Hiểu về khai thác Bitcoin: Cách công việc tính toán thúc đẩy bảo mật Blockchain

Việc khai thác Bitcoin còn hơn cả một quá trình kỹ thuật—đó là cơ chế nền tảng giữ cho toàn bộ mạng lưới Bitcoin hoạt động, an toàn và phi tập trung. Về bản chất, công việc khai thác liên quan đến việc giải các câu đố toán học phức tạp để xác thực các giao dịch và tạo ra các khối mới, tất cả mà không cần đến một trung tâm quyền lực nào. Công lao tính toán này chính là điều làm cho hệ thống thanh toán peer-to-peer của Bitcoin khả thi, và nó được thúc đẩy bởi cả đổi mới mật mã và các khuyến khích kinh tế được thiết kế cẩn thận trong giao thức của Bitcoin.

Vấn đề cốt lõi mà Việc khai thác Giải quyết: Tin tưởng mà không cần Trung gian

Để hiểu tại sao công việc khai thác là cần thiết, hãy xem xét điều mà mọi hệ thống thanh toán đều phải ngăn chặn: chi tiêu gấp đôi. Trong tài chính truyền thống, các ngân hàng giải quyết điều này bằng cách duy trì một sổ cái trung tâm ngăn bạn chi tiêu cùng một đồng đô la hai lần. Nhưng Bitcoin nhằm loại bỏ hoàn toàn sự cần thiết của các trung gian như vậy.

Chữ ký số—một công cụ mật mã được phát minh vào những năm 1970—chứng minh quyền sở hữu: chỉ người có khóa riêng đúng mới có thể chuyển Bitcoin. Tuy nhiên, chữ ký số không thể ngăn việc cùng một bitcoin bị chi tiêu nhiều lần ở nhiều nơi cùng lúc. Đây là điểm đột phá của Satoshi Nakamoto. Ông đã áp dụng cơ chế bằng chứng công việc (PoW) của Adam Back, cho phép mạng lưới sắp xếp tất cả các giao dịch theo thứ tự thời gian thành các khối và đồng thuận chung về một sổ cái duy nhất, có thẩm quyền.

Điểm sáng của phương pháp này: việc đảo ngược bất kỳ giao dịch nào sẽ yêu cầu làm lại toàn bộ công việc tính toán của tất cả các khối sau đó—một nhiệm vụ quá đắt đỏ đến mức trở nên phi lý về mặt kinh tế đối với các tấn công. Khi các khối mới liên tục xếp chồng lên chuỗi, chi phí tấn công Bitcoin tăng theo cấp số nhân. Đây chính là cách mà công việc khai thác tạo ra niềm tin dựa trên toán học chứ không phải dựa vào uy tín của các tổ chức.

Cách Thức Hoạt Động Thực Tế của Công Việc Khai Thác: Cơ Chế Kỹ Thuật

Tại bất kỳ thời điểm nào, hàng nghìn thợ mỏ trên toàn thế giới đang cạnh tranh để giải câu đố giống nhau. Dưới đây là quá trình trong mỗi vòng:

Các thợ mỏ thu thập các giao dịch chờ xác thực được phát tán qua mạng Bitcoin và gom chúng thành một khối ứng viên. Mỗi khối có thể chứa từ một giao dịch đến vài nghìn, tùy thuộc vào kích thước dữ liệu của chúng. Sau đó, họ tham chiếu khối mới nhất trong chuỗi dài nhất, tạo thành một liên kết theo thứ tự, hình thành lịch sử của blockchain.

Bước quan trọng tiếp theo: các thợ mỏ phải tìm ra một giải pháp hợp lệ cho bằng chứng công việc. Bitcoin sử dụng SHA-256, một hàm băm mật mã do NSA tạo ra vào năm 2001. Các thợ mỏ lặp đi lặp lại việc tăng một biến gọi là nonce (số dùng một lần) trong tiêu đề khối và tính toán hàm băm của kết quả. Họ tìm kiếm một giá trị băm nhỏ hơn ngưỡng mục tiêu do mạng đặt ra.

