期待從比特幣風口中分一杯羹的人們涌向“礦廠”，投入到“挖礦”掘金的熱潮中。與此同時，比特幣“挖礦”的驚人耗電量引人矚目。
能源價格比較服務網站PowerCompare.co.uk研究顯示，2017年用在比特幣“挖礦”上的電量超過29.05太瓦時（1太瓦時為1億度電），超過了全球159個國家的年均用電量。愛爾蘭全國（477萬人口）一年的用電量也只有25太瓦時的電力。
近日又有報道稱，云南昆明某小區內有住戶由于進行比特幣“挖礦”，導致小區內大面積跳閘，變壓器被燒毀，400多米的電纜因此受損。
挖個比特幣，為什么這么耗電？
集成電路功耗是根本原因
“比特幣挖礦機本質上是一種特殊的計算機。”清華大學信息技術研究院副院長曹軍威在接受科技日報記者采訪時說。
這種特殊的計算設備是如何挖到比特幣的呢？
在比特幣的世界里，大約每10分鐘會記錄一個數據塊。所有的挖礦計算機都在嘗試打包這個數據塊的同時完成提交任務，而最終成功生成這個數據塊的人，就可以得到一筆比特幣報酬。礦機的算力越強，“挖礦”速度越快，挖到比特幣的概率也就越高。
現在比特幣“挖礦”正在從“礦工”單打獨斗進入“組隊挖礦”時代，也就是通過“礦池”來“挖礦”。假如你的礦機算力占整個“礦池”算力的五分之一，如果“礦池”一天能挖到5個比特幣，那么你可以分到1個比特幣。
在爭分奪秒的“挖礦”競爭背后，電費是不可忽視的重要成本。有“礦工”算了一筆賬：按照礦機每天運行24個小時可以挖出0.0018個比特幣來計算，556天可以挖出一枚比特幣。他的礦機功率為1350瓦，功率1000瓦的礦機每小時約用一度電，兩臺礦機每天耗電量32.4度，每天電費16.8元。也就是說，挖到一枚比特幣要花費9367元。
“從根本上來講，這是集成電路的功耗問題。”曹軍威告訴科技日報記者，從硬件層面來看，電路本身就會消耗電能，而比特幣挖礦機對算力的要求又比較高，在進行大規模“挖礦”時礦機又比較集中，加起來功耗自然就大了。
吸電“狂魔”不只有挖礦機
其實，除了比特幣“挖礦”，計算設備耗電量驚人的新聞十分常見。
比如超級計算機。報道顯示，天河二號超級計算機每年產生的電費接近1億元人民幣，相當于一座中小城市一年的耗電量。“神威·太湖之光”超級計算機每年耗電量約為15兆瓦時，相當于3個清華大學的用電量。耗電量依然驚人。
再比如數據中心。中國數據中心節能技術委員會秘書長呂天文在接受科技日報記者采訪時介紹，2016年中國數據中心總耗電量超過1100億千瓦時，超過了三峽大壩2016年全年的總發電量，且與2015年時相比增長11.7%。
“數據中心的耗電包括4個部分，IT設備、供配電系統、新風制冷系統以及其他。”呂天文告訴科技日報記者，其中IT設備耗電量占總耗電量的50%左右，新風制冷系統占35%—40%左右，供配電系統占15%—18%左右。
呂天文介紹，PUE（Power Usage Effectiveness，電源使用效率）是衡量數據中心能源效率的重要指標，它是將數據中心總設備能耗除以IT設備能耗得出的數值。目前國內數據中心的平均PUE水平在2以上，也就是說非IT設備的耗電量超過了IT設備本身的耗電量。
“在數據中心，大量能耗發生在非IT設備上，很多電被白白浪費掉了。”呂天文告訴科技日報記者，供配電系統和制冷系統在節能方面有很大潛力。比如，新風制冷系統占整個能耗的35%—40%，進行優化調整節能改造后，就可以節約10%—20%的能耗。從全國范圍來看，就可以省出100億到200億元電費。
突破摩爾定律限制成為關鍵
但呂天文承認，在數據中心中，IT設備的節能才是最根本的。因為IT設備能耗占主要部分，而且供配電系統、新風制冷系統都是為IT設備服務的。
呂天文給科技日報記者算了一筆賬，假如IT設備的功率為1000瓦，那么就需要同時配備功率為1000瓦的供配電系統和功率為1000瓦的新風制冷系統，每小時總耗電量為3000瓦時。如果IT設備將能耗降到500瓦，就需要同時配備500瓦的供配電系統和500瓦的新風制冷系統，每小時總耗電量為1500瓦時。
這意味著，一旦IT設備能耗降下來，整個數據中心的能耗也會顯著下降。
“但現在的數據中心節能改造大多關注供配電系統和制冷系統等非IT設備，這其實是個悖論。”呂天文告訴科技日報記者，一旦數據中心投入使用，就很難再對IT設備進行改造，因為IT設備宕機會帶來巨大損失。所以現在通常鼓勵數據中心在設計建設之初，就盡量采用性能更好的、更為節能的IT設備。
那么IT設備的能耗又是怎么產生的？呂天文解釋說，數據中心的IT設備能耗“大戶”為網絡存儲設備和服務器，其中網絡存儲的能耗占60%左右。以前機械式硬盤的能耗就比較高，現在數據中心越來越多地使用SSD固態硬盤等網絡存儲技術，可以顯著減少這方面的能耗。
“無論是比特幣‘挖礦’，還是數據中心，或者是超級計算機，本質上其功耗問題都與最底層的集成電路有關。”在曹軍威看來，隨著芯片技術的發展，單位面積集成電路上的器件越來越多，功能越來越復雜，與此同時單位面積集成電路的功耗也越來越高。
曹軍威介紹，除此之外，從軟件層面來看，其功耗又與算法的設計、軟件的效率有關。從系統層面來看，要看好多IT設備搭建的集群采用的是什么網絡結構、是否高效。而從環境因素來看，又涉及散熱、制冷等系統。
至于如何從根本上讓這些計算設備不再如此耗電，長遠來看，恐怕需要通過量子計算和新半導體材料等來突破摩爾定律的限制，讓計算設備更高效、更節能。