ماینر چیست و چه کارایی دارد

دستگاه ماینر سخت افزاری تخصصی با قدرت پردازشی بسیار بالاست که برای استخراج ارزهای دیجیتال مانند بیت کوین طراحی شده است. این دستگاه ها مسائل محاسباتی پیچیده شبکه بلاک چین را حل می کنند تا تراکنش ها تایید و بلوک های جدید به زنجیره اضافه شوند و در ازای آن پاداش دریافت کنند.

ماینرها ستون فقرات شبکه های بلاک چین مبتنی بر الگوریتم اثبات کار (Proof-of-Work) محسوب می شوند. فعالیت این دستگاه ها که به آن ماینینگ یا استخراج می گویند نقشی حیاتی در حفظ امنیت اعتبار و غیرمتمرکز بودن این شبکه ها ایفا می کند. بدون فعالیت ماینرها تراکنش ها تایید نمی شدند و واحدهای جدید ارز دیجیتال نیز به وجود نمی آمدند. درک عملکرد و کارایی این دستگاه ها برای هر کسی که به حوزه ارزهای رمزنگاری شده علاقه مند است ضروری است. این سخت افزارهای قدرتمند نه تنها به فرآیند ایجاد ارزهای جدید کمک می کنند بلکه با صرف انرژی محاسباتی قابل توجه از کل شبکه در برابر حملات احتمالی محافظت می نمایند. تکامل فناوری ماینرها از پردازنده های معمولی کامپیوتر (CPU) و کارت های گرافیک (GPU) تا تراشه های مدارهای مجتمع با کاربرد خاص (ASIC) نشان دهنده افزایش پیچیدگی و رقابت در این حوزه است. هر نسل جدید از این دستگاه ها با هدف افزایش بهره وری و کاهش مصرف انرژی نسبت به قدرت پردازش طراحی می شوند. ماینینگ تنها راه به دست آوردن مستقیم ارزهای دیجیتال جدید در شبکه های PoW نیست بلکه مشارکت فعال در اکوسیستم بلاک چین و کمک به پایداری آن است. این فرآیند که اساساً شامل حل یک معمای محاسباتی پیچیده است نیازمند سرمایه گذاری اولیه قابل توجه برای خرید سخت افزار و همچنین هزینه های جاری مانند برق و نگهداری است.

دستگاه ماینر

تعریف ماینر

دستگاه ماینر که گاهی از آن به عنوان سخت افزار استخراج یا ریگ ماینینگ نیز یاد می شود یک سیستم کامپیوتری تخصصی است که منحصراً برای انجام محاسبات لازم جهت استخراج ارزهای دیجیتال طراحی شده است. برخلاف کامپیوترهای شخصی عمومی که برای طیف وسیعی از وظایف مورد استفاده قرار می گیرند ماینرها برای اجرای مکرر و بسیار سریع یک نوع خاص از عملیات محاسباتی یعنی تابع هش رمزنگاری بهینه سازی شده اند. این دستگاه ها در ابتدا با استفاده از پردازنده های مرکزی (CPU) کامپیوترهای معمولی آغاز به کار کردند اما با افزایش سختی شبکه هایی مانند بیت کوین و نیاز به قدرت پردازش بیشتر ماینینگ به سمت استفاده از کارت های گرافیک (GPU) سوق پیدا کرد. کارت های گرافیک به دلیل معماری موازی خود توانایی انجام محاسبات هشینگ را با سرعت بسیار بالاتری نسبت به CPUها داشتند. اما نقطه عطف در فناوری ماینرها معرفی تراشه های مدارهای مجتمع با کاربرد خاص (ASIC) بود. دستگاه های ASIC به طور خاص برای اجرای یک الگوریتم هشینگ واحد (مانند SHA-256 برای بیت کوین) طراحی و تولید می شوند و به همین دلیل کارایی و سرعت آن ها در مقایسه با GPUها و CPUها به مراتب بیشتر است. این تکامل سخت افزاری باعث شده است که امروزه ماینینگ در مقیاس بزرگ عمدتاً با استفاده از دستگاه های ASIC انجام شود.