Quá trình tìm kiếm này là hoàn toàn dựa trên brute force: các thợ mỏ có thể thử hàng tỷ hoặc thậm chí hàng nghìn tỷ tổ hợp trước khi tìm ra một giải pháp hợp lệ. Độ khó của công việc này không phải ngẫu nhiên—nó tự động điều chỉnh mỗi 2.016 khối (khoảng mỗi hai tuần) để duy trì tốc độ tạo khối trung bình chính xác là 10 phút. Khi nhiều thợ mỏ tham gia hơn và các khối được khai thác nhanh hơn, độ khó tăng lên. Khi họ rút lui, độ khó giảm xuống. Vòng phản hồi tinh tế này giữ cho nhịp đập của mạng luôn ổn định.

Sự Tiến Hóa của Phần Cứng: Tại Sao Sự Thống Trị của ASIC Là Không Thể Tránh khỏi

Phần cứng khai thác Bitcoin đã trải qua một cuộc biến đổi mạnh mẽ, cho thấy cách các hệ thống cạnh tranh thúc đẩy sự chuyên môn hóa công nghệ.

Khi Satoshi ra mắt Bitcoin vào năm 2009, việc khai thác rất dễ tiếp cận với bất kỳ ai có máy tính cá nhân. Độ khó của mạng chỉ là 1, và chính Satoshi đã khai thác khối Genesis bằng phần cứng CPU tiêu chuẩn. Việc khai thác và vận hành một node gần như là cùng một hoạt động.

Đến năm 2011, khi Bitcoin bắt đầu tăng giá—đạt 1 đô la rồi 30 đô la—cuộc cạnh tranh trở nên gay gắt hơn. Các thợ mỏ nhận ra rằng các bộ xử lý đồ họa (GPU) nhanh hơn nhiều so với CPU cho loại tính toán này. GPU, ban đầu được thiết kế cho chơi game, xuất sắc trong việc thực hiện hàng nghìn phép tính toán học song song. Thời kỳ GPU kéo dài khoảng một năm trước khi bước nhảy tiếp theo xảy ra.

Các mảng FPGA (Field-programmable gate arrays) xuất hiện như một bước trung gian—nhanh hơn GPU nhưng vẫn linh hoạt. Tuy nhiên, vào năm 2012-2013, các chip tùy chỉnh ASIC (Application-specific integrated circuits) đã thống trị. Những chip tùy biến này được thiết kế riêng để thực hiện hàm băm SHA-256 và nhanh hơn hàng tỷ lần so với phần cứng chung chung. Ngày nay, khai thác ASIC là con đường duy nhất khả thi về mặt kinh tế để đạt lợi nhuận.

Tiến trình phần cứng này minh họa một nguyên tắc cơ bản: khi mạng lưới phát triển và phần thưởng ổn định, áp lực cạnh tranh thúc đẩy sự chuyên môn hóa. Các thợ mỏ tiên phong trong việc triển khai công nghệ mới sẽ có lợi thế lớn. Hiện tại, nếu bạn vận hành thiết bị ASIC tiêu chuẩn từ 2-3 năm trước, khả năng cạnh tranh có lợi nhuận với các máy thế hệ mới là rất thấp. Điều này tạo ra một chu kỳ nâng cấp liên tục, đẩy việc khai thác về phía tập trung hơn trong các hoạt động có vốn lớn.

Tại Sao Công Việc Khai Thác Lại Thúc Đẩy Kinh Tế của Bitcoin

Giải quyết câu đố bằng chứng công việc đòi hỏi chi phí tính toán thực sự. Nhưng tại sao công việc đắt đỏ này lại hợp lý về mặt kinh tế? Câu trả lời nằm ở cấu trúc cung và khuyến khích của Bitcoin.

