TL:DR Bitcoin-Mining bedeutet Stromverbrauch und eine Server-Infrastruktur, die Bitcoins dezentraler Grundidee zuwiderläuft. Gleichzeitig funktioniert das Mining schon bald acht Jahre zuverlässig und die teure Infrastruktur, die in dieser Zeit entstanden ist, macht das Netzwerk sicherer. Der Privatmann kann sich aber kaum sinnvoll am Bitcoin-Mining beteiligen.

Auf dem Weg die Blockchain zu verstehen habe ich nacheinander die Logik hinter private keys und Adressen, Bitcoins dezentrales Netzwerk und den Aufbau der Blockchain selbst erklärt. Heute geht es um eine wichtige Konsequenz aus dem Design der Blockchain: enorme physische Ressourcen werden in das Mining gesteckt. Dahinter steckt eine Ökonomie, die wir genau verstehen wollen.

Dirk ist mit am Start und hat sich das ganze schon mal von der praktischen Seite angeguckt.

Mining ist jetzt nicht sooo kompliziert. Ich hab mir die Software heruntergeladen, Bitcoin Core, und lass die gerade auf meinem Computer laufen

Wenn du einen anderen Coin schürfen willst, musst du übrigens entsprechend deren Software herunterladen. Gerade wenn du den neuesten Shit schürfen willst, ist die Software häufig noch im Beta-Status und dann heißt es: Kommandozeile bedienen. Bei Bitcoin ist es aber einfach der grafische Bitcoin-Core-Client.

Um deinen block reward kassieren zu können, gibst du außerdem eine Adresse an, an der du Bitcoins empfängst.

Ganz so einfach war das nicht. Der hat erst einmal eine Woche lang synchronisiert. Wenn ich das richtig verstanden habe, hat der die Blockchain auf meinen PC heruntergeladen

Das ist genau richtig. Bitcoins Blockchain ist rund 160 GB groß und beim Herunterladen wird die auch noch verifiziert. Das beansprucht also nicht nur Bandbreite sondern auch CPU-Power.

Hab ich gemerkt. Seit 24 Stunden ist das aber fertig - der schürft jetzt also - ich bekomme aber nichts

Ja, leider. Das bedeutet, dass immer irgendjemand anders schneller ist und vor dir einen Block findet. Die Wahrscheinlichkeit, dass du jemals überhaupt einen Block als erster findest, dürfte verschwindend gering sein. Und: Immer wenn ein neuer Block gefunden wurde, musst du auf diesem aufbauen und fängst mit der Suche von vorne an.

Und eine Belohnung bekomme ich nur, wenn ich einen Block finde, nicht schon dafür, dass ich es versuche?

Richtig. Zumindest so wie du es gerade angehst. Prinzipiell könntest du dich auch mit anderen zusammentun, mit denen du gemeinsam einen Block suchst, und dann die Belohnung mit denen teilen. So würdest du kontinuierlich was vom block reward abbekommen. Tatsächlich ist aber selbst das eigentlich aussichtslos. Du holst damit nie die Stromkosten deines PCs wieder rein.

Aber hängt das nicht davon ab, wie viel Rechenpower ich hab?

Das ist genau richtig. Der genaue Zusammenhang geht so.

Über die Difficulty, das Target und die Hashrate

Um einen gültigen Block zu generieren, reicht es nicht aus, die Transaktionen zu sammeln, ich muss außerdem noch das difficulty-Kriterium erfüllen. Dazu rate ich eine Nonce, das ist eine Zahl, die neben anderen Informationen im block header auftaucht. Dann berechne ich den Hash des block headers.

Wenn der Hash das sogenannte Target unterschreitet, hab ich eine passende Nonce gefunden und kann den Block veröffentlichen. Das Target wird aus der difficulty berechnet: Je höher die difficulty desto geringer das Target und desto unwahrscheinlicher ist es, mit einem Versuch einen gültigen Block zu finden.

Meine einzige Möglichkeit ist es, möglichst viele Nonces auszuprobieren. Dazu muss ich ebenso viele Hashes berechnen. Je mehr Hashes ich pro Sekunde berechnen kann, desto besser. Meine hashrate ist also ausschlaggebend für die Wahrscheinlichkeit, dass ich der Glückliche bin der einen Block findet.