هر دستگاه ماینر شامل چندین جزء اصلی است که با همکاری یکدیگر فرآیند استخراج را انجام می دهند. هسته اصلی این دستگاه ها تراشه های پردازشی هستند که مسئول انجام محاسبات سنگین هشینگ می باشند. این تراشه ها معمولاً به صورت مجموعه ای در یک برد مدار چاپی (PCB) قرار گرفته اند. برای تامین انرژی مورد نیاز این تراشه های پرمصرف یک منبع تغذیه قدرتمند و پایدار ضروری است. همچنین به دلیل تولید حرارت بسیار زیاد توسط تراشه های پردازشی سیستم های خنک کننده پیشرفته ای شامل هیت سینک ها فن ها و گاهی اوقات سیستم های خنک کننده مایع در طراحی ماینرها گنجانده می شوند تا دمای دستگاه در محدوده عملیاتی مناسب حفظ شود و از آسیب دیدن سخت افزار جلوگیری شود. اتصال به شبکه اینترنت نیز برای ارتباط با شبکه بلاک چین و دریافت اطلاعات مربوط به تراکنش ها و بلوک ها و همچنین ارسال نتایج محاسبات ضروری است. یک واحد کنترل نیز برای مدیریت عملکرد دستگاه نظارت بر دما و سرعت فن ها و اتصال به نرم افزار ماینینگ مورد نیاز است. دستگاه های ماینر مدرن اغلب به صورت سیستم های مستقل طراحی می شوند که تنها نیاز به اتصال به برق و اینترنت دارند و از طریق یک رابط کاربری تحت وب یا نرم افزار اختصاصی مدیریت می شوند. این سخت افزارهای تخصصی به دلیل قدرت پردازشی فوق العاده و بهینه سازی برای یک هدف خاص نقش محوری در اکوسیستم ارزهای دیجیتال مبتنی بر اثبات کار ایفا می کنند.

کارایی ماینر

وظیفه اصلی ماینر

وظیفه اصلی و حیاتی دستگاه های ماینر در شبکه های بلاک چین مبتنی بر اثبات کار مشارکت در فرآیند اجماع شبکه و تضمین امنیت آن است. این دستگاه ها با صرف توان محاسباتی قابل توجه به حل یک مسئله محاسباتی پیچیده می پردازند که این فرآیند به عنوان ماینینگ یا استخراج شناخته می شود. هدف از این مسئله پیدا کردن یک عدد تصادفی (به نام Nonce) است که وقتی با داده های بلوک فعلی (شامل مجموعه ای از تراکنش های تایید نشده) ترکیب و از طریق یک تابع هش رمزنگاری (مانند SHA-256 در بیت کوین) عبور داده می شود نتیجه هش تولید شده کمتر یا مساوی با یک مقدار هدف مشخص (معروف به Target Hash) باشد. این مقدار هدف توسط شبکه تنظیم می شود و سختی مسئله را تعیین می کند؛ هرچه مقدار هدف کوچکتر باشد پیدا کردن هش معتبر سخت تر است و نیاز به محاسبات بیشتری دارد. ماینرها به صورت مداوم مقادیر مختلف Nonce را امتحان می کنند و برای هر Nonce هش حاصل را محاسبه کرده و با مقدار هدف مقایسه می کنند. این یک فرآیند آزمون و خطای بسیار سریع و مکرر است که نیازمند قدرت پردازشی بالایی است.

اولین ماینری که موفق به پیدا کردن Nonce معتبر برای بلوک فعلی شود و یک هش معتبر تولید کند حق اضافه کردن آن بلوک حاوی تراکنش های تایید شده را به زنجیره بلوک (بلاک چین) پیدا می کند. این فرآیند به پیدا کردن بلوک یا استخراج بلوک معروف است. به عنوان پاداش برای صرف انرژی و توان محاسباتی و کمک به امنیت و پایداری شبکه ماینر موفق مقداری ارز دیجیتال جدید (به عنوان پاداش بلوک) و همچنین کارمزدهای تراکنش های موجود در آن بلوک را دریافت می کند. این پاداش انگیزه اصلی ماینرها برای مشارکت در شبکه است. فرآیند حل این مسئله محاسباتی و رقابت بین ماینرها برای پیدا کردن بلوک بعدی اساس الگوریتم اثبات کار را تشکیل می دهد. این الگوریتم تضمین می کند که افزودن بلوک های جدید به بلاک چین نیازمند صرف هزینه و انرژی واقعی است که این امر به نوبه خود از شبکه در برابر حملاتی مانند دوبار خرج کردن (Double Spending) محافظت می کند. هرچه قدرت پردازشی کلی شبکه (نرخ هش مجموع) بیشتر باشد امنیت شبکه نیز بالاتر می رود زیرا حمله به شبکه نیازمند دستیابی به بخش عمده ای از این قدرت پردازشی است که از نظر اقتصادی بسیار پرهزینه و دشوار است. بنابراین وظیفه اصلی ماینرها فراتر از صرفاً تولید ارز جدید است؛ آن ها نگهبانان و تاییدکنندگان تراکنش ها و ستون های امنیتی شبکه بلاک چین هستند.

ماینر و استخراج ارز دیجیتال

نقش ماینر در استخراج

نقش ماینر در فرآیند استخراج ارزهای دیجیتال نقشی محوری و غیرقابل جایگزین است. در شبکه های مبتنی بر الگوریتم اثبات کار (PoW) مانند بیت کوین اتریوم کلاسیک و سایر ارزهای مشابه استخراج عملاً توسط همین دستگاه ها انجام می شود. فرآیند استخراج شامل جمع آوری تراکنش های جدید و تایید نشده از شبکه سازماندهی آن ها در قالب یک بلوک جدید و سپس تلاش برای پیدا کردن یک هش معتبر برای آن بلوک است. ماینرها به طور مداوم داده های مربوط به تراکنش های جدید را از گره های شبکه دریافت می کنند و آن ها را در حافظه موقت خود جمع آوری می کنند. سپس این تراکنش ها به همراه اطلاعات دیگری مانند هش بلوک قبلی و یک عدد تصادفی اولیه (Nonce) در یک ساختار داده ای به نام درخت مرکل (Merkle Tree) سازماندهی می شوند و یک هش ریشه (Merkle Root) برای مجموعه تراکنش ها محاسبه می شود.