Mỗi lần một thợ mỏ thành công giải một khối, họ nhận được hai phần thưởng: trợ cấp khối và phí giao dịch. Trợ cấp khối hiện tại là 6.25 bitcoin mỗi khối. Tuy nhiên, phần thưởng này sẽ giảm một nửa sau mỗi 210.000 khối, khoảng mỗi bốn năm. Các lần giảm thưởng (halving) của Bitcoin đã diễn ra vào các năm 2012, 2016, 2020, và lần tiếp theo dự kiến là năm 2028.

Cơ chế giảm này đảm bảo nguồn cung Bitcoin tăng theo một lịch trình dự đoán được, giảm dần theo thời gian. Mạng lưới được thiết kế để đạt giới hạn cứng là 21 triệu bitcoin vào năm 2140. So sánh với vàng: nguồn cung vàng toàn cầu tăng 1-2% mỗi năm kể từ năm 1900, mà không có đảm bảo rằng tỷ lệ này sẽ duy trì ổn định. Nguồn cung của Bitcoin là không thể thay đổi, được lập trình trong chính giao thức của nó. Sự khan hiếm này—được xác minh bởi công việc của các thợ mỏ—là lý do tại sao Bitcoin thường được gọi là “tài sản cứng nhất thế giới.”

Kinh tế hoạt động như sau: các thợ mỏ phải chi tiền thật cho điện năng, phần cứng và làm mát. Họ chỉ chấp nhận chi phí này nếu phần thưởng bitcoin dự kiến vượt quá chi phí của họ. Điều này tạo ra một thị trường tự điều chỉnh. Nếu giá bitcoin giảm, việc khai thác trở nên ít có lợi hơn, các nhà khai thác nhỏ hơn đóng cửa, tổng sức mạnh băm của mạng giảm, và lợi nhuận của các thợ mỏ còn lại sẽ tăng lên. Nếu giá tăng, các đối thủ mới sẽ tham gia, cạnh tranh tăng lên, và hiệu quả phải được cải thiện. Trong dài hạn, chi phí khai thác xấp xỉ bằng phần thưởng khối—một cân bằng giữ cho mạng lưới an toàn mà không lãng phí quá nhiều tài nguyên.

Từ Khai Thác Solo Độc Lập Đến Hợp Tác Theo Nhóm: Các Con Đường Đến Khai Thác

Ngày nay, có hai phương pháp khai thác chính, mỗi phương có những đánh đổi riêng.

Khai thác Solo: Tự lực và Ẩn danh

Các thợ mỏ độc lập vận hành riêng, sử dụng phần cứng của chính họ mà không tham gia tổ chức nào. Khi một thợ mỏ solo tìm ra khối hợp lệ, họ nhận toàn bộ phần thưởng 6.25 BTC cộng phí giao dịch. Phương pháp này cung cấp quyền riêng tư tối đa—không cần KYC (xác minh danh tính)—và phù hợp với tinh thần tự do của Bitcoin.

Tuy nhiên, khai thác solo ngày càng trở nên không khả thi. Với độ khó mạng khoảng 30 nghìn tỷ, một thợ mỏ solo với phần cứng vừa phải có thể mất hàng tháng mà không tìm ra một khối nào. Tháng 1 năm 2022, một thợ mỏ solo may mắn vận hành chỉ 120 terahashes mỗi giây đã tìm ra một khối hợp lệ dù xác suất cực thấp, kiếm được khoảng 265.000 đô la giá trị bitcoin lúc đó. Những kết quả như vậy là ngoại lệ chứ không phải quy luật.

Ngày nay, khai thác solo chủ yếu mang tính bổ sung cho việc sưởi ấm tại nhà—các thợ mỏ có thể tận dụng nhiệt dư của thiết bị để sưởi ấm nhà—hoặc dành cho những người theo chủ nghĩa phi tập trung. Hầu hết các thợ mỏ cá nhân đã chuyển sang các hình thức hợp tác nhóm.