Diese Hashrate ist also das Maß für die Rechenpower. Und das Konzept dahinter hattest du im vorigen Artikel unter dem Namen Proof-of-Work eingeführt

Sehr richtig. Da sehr viele Miner aktiv sind, muss ich meine Hashrate mit der Gesamt-Hashrate des Netzwerks vergleichen. Bei Bitcoin liegt die zur Zeit zwischen 6 und 7 Exahashes pro Sekunde = 7 EHash/s = 7·10¹⁸ hash/s.

Ja gut, was müsste ich denn jetzt machen, um Bitcoins zu minen? Einen neuen Computer kaufen?

Dazu hole ich mal mal etwas weiter aus.

Eine kurze Geschichte des Bitcoin-Minings

CPU-Mining

Vor etwa sieben Jahren, als Bitcoin noch keine kommerzielle Bedeutung hatte, hab ich einfach meinen PC - um genauer zu sein: meine CPU - benutzt, um Bitcoins zu schürfen. Größenordnungsmäßig erreiche ich damit 10 Megahashes pro Sekunde = 10 MHash/s.

Das muss damals so eine Art Spiel gewesen sein. Wer damals schon dabei war, ist recht leicht an mehrere hundert Bitcoins gekommen - allerdings ohne dass klar gewesen wäre, dass die überhaupt mal etwas Wert sein würden.

GPU-Mining

Spätestens als auf MT:Gox ein Markt entstanden ist, wo Bitcoins gegen konventionelles Geld getauscht wurden, dürfte der Business Case klar geworden sein und man hat Grafikkarten = GPUs für das Mining entdeckt. GPU-Mining hat die folgenden Vorteile.

Höhere Hashrate: Größenordnungsmäßig landet man mit GPU-Mining bei 100 MHash/s und bekommt dementsprechend mehr ab vom Kuchen. GPUs sind per Design dazu geeignet, viele spezialisierte Operationen parallel abzuarbeiten, während die CPU ein Alleskönner ist, der nicht in so hohem Maße parallel arbeitet.

Höhere Effizienz: Wenn man die Stromkosten berücksichtigt, erreicht man mit den GPUs mehr Hashes pro Joule und braucht auch bei zehnfacher Hashrate keine Angst vor der Stromrechnung am Ende des Jahres zu haben.

Moment! Wenn alle auf Grafikkarten umsteigen, kriegen dann alle mehr Bitcoins? Dann müssten ja mehr Bitcoins in Umlauf kommen. Da ist doch der Wurm drin!

Stimmt, so funktioniert das auch nicht. Schauen wir mal genauer an, was du meinst. Im Schnitt wird alle zehn Minuten im Bitcoin-Netzwerk ein Block gefunden. Damit ist der block reward verbunden. Weil der block reward sich ca. alle 4 Jahre halbiert (in Wirklichkeit: alle 210’000 Blöcke), ist die Gesamtmenge an Bitcoins asymptotisch begrenzt.

Wenn jetzt die Gesamt-Hashrate des Netzwerks steigt, müsste der nächste Block im Prinzip schneller gefunden werden: Mehr Hashes pro Sekunde = mehr Blöcke werden ausprobiert = schneller. Die Lösung: Etwa alle zwei Wochen (in Wirklichkeit: alle 2016 Blöcke) wird die Difficulty angepasst, sodass wieder eine Blockzeit von zehn Minuten zu erwarten ist.

Da hast du gerade deinem Leser recht viel zugemutet. Ich verstehe, dass sich die difficulty also anpassen kann, wenn mehr Leute mit mehr Rechenpower beim Mining mitmachen. Mit “asymptotisch begrenzt” meinst du doch, dass es nie mehr als 21 Mio. Bitcoins geben wird oder?

Alles richtig. Die Auszahlungen an die Miner bleiben in Summe grob konstant. Um einen Vorteil zu haben, muss ich also der erste sein, der auf Grafikkarten umsteigt. Das macht genau diesen Wettbewerb aus.

Wie geht die Geschichte des Minings nach Grafikkarten weiter?

