以太坊合并后的算力格局变革与环境足迹评估

合并后的以太坊 权力更迭 评估合并后的环境足迹 内容 引言 前言 来自剑桥替代金融中心的便条 自我们最初关注该领域以来，数字资产生态系统在近年里迅速成熟。机构参与不断深化，应用已从投机转向核心基础设施，而针对底层网络的问题也相应变得更加实质化。在这些问题中，环境足迹问题——以及为对其进行可信评估所必需的方法论严谨性——一直持续存在。 我们在此领域的工作现已横跨近十年：从2017年的全球加密货币基准研究（一项针对新兴行业的早期系统性调查）；到2019年剑桥比特币电力消耗指数的发布，这是我们首次专门针对底层网络的环境足迹所做的工作；再到2023年的剑桥区块链网络可持续性指数，该指数将此工作扩展至以太坊。本报告是我们持续进行的数字资产研究计划最新的贡献，旨在提高区块链环境影响研究的透明度和准确性。 合并以前所未有的规模改变了以太坊共识机制的基础原则：一个运行中的公共区块链在运行中途更换了其共识引擎，且未发生重大事故，并从根本上改变了其电力消耗模式。其规模更易想象而非言说：如果合并前的以太坊能源消耗是自由女神像的高度，那么合并后的网络就相当于一个停放在其基座上的高尔夫球。 一个实时运行的公共区块链在运行中途更换了其共识引擎。 因此未发生重大事故，并从根本上改变了其 电力消耗概况 合并后不久，我们发布了我们实时仪表板的大规模更新，将我们现有的比特币工作扩展到以太坊，并提供了基准估计。然而，自我们最初评估以来，已经过去了很长时间，并且发生了许多协议升级。在这些年间，我们还对关键输入因素有了远更精细的理解，这使得许多早期的理论假设被实证证据所取代。 本报告旨在提供我们更新分析框架的可访问性翻译。其目的并非让读者承担正式的数学推导和方法论推演（这些内容已另作收录），而是为了清晰阐述新估计所蕴含的意义、我们认知的边界，以及图景中哪些部分仍处于积极研究中。 最后，我们感谢广大利益相关者社区——包括协议研究人员、节点运营商和其他人员——他们的持续透明度和已发表的工作使得这项研究成为可能。 亚历山大·纽穆勒 研究主管，数字资产，能源与气候影响，替代金融剑桥中心 张博彦联合创始人兼剑桥替代金融中心执行主 任 引言 研究团队 作者身份、同行评审以及本报告所借鉴的更广泛社群 在剑桥替代金融中心（CCAF），我们很高兴在原版发布三年半之后，发布这份关于以太坊能源和气候足迹的更新评估。目的很简单：确保有关合并后网络的当前数据能够为该主题的循证辩论提供支持。报告中的主要数据均来自剑桥区块链网络可持续性指数（CBNSI）的实时仪表板，该仪表板透明地列出了这些数据的来源，并汇集了更广泛的支持数据来源、网络洞察以及供寻求更多细节的读者查阅的常见问题解答部分。 首席研究员 亚历山大·尼默勒数字资产研究与领导，能源与气候影响，剑桥另类金融中心 致谢 本报告得益于众多个人的贡献。首先，我们谨向支持此项工作并促成此次更新的以太坊基金会致以谢意，并向其团队表示诚挚的感谢，团队成员慷慨地投入时间与专业知识，审阅了本报告及其伴随的方法论的多个版本，并帮助将此项工作与公众联系起来。我们同样感谢加密碳评级机构（Crypto Carbon Ratings Institute）的团队——乌尔里希·加勒尔施多夫（Ulrich Gallersdörfer）、莱娜·克莱森（Lena Klaaßen）和克里斯蒂安·斯托尔（Christian Stoll），他们关于单个节点的硬件功率测量为本报告的计算链奠定了基础。我们对米加实验室（MigaLabs）团队的感谢同样适用，该团队由莱昂纳多·巴蒂斯塔-戈麦斯（Leonardo Bautista-Gomez）领导，其持续绘制的以太坊点对点网络图谱——包括其规模、地理分布、客户端构成和托管特征——为我们自首次评估以来的网络分析提供了实证基础。 在CCAF中，我们感谢凯瑟琳·塞尔比在沟通和推广方面提供的支持，感谢余悦在分析贡献和质量保证监督方面的贡献，以及同事们在报告成型过程中提供的编辑指导和审阅。