在加密货币的世界里，“挖矿”是一个广为人知的概念，它既是新区块产生的过程，也是网络安全得以保障的基石，提到以太坊（Ethereum），作为第二大加密货币平台，其挖矿机制一直是社区关注的焦点，以太坊究竟是用什么算法来挖矿的呢？以太坊目前（在合并前及合并后的历史阶段）主要采用的是一种名为Ethash的算法，它属于工作量证明（Proof of Work, PoW）机制的一种实现。

以太坊的共识机制：工作量证明（PoW）

在深入Ethash算法之前，我们首先要理解以太坊所依赖的共识机制——工作量证明，PoW的核心思想是，网络中的节点（矿工）通过解决复杂的数学难题来竞争记账权（即打包交易并生成新区块的权利），谁先解决了问题，谁就有权将新区块添加到区块链上，并获得相应的区块奖励（主要是以太币）。

这个过程需要矿工投入大量的计算能力和电力资源，因此被称为“工作量证明”，其安全性在于，攻击者如果要篡改区块链，需要拥有超过全网51%的计算能力，这在成本上是极其高昂且不现实的,从而保障了网络的安全性和去中心化特性。

以太坊的专属挖矿算法：Ethash

Ethash是以太坊为其PoW机制量身定制的一种算法，它属于哈希函数算法的一种，但与比特币使用的SHA-256算法相比，Ethash有其独特的设计理念，主要目标是抵抗ASIC（专用集成电路）矿机的垄断,促进挖矿的去中心化。

Ethash算法的核心特点：

  1. DAG（有向无环图）与缓存（Cache）： Ethash算法与SHA-256最显著的区别在于它引入了两个核心数据结构：DAG和缓存。

    • 缓存（Cache）：是一个相对较小的数据集，大小约为几GB，它会随着以太坊网络的每个 epoch（每个epoch包含30000个区块，约125天）而更新一次。
    • DAG（有向无环图，也称为“数据集”）：是一个非常大的数据集，大小会随着时间线性增长（目前已有数百GB，并持续增加），它同样在每个epoch更新。 缓存是DAG的一个小子集,矿机在挖矿时需要同时访问缓存和DAG中的数据。

  2. 内存密集型设计： Ethash算法的设计初衷是让挖矿过程更多地依赖于内存（RAM）的随机读写速度，而不是纯粹的算力（哈希运算速度）,这是因为：

    • 通用硬件（GPU）的优势：相比于CPU，GPU拥有更多的内存通道和更大的内存带宽，在处理内存密集型任务时更具优势，而早期的ASIC矿机主要针对算力优化,在内存访问方面并不突出。
    • ASIC抗性：通过增加内存需求，Ethash提高了设计专用ASIC矿机的门槛和成本，理论上，这使得拥有大量GPU的普通用户也能参与到挖矿中,从而维持了挖矿的去中心化程度。

  3. 双层数据集的动态更新： 缓存和DAG的定期更新机制，使得矿机无法永久使用固定硬件进行挖矿，需要定期更新数据集,这也在一定程度上增加了ASIC矿机的研发和迭代成本。

  4. 计算过程： Ethash挖矿过程可以概括为：

    • 矿工获取当前区块头信息（包括前一区块哈希、时间戳、交易列表根哈希等）。
    • 矿工根据当前epoch的缓存和DAG，对区块头进行一系列的哈希运算（包括多次Mix和Hash操作）。
    • 矿工不断调整一个称为“nonce”的随机数，重复上述哈希运算，直到得到的哈希值小于或等于网络当前的目标值（即“难度”）,第一个找到有效nonce的矿工获胜。

Ethash挖矿对硬件的要求

基于Ethash的特性,其挖矿硬件的选择也与其他加密货币有所不同：

  • GPU（图形处理器）：是Ethash挖矿的主力，NVIDIA（英伟达）和AMD的GPU凭借其强大的内存带宽和并行计算能力，成为以太坊挖矿的首选，不同型号的GPU在性能、功耗和效率上各有千秋。
  • CPU（中央处理器）：虽然也能运行Ethash算法，但由于其内存带宽和并行处理能力远不如GPU，因此在效率上完全不具竞争力,很少用于专业挖矿。
  • ASIC矿机：尽管有厂商声称推出了针对Ethash的ASIC矿机，但由于Ethash的内存密集型设计和DAG的不断增大，这些ASIC矿机的优势并不像在SHA-256算法中那样绝对，且随着DAG大小的增加,部分早期ASIC矿机可能会逐渐被淘汰。

从PoW到PoS：以太坊的“合并”与挖矿的未来

值得注意的是，以太坊社区一直在积极推动共识机制的转型，2022年9月15日，以太坊完成了备受瞩目的“合并”（The Merge），正式从工作量证明（PoW）转向了权益证明（Proof of Stake, PoS）。

这意味着：

  • 原有的Ethash挖矿将终结：在合并之后,以太坊网络不再通过PoW和Ethash算法来产生新的区块和验证交易。
  • POS机制取代：取而代之的是PoS机制，验证者（Validator）通过锁定（质押）一定数量的以太坊来获得参与网络共识、创建新区块的权利，并根据其质押份额和在线时间获得奖励，PoS机制旨在大幅降低能源消耗,提高网络效率和安全性。

虽然Ethash算法在以太坊的历史上扮演了至关重要的角色，但随着以太坊向PoS的转型，基于Ethash的“挖矿”已成为过去式，对于新入场的用户而言，了解Ethash有助于理解以太坊的发展历程,而未来的焦点将转向PoS机制下的质押生态。