Khai thác theo nhóm: Tập hợp sức mạnh tính toán

Các nhóm khai thác là các tổ chức phi tập trung tập hợp sức mạnh tính toán từ hàng nghìn thợ mỏ cá nhân trên toàn thế giới. Thay vì mỗi thợ mỏ cạnh tranh độc lập với toàn bộ độ khó của mạng, họ hợp tác như một thực thể duy nhất. Khi nhóm tìm ra khối, phần thưởng được phân chia cho các thành viên theo tỷ lệ phần trăm sức mạnh tính toán họ đóng góp.

Phương pháp này mang lại thu nhập ổn định hơn là kiểu may rủi. Một thợ mỏ đóng góp 1% sức mạnh băm của nhóm sẽ nhận khoảng 1% tổng thu nhập của nhóm. Các nhóm lớn gồm Luxor, Foundry, Slush Pool, Poolin, Mara Pool, và F2Pool. Tuy nhiên, khai thác theo nhóm có những đánh đổi: các thợ mỏ thường phải cung cấp giấy tờ KYC, trả phí dịch vụ cho nhà điều hành nhóm, và phải tin tưởng vào tính trung thực và năng lực của nhà điều hành đó.

Các hoạt động khai thác quy mô doanh nghiệp

Việc khai thác có lợi nhuận cao nhất diễn ra trong các hoạt động lớn, mang tính tổ chức chuyên nghiệp. Các công ty này sở hữu các kho chứa ASIC khổng lồ ở các vị trí chiến lược, vận hành 24/7 với quản lý chuyên nghiệp, và có thể đàm phán giá điện mua số lượng lớn mà cá nhân không thể có.

Đầu tư hoặc mua sức mạnh băm từ các công ty khai thác là một con đường thứ ba, nhưng đi kèm rủi ro. Bạn có thể cần cung cấp giấy tờ KYC chi tiết, trả phí dịch vụ cao, và không có quyền kiểm soát các quyết định vận hành. Nếu công ty khai thác đưa ra quyết định kém về nâng cấp phần cứng hoặc chọn vị trí nhà máy, khoản đầu tư của bạn sẽ bị ảnh hưởng.

Để tiếp xúc với khai thác quy mô tổ chức mà không vận hành trực tiếp, có một số lựa chọn công khai:

Iris Energy hoạt động tại British Columbia, sử dụng năng lượng thủy điện tái tạo. Core Scientific sở hữu tỷ lệ hash lớn nhất trong các công ty khai thác và vận hành các cơ sở tại Texas, Georgia, Bắc Carolina, Kentucky, và North Dakota. Riot Blockchain là một trong những công ty khai thác công khai lớn nhất Bắc Mỹ, vận hành các cơ sở tại Texas. Blockstream Mining cung cấp dịch vụ cấp tổ chức và được đồng sáng lập bởi Adam Back, người có đóng góp quan trọng trong nghiên cứu mật mã giúp hình thành Bitcoin. Hut 8 Mining là một trong những nhà khai thác tài sản kỹ thuật số lớn nhất Bắc Mỹ, có hoạt động tại Alberta và Ontario, Canada, và sở hữu một trong những kho Bitcoin lớn nhất của các công ty công khai.

Thực tế về Năng lượng: Tích hợp Năng lượng Tái tạo và Bối cảnh So sánh

Có lẽ không có khía cạnh nào của khai thác bitcoin gây tranh cãi nhiều hơn về tiêu thụ năng lượng. Hiểu lầm phổ biến là khai thác gây ra thảm họa môi trường, nhưng thực tế lại hiểu sai về vai trò năng lượng của Bitcoin và tác động carbon của nó.

Theo Trung tâm Tài chính Thay thế của Cambridge, Bitcoin hiện tiêu thụ khoảng 87 terawatt-giờ mỗi năm, chiếm khoảng 0.55% sản lượng điện toàn cầu—tương đương năng lượng của các quốc gia nhỏ như Malaysia hoặc Thụy Điển. Con số này đã khiến các nhà phê bình lo ngại, nhưng tiêu thụ năng lượng không phải là thước đo chính. Các phát thải carbon mới là điều quan trọng hơn.