我们同样感谢扎伊纳布·赛菲对文本的仔细校对，以及i-i-design的杰克·霍华德为报告设计了最终版式。我们还要感谢剑桥贾奇商学院的查尔斯·戈德史密斯和菲利帕·科尼，感谢他们在传播研究成果并为更广泛的受众创建易于理解的摘要方面提供的支持。 最后，这项工作构成了剑桥数字资产计划（CDAP）的一部分，我们感谢该计划的合作机构为其持续的支持，也感谢更广泛的以太坊研究社区，正是他们的研究成果使得此类评估成为可能。 引言 执行摘要 合并后方法论的标题编号 关键发现 本报告阐述了我们关于以太坊合并后环境足迹的最新评估：一个经过实质性修订的分析框架，结合了在节点层面的最新硬件测量数据。这些数据源于自合并以来累积的协议升级，旨在将网络的当前状况基于测量而非估算来确立。该模型基于覆盖网络约8,522个完整节点的墙插测量数据，这些节点分为两种配置：一种住宅配置，平均功耗约18瓦（W）；另一种工作站级配置，平均功耗约153 W，该数据来源于对20种不同的共识和执行客户端组合的测试。根据观测到的托管分布（约三分之一为住宅，其余为云或企业设施）对这两种配置进行加权，得出网络加权的参考值为每个节点约105 W。然后，再叠加一个单独的调整： 以太坊从工作量证明（PoW）过渡到权益证明（PoS）——即“合并”（The Merge），该合并于2022年9月15日完成——将网络能耗降低了约3个数量级。合并前的网络需求约为2.4吉瓦（GW），合并后降至约0.90兆瓦（MW），年化耗电量约为7.87吉瓦时（GWh）。 根据其节点所在地区的电网碳强度加权计算，该需求转化为每年约2.37千吨二氧化碳当量（ktCO₂e）的气候足迹——与合并前的最终水平相比，降幅约为99.98%。随着电力不再是共识的价格，以太坊的气候足迹主要取决于其网络节点在全球电网中的位置。 7 执行摘要 展望未来，三种动态将塑造网络的环境特征。首先，鉴于以太坊是一个动态协议，持续的升级可能会改变客户端效率和硬件需求，因此相关基础数据需要定期重新评估。其次，网络的碳足迹与其供电的电网紧密相关，随着这些电网实现脱碳，以太坊的排放量将相应下降，即使绝对电力消耗保持不变。最后，对无状态验证模型的研究表明，零售运营商的硬件门槛将降低，这与进一步去中心化网络物理基础设施层的更广泛目标相一致。 云和企业托管共享承担了专业设施所带来的冷却和网络开销，而住宅节点则没有这些开销。正是经过开销调整、并在节点群体中按比例计算的数值，产生了网络层面的需求。 从电力到排放的转换取决于地理因素。该模型将每个节点映射到其所属的司法管辖区，并应用相应的本地电网碳强度。这种分布虽然集中但并非单一结构，美国（31%）、德国（16%）、芬兰（8%）和法国（6%）共同承载了约62%的完整节点。按此分布加权计算，为该网络提供动力的有效电力结构约为56.4%可持续能源（可再生能源和核能）以及43.6%化石燃料——这显著优于全球平均水平。 合并后的格局中实质性变化并非这些数字的规模，而是其提出的问题。在PoW机制下，电力消耗是达成共识的代价。而在PoS机制下，安全性由质押资本提供担保，电力则代表了参与节点群体的运营成本。 引言 合并后的以太坊 从一尊雕像到一颗高尔夫球 ……剑桥替代金融中心 美国环境保护署 恒大地产 美国高尔夫协会 拉特兰报 Sources: 第一部分 过渡 第一部分 过渡 枢轴 在短短一个街区里，一个汇集了整个国家力量的网络，收缩到了一个村庄的规模。 1.1 合并发生了什么变化 敦村于2024年3月启动，推出了数据可用性大块（blobs），为将用户活动迁移到分片聚合器（rollups）（参见第6.1节）奠定了基础，并与当时生态系统的以分片聚合器为中心的路线图保持一致。然而，处理这些数据大块可能会给底层硬件的带宽和存储资源带来更大的压力。 2022年9月15日，以太坊切换了其账本的安全引擎。