前面我们谈到矿工所要做的计算是十分困难的。我们现在谈一下为什么计算如此困难，以及看一看矿工用来进行这些计算所用到的硬件设备。
矿工计算难度的核心在于，对SHA-256哈希函数的运算。我们在第1章抽象地讨论过哈希函数。SHA-256是一个通用的密码学哈希函数，它是在2001年被标准化的密码学哈希函数大家族里的一员。SHA是安全哈希算法（Secure Hash Algorithm）的简称。SHA-256是一个不错的选择，因为它是比特币被发明时可用的密码学哈希函数中保密性最强的。虽然它的安全性有可能随着时间推移而慢慢降低，但至少现在它还是很安全的。SHA-256的设计来自美国国家安全局（NSA），这也导致了一些阴谋论的诞生，但是并不影响它是一个很强的哈希函数的事实。
近距离了解SHA-256
图5.5展示了SHA-256运算的具体细节，虽然我们不需要知道比特币工作原理的所有细节，但是对矿工计算任务的大概了解是很有帮助的。
SHA家族
SHA-256名称中的“256”代表它有256位的状态和输出，技术上来说，SHA-256是SHA-2函数家族中几个密切相关的函数成员之一，包括SHA-512（它有更大的状态位，所以也更加安全）。还有一个是SHA-1, 这是一个有160位输出的早期函数，虽然目前认为安全性不高，但是同样应该在比特币脚本里。
整个SHA-2家族，包括SHA-256在密码学上的安全性是得到公认的，而下一代产品SHA-3家族已经从一个公开的竞赛（由美国国家标准与技术研究所举办）中诞生了。SHA-3目前正在进行最后阶段的标准化测试，但在比特币出现的时候，它还没有出世。
SHA-256是一个256位的状态机。这256个状态被分割成8个32位的字段，这样它可以最优化地运行在32位的硬件上。每一轮运算选择一定数量的字段——有些会进行一些小的逐位调整——最终进行32位模加法运算(modular addition)，然后运算结果被移到状态最左的第一个字段，这样使得整个状态进行向右位移。这种设计的思路来自简单位的线性反馈移位寄存器(Linear Feedback Shift Registers，简称LFSR)。
图5.5展示了一轮SHA-256的压缩函数运算，一个完整的SHA-256运算要做64次这样的迭代运算，在每一轮运算中，会使用稍微不同的常数，所以所有的迭代运算都是不一样的。
矿工的任务就是尽可能快地进行这种函数运算。矿工们互相比拼运算速度，算得越快收益越高。为了实现尽可能快的速度，矿工需要进行32位字段操控，32位模加法运算，同时做按位逻辑运算。
图5.5 SHA-256的结构
注：这是一轮压缩运算。Maj是按位运算的。Ch也是按位运算的，根据第一个输入值的不同而决定是选择第二个还是第三个。∑0和∑1通过按位循环和⊕运算来操纵32位的字符输入。
我们很快就会看到，在比特币机制下，为了得到供其他节点使用的哈希函数，实际上要求两轮SHA-256运算。这是比特币的奇怪之处，进行两次运算的原因并不清楚，但这就是比特币的个性，作为比特币矿工只能服从。
CPU挖矿
第一代挖矿工作都是在普通电脑上完成的，也就是用通用中央处理器（CPU）来进行运算。事实上，CPU挖矿的工作就像图5.6中代码所示的逻辑那样简单，也就是说，矿工简单地按照线性的方式尝试所有的临时随机数，在软件中进行SHA-256的运算，并检查结果确认是否找到一个有效区块。请注意，正如我们之前提到过的，这段代码要进行两次SHA-256运算。
图5.6 CPU挖矿的伪代码
普通电脑运行这段代码到底有多快？一台高端的个人桌面电脑，每秒可以计算大约2千万次哈希函数（20MH/s），按照这个速度，根据2015年早期的难度水平（267），大概需要几十万年来找到一个有效区块。毫不夸张地说，挖矿真的非常困难！
如今使用一个普通电脑用CPU挖比特币，在目前的难度下已经无利可图了。在过去的几年里，用CPU挖矿的旷工可能会非常失望地发现，他们永远不可能通过挖矿赚到钱，因为他们不了解比特币是如何运行的。
GPU挖矿
第二代矿工意识到用CPU挖矿是在做无用功，他们开始用显卡或者图形处理器（GPU）来挖。