Die nächste Stufe, was Hashrate und Effizienz angeht, war FPGA-Mining. Das ist Mining mit programmierbarer Hardware. Auch das ist inzwischen komplett obsolet, weil heutzutage eigens aufs Bitcoin-Mining spezialisierte Chips hergestellt werden, sogenannte ASICs. Ein ASIC kann nichts weiter als Hashes für Bitcoin-Blöcke zu berechnen. ASIC-Mining dominiert heutzutage komplett.

Bitcoin-Mining heute

Was muss ich jetzt also tun, um Bitcoins zu minen?

Durch die Entwicklung mit den ASICs ist der Privatmann leider raus bei Bitcoin.

Ich kann mir zwar ein Gerät im Internet bestellen, einen ASIC-Miner, aber wenn ich nicht sehr gute Kontakte zu einem Hersteller habe, ist das irgendwo ein sehr schwieriges Geschäft. Typischerweise läuft das so, dass eine eine neue Generation von ASICs mit grandiosen Specs angekündigt wird, die man sich dann vorbestellen muss. Das heißt, ich bezahle, bevor ich was bekomme. Dann verzögert sich häufig die Auslieferung, während ich zusehen muss, wie die Difficulty steigt und mein erwarteter potenzieller Gewinn sinkt.

Viele Kunden unterstellen, dass die Hersteller die vorbestellten ASICs erst einmal selber zum Mining einsetzen, bevor sie die verschicken, und ich ich kann nichts dagegen machen.

Bis der ASIC-Miner dann da ist, ist die Difficulty tendenziell schon so weit gestiegen, dass ich das Gerät mit Glück noch ein bis zwei Monate profitabel betreiben kann, bevor ich es letztlich wegschmeißen kann. Manchmal reichen ein bis zwei Monate, um das Investement wieder reinzuholen, manchmal aber auch nicht.

Ich muss also eine Annahme darüber treffen, wie schnell die Difficulty steigen wird, um auszurechnen, ob sich die Investition lohnt

Korrekt. Neben der Difficulty spielen noch Stromkosten und der Bitcoin-Kurs eine Rolle, denn meine Stromrechnung zahle ich ja in Euro. Deutschland ist in puncto Stromkosten übrigens kein empfehlenswerter Standort.

Mal angenommen, ich komme günstig an Strom: Wenn der Bitcoin-Kurs steigt und die Difficulty nicht zu schnell anwächst, lohnt sich Mining also

In der Theorie ja. Die Difficulty entwickelt sich aber fast genauso unvorhersehbar wie der Bitcoin-Kurs. Und wenn ich annehme, dass der Bitcoin-Kurs steigt, könnte ich ja auch einfach Bitcoins kaufen, um eine Rendite zu erzielen.

Du rätst also komplett vom Mining ab?

Kann man so sagen. Wer das ernsthaft betreiben will, seine Hausaufgaben macht und nicht blauäugig da rangeht, hat eventuell trotzdem Erfolg. Es gibt ansonsten auch noch Alternativen: Andere Coins benutzen andere Proof-of-Work-Algorithmen und bei vielen Altcoins lohnt sich GPU-Mining noch.

Bei welchen Altcoins konkret?

Ich werde hier in Zukunft Altcoins im Detail vorstellen und dann auch auf deren Mining-Algorithmen eingehen. Vielleicht gibt es auch jemanden, der praktische Erfahrungen in den Kommentaren teilen möchte.

Mining und Stromkosten

Du hast noch einen wichtigen Aspekt außen vor gelassen. Der gesamte Mining-Apparat von Bitcoin ist extrem aufgebläht, was häufig kritisiert wird. Die Stromkosten für das Bitcoin-Netzwerk sind in Summe betrachtet jenseits von Gut und Böse.

Richtig … Durch die positive Entwicklung des Bitcoin-Kurses ist sehr viel Kapital ins Mining geflossen. Es hat sich für Investoren einfach gelohnt. Wie wir oben aber gesehen haben, kann man immer noch mehr, noch schnellere Miner einsetzen, um mehr zu bekommen. Neben den ASIC-Fabriken gibt es auch ansehnliche Server-Farmen, wo ausschließlich ASIC-Miner drinstehen, die Bitcoins schürfen.

Der gesamte Stromverbrauch des Bitcoin-Netwerks wird auf 15 TWh/Jahr geschätzt. Das sind 2 Gigawatt und somit mehr als der Stromverbrauch von Slowenien, bzw. etwas weniger als der von Kroatien. Ein großes, modernes Kernkraftwerk kann soviel leisten.