在单个区块的短时间内，网络从工作量证明（PoW）共识模型转变为权益证明（PoS）共识模型，导致电力需求降低了约3个数量级。一个此前消耗相当于一个中等规模国家电能的系统，被削减至相当于一个小村庄的电力消耗水平。 佩克特拉（Pectra）将于2025年5月启动，通过将每个验证者的最高有效余额提高到2048个以太币（ether），从而实现验证者整合，导致活跃验证者数量与质押以太币数量出现观察到的偏差。虽然验证者客户端本身并非功耗的主要驱动因素（详见第四章），但后续的软件更新可能会改变执行和共识客户端所需的底层计算资源。 此次减量标志着七年高耗能运营的结束。在其工作量证明（PoW）时代，网络的电力需求已达到国家层面的规模，合并前连续需求高达2.4吉瓦——大致相当于冰岛的年耗电量[1]。向权益证明（PoS）的转型，使网络共识层摆脱了计算力的蛮力束缚。哈希运算停止，一个自诞生起就依靠物理基础设施保障安全的协议，转型为依靠质押资本。通过将账本锚定于金融资产，网络切断了其安全保证与边际电力消耗之间的联系。 综合来看，这些升级及其引发的对电力需求问题的疑问，使得目前的修订显得审慎，并表明随着协议的成熟，定期重新评估仍将必要。 接下来的章节将逐步展开这一修订过程。第2章和第3章设定背景，首先是历史背景，然后是协议层面：以太坊最初如何依赖电力，以及合并及后续升级后，网络在协议层面的现状。第4章和第5章随后转向提供电力的物理基础设施——节点所在地、运行软件以及每台节点的电力消耗——并将这些按节点计算的数字扩展到整个网络。第6章将结果置于背景之中——首先探讨链上活动迁移至扩展层，然后将网络与区块链同行及熟悉参照物进行比较；第7章介绍了电网构成的议题，将电力消耗转化为气候足迹。第8章用日常术语解释这一足迹。第9章总结仍在变化的内容——即随着协议和全球电网的变化，图中将持续演变的要素。第10章最后指引读者查看实时仪表盘，在那里数据持续更新，并指向完整的方法论文档。 如今，原本用于支付网络安全费用的电费已降至参与节点的基准运营成本。我们当前的CBNSI实时仪表盘记录的基准值为每年7.87吉瓦时，相当于约0.90兆瓦的持续电力——这与PoW时代形成了鲜明对比。 在实时仪表盘上 剑桥区块链网络可持续性指数记录了7.87吉瓦时/年的基准值，相当于≈0.90兆瓦的持续电力——这是合并后节点群体的总电力消耗。 1.2 为什么要现在进行修订 然而，生态系统在近四年来并非停滞不前。已经推出了几次协议升级，每一次都足以影响网络的能源足迹。综合来看，这些情况值得我们修正之前的估计。特别是有两个方面值得我们更加关注。 第一部分 过渡 第一部分 过渡 发动机开关 在不停止机器的情况下更换引擎 2.1 工作量证明时代 早于比特币。亚当·贝克（Adam Back）于1997年提出并在2002年的论文[3]中正式确立的Hashcash，是一种旨在通过为每条消息附加少量计算成本来阻止电子邮件垃圾邮件的方案。六年之后，比特币将这一概念用于链扩展：任何人都可以提议一个区块，但只有其机器完成了足够计算工作的参与者才能成功。在以太坊的PoW（工作量证明）实现中，这大约每13到14秒概率性地解决一次。链上累积的工作量越高，任何重写账本的成本就越高。简而言之，安全是用电力来支付的。 区块链为何有电费账单的问题，早在以太坊出现之前就已存在。共识机制旨在解决的工程挑战，是让分布式的、彼此不信任的参与者就交易顺序达成一致，从而形成一个所有参与者都接受的单一共享账本（见图1）。 在开放、无需许可的环境下，针对这一挑战的第一个成功解决方案是工作量证明（PoW），它由中本聪在2008年的比特币白皮书[2]中正式提出。然而，其核心思想 该方案行之有效。它建立了一个可信的中立、抗审查的账本，一代去中心化应用由此构建。然而，它也消耗了大量的电力，尤其是在后期阶段。图2追踪了以太坊在七个PoW年间的年化消耗和累计温室气体排