の計算能力を組み合わせてブロックを見つける確率を高め、ハッシュレートの貢献度に応じて報酬を参加者間で分配することが可能になる。
主な分配モデルには、PPS（ペイ・パー・シェア）、PPS+、そしてPROP（プロポーショナル）があり、それぞれに異なるリスクメカニズムと予測可能性がある。
マイニングハードウェア ビットコインマイニングは、CPUやGPUから、ASIC（特定用途向け集積回路）として知られる専門的なデバイスへと大きく進化してきた。ASICは、より高いエネルギー効率と性能を提供する。
最新の機器はSHA-256アルゴリズム専用に設計されており、産業規模のマイニング事業で大規模に利用されている。
エネルギー消費 ビットコインマイニングは、暗号計算を継続的に実行する必要があるため、高いエネルギー消費と関連付けられることが多い。
研究によれば、そのネットワークの消費量は中規模の国々の消費量に匹敵する可能性がある。 脚注