Das ist verwirrend. Wer bezahlt denn die Stromkosten? Die Miner verdienen doch wohl unterm Strich Geld …

Die Miner erhalten den block reward in Bitcoin. Um ihre Stromkosten zu decken, verkaufen die einen Teil davon direkt wieder. Das würde eigentlich zur Folge haben, dass der Preis von Bitcoin fällt, weil so kontinuierlich neue Bitcoins in Umlauf kommen und verkauft werden müssen.

Jetzt hat sich die Nachfrage nach Bitcoins bisher aber so entwickelt, dass der Preis trotzdem gestiegen ist. Man kann das also so sehen: Jeder, der Bitcoins kauft, finanziert - direkt oder indirekt - die Stromkosten der Miner. Wenn niemand mehr kauft, können die Miner ihre geschürften Coins auch nicht verkaufen und bleiben auf ihren Kosten sitzen.

Ist dieser exorbitante Stromverbrauch technisch zwingend?

Schon irgendwo. Man stelle sich nur mal vor, ich will Bitcoin angreifen - entweder um Bitcoins zu stehlen oder auch um das Netzwerk zu stören. Aus dem Artikel Das ist die Blockchain wissen wir, dass ich Blockchain manipulieren könnte, wenn ich alleine ca. 50% der Rechenpower des Gesamtnetzwerks kontrolliere.

Gerade weil Mining bei Bitcoin aber so ein Biest ist, hab ich da keine großen Chancen. Als einzelner Hacker komme ich da nicht weit und selbst eine Behörde wie die NSA kann nicht mal so eben genug ASICs auftreiben, um Bitcoin zu übernehmen.

Rückblickend hat Bitcoin es geschafft, dass alle Leute mit viel Kapital als ehrliche Nodes mitspielen, anstatt zu versuchen Bitcoin anzugreifen - und das schon über einen Zeitraum von fast acht Jahren. Die Blockchains der Altcoins sind alle tendenziell kleiner und im Zweifelsfall manipulierbar. Schon die nächstgrößere Blockchain, die von Ethereum, wurde effektiv schon manipuliert - allerdings durch eine Art Community-Konsens. Sowas ist bei Bitcoin praktisch unmöglich.

Die Bitcoin-Maximalisten behaupten also mit einigem Recht, dass es zur Zeit eigentlich nur eine Blockchain gibt. Die anderen Coins müssen sich dahingehend noch behaupten.

Wo die Reise hin geht

Bei mir bleibt der Eindruck, dass das auch effizienter gehen muss

Ja, schon möglich. Ein weitere Kritikpunkt ist übrigens, dass die Dominanz von ASICs bei Bitcoin eine Zentralisierung des Minings zur Folge hat. Im Bitcoin White Paper war noch die Rede davon, dass jeder Bitcoin-Nutzer selber auch als Miner zur Integrität des Netzwerks beitragen würde. Von diesem Maß an Dezentralisierung hat sich Bitcoin weit entfernt.

Und wie wird das in Zukunft aussehen?

Es gibt ja inzwischen einen ganzen Zoo von Altcoins. Häufig sind das Varianten von Bitcoin, die ganz konkret das Ziel haben, oben genannte Schwachstellen zu adressieren. Ich würde sagen, da muss man einfach die Entwicklung beobachten.

An dieser Stelle sei aber vor zu viel Altcoin-Idealismus gewarnt: Es gab schon viele Coins, die sich eine Zeit lang erfolgreich als “Bitcoin 2.0” vermarktet haben. In den bald acht Jahren Bitcoin sind aber viele Altcoins gekommen und gegangen. Es scheint nicht so einfach zu sein, Bitcoin abzulösen - selbst mit potenziell besseren Konzepten.

Liebe Leser

Für jemanden, der die Blockchain und Mining verstehen wollte, ist dies hier der abschließende Artikel. Die Grundlagen sind jetzt erklärt. Eigentlich geht es jetzt aber erst an die spannenden Themen: Bitcoins Blocksize-Debatte, Proof-of-Stake, IOTAs Tangle, … Stay tuned!

Für Fragen und Anregungen bitte kommentieren!

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