Bitcoin về lý thuyết có thể tiêu thụ toàn bộ năng lượng của nhân loại mà không phát thải carbon nếu được cung cấp hoàn toàn bằng năng lượng tái tạo. Ngược lại, nó có thể tiêu thụ ít hơn nhiều năng lượng nhưng hoàn toàn dựa vào than đá và gây ra tác động carbon khổng lồ. Điều cần tập trung là nguồn năng lượng, chứ không phải khối lượng tiêu thụ.

Khai thác Bitcoin tạo ra một cơ hội kinh tế mới cho các nhà sản xuất năng lượng tái tạo. Năng lượng mặt trời và gió hiện rẻ hơn nhiên liệu hóa thạch—khoảng 3-4 xu mỗi kilowatt-giờ và 2-5 xu mỗi kilowatt-giờ tương ứng, so với 5-7 xu của than hoặc khí tự nhiên. Tuy nhiên, các nguồn năng lượng này gặp thách thức về tính không liên tục: mặt trời không chiếu sáng ban đêm, gió thay đổi không dự đoán được.

Khai thác Bitcoin cung cấp một nhu cầu linh hoạt có thể hấp thụ nguồn cung năng lượng tái tạo không liên tục này. Khi các trang trại gió tạo ra năng lượng dư thừa trong các giai đoạn thấp nhu cầu, các thợ mỏ Bitcoin có thể tăng hoạt động. Khi năng lượng tái tạo giảm, họ giảm tải. Tính linh hoạt này thúc đẩy đầu tư hạ tầng năng lượng tái tạo ở các khu vực xa xôi, nơi mà năng lượng dư thừa sẽ bị lãng phí nếu không có cách tiêu thụ. West Texas, ví dụ, có nguồn gió và năng lượng mặt trời dồi dào đã thu hút các hoạt động khai thác Bitcoin chính vì các thợ mỏ có thể tiếp cận điện giá rẻ trong một khu vực ít có nhu cầu công nghiệp thay thế.

Na Uy là một ví dụ khác: 100% điện của quốc gia này đến từ thủy điện, tạo ra môi trường lý tưởng cho khai thác. Các hoạt động khai thác quy mô lớn tự nhiên hướng về các khu vực này, phù hợp với lợi ích kinh tế và khả năng cung cấp năng lượng tái tạo.

Về tỷ lệ năng lượng tái tạo trong khai thác Bitcoin, các ước tính khác nhau do tính minh bạch hạn chế của các thợ mỏ. Hội đồng Khai thác Bitcoin ước tính 59.5% năng lượng khai thác trong Quý 2 năm 2022 là bền vững, tăng 6% so với cùng kỳ năm trước. Phân tích của Coinshare năm 2019 gợi ý 73% dựa trên các nguồn trung tính carbon, chủ yếu là thủy điện tập trung ở Tây Nam Trung Quốc và Scandinavia. Trung tâm Cambridge ước tính thấp hơn, khoảng 39% vào năm 2020. Dù có sự chênh lệch, xu hướng rõ ràng là khai thác ngày càng dựa vào năng lượng tái tạo, đặc biệt là thủy điện và ngày càng nhiều năng lượng mặt trời, gió.

Các câu hỏi phổ biến về khai thác Bitcoin

Khai thác có hợp pháp không? Khai thác hợp pháp ở hầu hết các quốc gia trên thế giới, mặc dù Algeria, Nepal, Nga, Bolivia, Ai Cập, Maroc, Ecuador, Pakistan, Bangladesh, Trung Quốc, Cộng hòa Dominica, Bắc Macedonia, Qatar, và Việt Nam đã ban hành các hạn chế hoặc cấm, chủ yếu do lo ngại về tiêu thụ điện năng hoặc đe dọa kiểm soát tiền tệ.