几乎每一个现代个人电脑都有内置的GPU以支持高性能图像处理，这些GPU都有高吞吐量和高并行处理功能，这两点对比特币挖矿都非常有利，比特币挖矿存在大量的并行处理，因为你需要同时用不同的临时随机数计算多个哈希值。2010年，有一门计算机语言开放运算语言（Open Computing Language，简称OpenCL）诞生了，这是一个可以使GPU进行非图像处理类工作的通用语言。OpenCL是一门高级语言，人们可以用它在显卡上做很多种类型的运算，而且速度比在CPU上的要快。这给通过GPU来进行比特币挖矿铺平了道路。
当时，通过显卡来挖矿有好几个吸引人的地方。首先，买显卡很容易，而且哪怕是业余爱好者也能轻松配置显卡。你可以在网上或大多数专营电子产品的商场里买到它。对大众来说，显卡是最容易获得的高端硬件设备。其次，显卡还有一些格外适合比特币挖矿的特性：显卡的并行性设计使其具备很多算术逻辑单元（Arithmetic Logic Units，简称ALU），可以同时进行SHA-256运算。有一些GPU还特别集成了针对位移操作的指令，这对SHA-256的运算非常有用。
大多数显卡都可以超频，这意味着如果你愿意承担显卡过热或者出现故障的风险的话，你可以让显卡以高于设计频率的频率更快地运行。超频是游戏玩家们渴望了多年的特性。对于比特币挖矿来说，超频会增加收益，即使超频可能引起一些运算错误。
举例来说，将显卡超频50%，也就是说运算速度加快50%，同时可能会造成SHA-256运算出错概率增加30%。如果显卡错误地接受了一个不正确的运算结果——虽然不太可能发生——你还可以通过CPU来进行二次确认。然而，你可能永远都不会知道一个正确的运算结果被错过了。但是通过超频产生的运算速度的增加，完全可以抵消由于显卡运行错误产生的正确输出减少，这样超频还是合算的（从经济效益上来说）。在上述的例子中，超频使得吞吐量增加到原来的1.5倍，而运算成功率降低到了0.7，那么乘积就是1.05，也就是意味着超频使得你的获利增加了5%。为了最大化收益，人们花了很多时间去优化最佳的超频比例。
最后，你可以通过一个CPU和一个主板加载许多个GPU。然后你便可以在安装了多个GPU的电脑上运行比特币节点，监听网络收集交易，组装区块，同时用多个GPU进行SHA-256的运算，以更快地找到正确的临时随机数及其对应的有效区块。很多人创造性地发明了很多有趣的“自制型”硬件设置，如图5.7所示，用一个CPU来驱动很多个GPU。这种情况仅发生在比特币的早期，当时大多数矿工都是比特币的爱好者，他们并不具备服务器搭建及运营经验。但是他们还是做了很多巧妙的设计，使得大量的GPU可以在一个较小的空间里同时运行，同时还解决了散热的问题。
GPU挖矿的缺点
GPU挖矿也有缺点。GPU有大量的内置硬件来进行图形处理，这些特定硬件对比特币挖矿没有任何用处，比如它们大量的浮点运算单元（floating point units），在SHA-256的运算中完全用不到。
矿工和游戏玩家的对比
根据民间传说，2011年，由于比特币矿工采购了太多的显卡以至于影响到了正常的市场需求，这造成了比特币社区和游戏社区之间的摩擦，因为游戏玩家们发现采购某个热门显卡变得越来越难。有趣的是，尽管如此，很多失望的游戏玩家因此而对比特币产生了兴趣，甚至有些游戏玩家因此而变成了比特币矿工！
图5.7 一个用于比特币挖矿的家庭组装式GPU机架
资料来源：István Finta, bitcointalk.org
同时GPU也没有很好的冷却处理设置，尤其是当你把大量的GPU堆放在一起的时候，这个问题就尤为突出。设计显卡的时候并没有考虑如图5.7所示的这种堆放的情形，原始的设计场景就是在一台电脑、一个机箱、一块显卡运行做图形处理而已。
GPU也非常耗电，所以一台普通的电脑也会消耗很多电。由此引发的另一个缺点就是，你要么自己构建特定的主板，要么花大价钱购买可以搭载大量显卡的特定的主板。
一个非常高端的显卡经过超频之后可能使得运行速度达到200MH/s，也就是说，每秒可以进行2亿次哈希运算，这是用CPU不可能达到的一个数量级。但是即便如此，即使你将100块这样的显卡集成在一起进行运算，根据2015年早期的比特币挖矿难度，仍旧需要运算几百年才有可能找到一个有效区块。因此，用GPU来挖矿基本上已经成为历史，但是在其他一些另类币的早期阶段还是很有效率的。
现场可编程门阵列挖矿
2011年左右，用于现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)的硬件设计语言Verilog，第一次用于比特币挖矿。一些矿工开始用FPGA来代替GPU进行挖矿。
图5.8 家庭组装式FPGA机架
资料来源：Xiangfu Liu，www.openmobilefree.net
FPGA的工作原理是在追求定制硬件的最佳性能的同时，用户可以现场调试或者修改硬件参数。相比之下，常用的硬件是在出厂之前就设计好的，以后是无法更改定制而只能永远做同样的工作。
FPGA比GPU的性能好，特别是在数位操作（bit fiddling）方面FPGA很轻易就可以做到。FPGA也很容易冷却，不像GPU，FPGA理论上可以使用硬件板卡上的每一个晶体管进行挖矿运算。跟GPU一样，可以将很多FPGA堆叠在一起，通过一个中央处理单元来驱动所有的FPGA，如图5.8所示。总体来说，相比显卡堆叠，我们可以构建一个更加干净整洁的大型FPGA阵列。
精心使用FPGA可以使得运算速度上升到1GH/s，也就是每秒10亿次哈希运算。这显然比CPU或者GPU在性能上都有很大的提高，不过即使你有100块每秒运算1GH/s的FPGA板，在2015年早期的比特币难度之下，平均仍旧需要100年的时间才能找到一个有效区块。
虽然性能提高了，但由于以下几个原因，用FPGA挖矿的时代也非常短暂：首先，使用FPGA来挖矿其实更加困难——几乎需要一直超频使用——这远超FPGA供普通消费者而设定的频率。因为这个原因，很多人在用FPGA挖矿的时候经常看到各种报错和故障。其次，优化FPGA的32位加法处理上十分困难，而这在SHA-256的运算中非常关键。最后，FPGA在多数商店都买不到，而且相比GPU来说，只有少数人才知道怎么搭建FPGA并进行相应的编程。
最重要的是，即使在性能功耗比方面，FPGA相比GPU的提升也不是很高，这就使得用FPGA挖矿只是一个短期现象。尽管GPU挖矿的时代持续了大约一年，而FPGA存在的时间更加有限——仅仅存在了几个月，之后定制化的专用集成电路技术（Application Specific Integrated Circuits，简称ASIC）就诞生了。
专用集成电路技术挖矿
当今的挖矿市场主要被ASIC所主导。这些IC芯片（集成电路芯片）被设计、制造、优化，就是为了比特币挖矿这个唯一目的。有几个大型的供应商出售这些芯片，消费者可以买到不同种类的ASIC矿机——较大型但略微昂贵点的款式，或者更加小巧的，当然还有一些可以节省能源的环保型等。
设计ASIC芯片需要非常专业的知识，它们所需要的研发周期也比较长。尽管如此，比特币ASIC芯片的设计制造过程（从发现问题到制作出解决问题的芯片）出乎意料地迅速，甚至打破了芯片行业的业界纪录。但弊端是前几代的早期芯片的设计有许多缺陷，而且大多数芯片没有达到它们所承诺的性能指标。但现在的比特币矿机芯片技术，已经相当成熟可靠了。
到2014年年底，ASIC芯片的寿命十分短暂，原因是整个网络的运算能力不断地快速上升。绝大部分早期的ASIC芯片在6个月后就被淘汰了。在这段时间里，大部分的利润都是在早期实现的（后期几乎没有什么利润了）。矿工往往在ASIC芯片“保鲜期”的前6个星期可以实现整个利润的一半，这就使得芯片的出货速度显得至关重要。基于这个行业的不成熟，许多矿工经常遇到延迟出货的情况，有些芯片送到客户手上的时候已经快要被淘汰了。由于比特币的全网运算能力已经稳定下来，现在的比特币挖矿设备有比较长的寿命，但在早期，失望的客户对供应商的欺诈控诉的事件时有发生。