Khai thác có bị đánh thuế không? Khai thác Bitcoin được coi là thu nhập doanh nghiệp và bị đánh thuế như thu nhập thông thường. Thuế lợi nhuận vốn cũng áp dụng nếu Bitcoin khai thác được bán để sinh lợi sau này.

Khai thác có lợi nhuận không? Lợi nhuận phụ thuộc vào chi phí điện, giá phần cứng, chi phí làm mát, và giá thị trường của Bitcoin. Với giá 20.000 đô la mỗi Bitcoin và phần thưởng khối 6.25 BTC, thợ mỏ nhận về khoảng 125.000 đô la mỗi khối trước chi phí. Khi giá Bitcoin giảm, lợi nhuận nhanh chóng bị thu hẹp.

Việc khai thác khó khăn như thế nào? Độ khó khai thác đã tăng theo cấp số nhân từ 1 khi ra mắt Bitcoin đến khoảng 30 nghìn tỷ ngày nay. Điều này có nghĩa là phần cứng ASIC hiện đại phải thực hiện khoảng 30 nghìn tỷ phép băm trung bình để tìm ra khối hợp lệ và duy trì khả năng cạnh tranh. Sự tăng trưởng đột biến này phản ánh cả sự tham gia ngày càng lớn của mạng lưới và cải tiến phần cứng.

Mất bao lâu để khai thác một Bitcoin? Trung bình, mất 10 phút để khai thác một khối, hiện tạo ra 6.25 Bitcoin. Việc khai thác solo một Bitcoin sẽ về lý thuyết mất khoảng 1.6 phút trung bình (không tính nhóm), hoặc lâu hơn nhiều do xác suất. Khi phần thưởng khối giảm xuống còn 1.56 BTC vào khoảng năm 2028, thời gian trung bình để khai thác một khối vẫn là 10 phút, nhưng mỗi khối sẽ đòi hỏi nhiều công sức khai thác hơn để tạo ra mỗi Bitcoin.

Tại sao Công Việc Khai Thác Vẫn Cần Thiết

Công việc khai thác đôi khi bị xem là tiêu tốn lãng phí, không phục vụ mục đích lớn hơn nào. Điều này hiểu sai về thiết kế cơ bản của Bitcoin. Công lao tính toán thực hiện ba chức năng thiết yếu cùng lúc:

Thứ nhất, nó bảo vệ mạng lưới khỏi các cuộc tấn công bằng cách làm cho việc đảo ngược các giao dịch trong quá khứ trở nên quá đắt đỏ. Thứ hai, nó tạo ra sự đồng thuận giữa các thành viên phi tập trung mà không cần tin tưởng vào bất kỳ thực thể nào. Thứ ba, nó thực thi chính sách tiền tệ theo chương trình của Bitcoin bằng cách kiểm soát thời điểm Bitcoin mới được phát hành.

Các chức năng này không thể tách rời. Loại bỏ yêu cầu công việc khai thác, Bitcoin sẽ dễ bị tấn công, mất tính phi tập trung, và phá vỡ cam kết về sự khan hiếm của nó. Công việc không phải là thứ phụ, mà chính là cơ chế làm nên bản chất của Bitcoin.

Khi công việc khai thác tiếp tục phát triển, đặc biệt là hướng tới tích hợp năng lượng tái tạo, cuộc tranh luận về tính cần thiết của nó nên chuyển từ “khai thác tiêu thụ năng lượng?” sang “một hệ thống tiền tệ phi tập trung, giới hạn cứng có đáng bỏ ra tài nguyên không?” Đối với hàng triệu người trên toàn thế giới nhận thức giá trị của Bitcoin như một hệ thống tiền tệ thay thế, câu trả lời rõ ràng là có. Công việc khai thác tạo ra năng lượng cho nó chính là hành vi kinh tế hợp lý phù hợp với thực tế công nghệ và môi trường—không phải là sự thiếu ý thức về môi trường, mà là một ví dụ mới nổi về cách các nhu cầu tính toán có thể phù hợp với sự phát triển năng lượng tái tạo.