在比特币历史的大部分时间里，挖矿的经济效益对小矿工来说一直不是很好，这些小矿工们需要通过在线预定矿机，等待矿机生产送货，然后再开始挖矿赚钱。实际上，大多数情况下，由于不断增加的挖掘难度，很多人是一开始就注定要亏钱的。好在到2013年的时候，比特币价格大涨，彻底扭转了比特币矿工亏钱的状况。实际上，挖掘比特币一直是一个很昂贵的投资，因为要赌注比特币的价格会上升，即使是在挖掘比特币中赚钱的那些矿工，如果能够把投资于挖掘设备的钱直接用于购买比特币，并在盈利时卖掉，这样他们的状况会更好些。
如今你仍然可以购买矿机，我们也不会劝阻你通过这种方式去了解比特币和加密数字货币，但是我们再次强调，这不是一个明智的生财之道。考虑到矿机运行所需要耗费的电力成本以及冷却成本，大多数ASIC矿机都无法靠挖矿来赚回成本。
如今：专业挖矿的天下
在今天，挖矿已经从个人领域转到了大型专业挖矿中心。为了保持竞争优势，运作这些挖矿中心的公司不愿意公布其运营细节。据猜测，这些运营者大量采购打过折的更新的功效更高的ASIC矿机而不是采购那些能够直接出售给个人的ASIC矿机来维持利润。
图5.9就是一个在格鲁吉亚运作的挖矿中心的图片。
图5.9 Bitfury的挖矿中心
注：在格鲁吉亚运作的专业挖矿中心。
要建立一个挖矿中心，需要具备三个重要因素：气候、电费、网络接入速度。尤其是要找一个气温偏寒的地方，这样可以节省冷却费用（大型计算中心会产生大量的热量，如不马上降温，会损害矿机）。冷却是比特币挖矿最大的挑战，其挖矿本身的耗电量，用单位面积来算要超过传统的数据中心，所以也会产生差不多当量的热量需要冷却。当然那里的电费要便宜。另外，接入网速要快，使得与比特币网络中的其他节点更快速地链接，这样当新的区块被广播出来的时候，你可以很快监听到。基于这些考量，所以格鲁吉亚和冰岛成为比特币挖矿中心的首选之地。
与挖金矿的相似之处
尽管比特币挖矿这个名词起得很有意思，如果回顾比特币挖矿的发展历程，我们就不难发现其与历史上的挖金矿有着有趣的相似之处。它们都开始于类似的淘金者热潮，很多年轻人和业余爱好者积极地参与其中。
比特币挖矿经历了一个逐渐演化的过程：从CPU到GPU，再到FPGA，最终达到现在的ASIC。而历史上的挖金矿则是从个人拿着盘子在沙里淘金，到一小群人用流沙槽来淘金，再到一群人用水冲刷金山来淘金，直到现代机械化露天挖矿（如图5.10）。比特币与黄金都从个人操作为主逐步演变为大公司专业运作。另外一个相似点就是，大多数的利润都被设备制造商拿走了，不管是黄金采掘设备还是比特币ASIC矿机生产商，而埋单的都是那些希望一夜致富的人。
图5.10 比特币和黄金的挖矿进程
注：我们可以看到，比特币挖矿和黄金采掘进程有一个清晰的类似进程，两种活动在最初都对个人用户很友好，但是随着时间的推移，被大型公司采取集中式大批量运作控制。
未来
现在，用ASIC挖矿是唯一一种可以赚钱的比特币挖矿手段，但对个体矿工来说，是十分不友好的。人们不禁要问，未来会如何发展？小规模矿工是否永远不可能再参与到比特币挖矿中？是否有办法把小规模矿工重新纳入挖矿体系中去？更重要的是，现在使用的ASIC和专业挖矿中心是否已经违反了比特币当初设计的初衷：一个完全去中心化的系统，在这个系统上里每个人都能用自己的电脑去挖矿。
此外，如果这已经违背了中本聪对比特币的最初设计，换成系统只允许CPU来挖矿是不是更好？我们将在第8章探讨这些问题，以及一些对ASIC不友好的替代方案。
自我循环周期
事实上，有一些规模较小的另类币已经使用了和SHA-256不同的解谜算法，但是它们的挖矿发展轨迹和比特币没有什么不同。我们将在第8章到第10章更深入地讨论这些另类币，但是请记住，ASIC的研发和生产有着比较长的时间周期，所以如果一个使用新的解谜算法的另类币（即使只是在SHA-256的基础上做一点修改），在有针对性的ASIC面世之前还是会有一段时间。通常跟比特币一样，其他另类币的挖矿发展也会经历从CPU到GPU，再到FPGA，或者直接到ASIC的过程（前提是这个另类币非常成功，比如莱特币）。
因此，小规模矿工的策略也许应该是尝试一些新的另类币，在它们的价值还没有足够大到吸引大型挖矿集团投资的时候，成为这些另类币的挖矿先行者，就跟黄金采掘的过程一样，小规模矿工可以去尝试那些还没有被证明储量的区域。当然，这也意味着先行者们将会面临一个重大的风险，也就是这些另类币有可能永远不会成功。