ماینرها سپس شروع به فرآیند تکراری حدس زدن Nonce می کنند. آن ها Nonceهای مختلف را امتحان کرده و هر بار هش کل بلوک کاندید را محاسبه می کنند. هدف این است که Nonceای پیدا شود که هش حاصل از آن شرایط تعیین شده توسط سختی شبکه را برآورده کند (یعنی کمتر یا مساوی با مقدار هدف باشد). این فرآیند محاسباتی بسیار فشرده و نیازمند قدرت پردازشی بالاست. هر دستگاه ماینر با سرعت مشخصی می تواند این هش ها را محاسبه کند که این سرعت با واحد هش بر ثانیه (Hash/s) یا مضارب آن (مانند MegaHash/s, GigaHash/s, TeraHash/s, PetaHash/s) اندازه گیری می شود. ماینری که برای اولین بار Nonce معتبر را پیدا کند و هش بلوک را تولید کند آن بلوک را به شبکه اعلام می کند. سایر گره ها و ماینرها این بلوک را دریافت کرده هش آن را تایید می کنند و در صورت معتبر بودن آن را به کپی محلی خود از بلاک چین اضافه می کنند و سپس شروع به کار بر روی بلوک بعدی می کنند. این رقابت مداوم برای پیدا کردن بلوک امنیت شبکه را تضمین می کند و مانع از دستکاری تراکنش ها می شود. پاداش استخراج که شامل ارزهای جدید و کارمزدهای تراکنش است به ماینر موفق تعلق می گیرد و این پاداش انگیزه اقتصادی برای حفظ و گسترش فعالیت های ماینینگ فراهم می آورد. بنابراین ماینرها نه تنها به فرآیند ایجاد ارز جدید کمک می کنند بلکه با تایید و ثبت تراکنش ها نقش دفتر کل توزیع شده (بلاک چین) را تقویت کرده و امنیت کل سیستم را تامین می نمایند.

نحوه کار ماینر

قدرت پردازش ماینر

نحوه کار دستگاه ماینر به طور اساسی بر پایه قدرت پردازش محاسباتی فوق العاده بالای آن استوار است. این قدرت پردازش که با واحد نرخ هش (Hash Rate) سنجیده می شود نشان دهنده تعداد عملیات هشینگ است که دستگاه می تواند در هر ثانیه انجام دهد. در فرآیند استخراج ماینرها باید به سرعت هزاران یا میلیون ها بار در ثانیه یک تابع هش رمزنگاری را بر روی داده های بلوک کاندید و Nonceهای مختلف اجرا کنند تا Nonceای را پیدا کنند که منجر به تولید هشی مطابق با الزامات سختی شبکه شود. هرچه نرخ هش یک ماینر بالاتر باشد شانس بیشتری برای پیدا کردن Nonce معتبر و در نتیجه استخراج بلوک و دریافت پاداش دارد. نرخ هش می تواند از کیلوهش بر ثانیه (KH/s) برای پردازنده های اولیه تا پتاهش بر ثانیه (PH/s) و حتی اگزاهش بر ثانیه (EH/s) برای فارم های ماینینگ بزرگ با دستگاه های ASIC مدرن متغیر باشد.

دستگاه های ماینر مدرن به ویژه ماینرهای ASIC به طور خاص برای حداکثر کردن نرخ هش در الگوریتم های خاص طراحی شده اند. معماری این تراشه ها به گونه ای است که عملیات هشینگ را به صورت موازی و با کارایی انرژی بسیار بالاتری نسبت به پردازنده های عمومی انجام می دهند. این افزایش چشمگیر در قدرت پردازش رقابت در شبکه را به شدت بالا برده است. به عنوان مثال نرخ هش شبکه بیت کوین طی سالیان متمادی به طور تصاعدی رشد کرده است به این معنی که برای داشتن شانس معقولی برای استخراج انفرادی نیاز به سرمایه گذاری بسیار زیادی در سخت افزارهای قدرتمند و پرهزینه دارید. به همین دلیل بسیاری از ماینرها ترجیح می دهند به استخرهای استخراج (Mining Pools) بپیوندند که در آن ها قدرت پردازش چندین ماینر با هم ترکیب می شود و شانس پیدا کردن بلوک افزایش می یابد. پاداش حاصل از استخراج بلوک در یک استخر بر اساس سهم هر ماینر در قدرت پردازش کلی استخر بین اعضا تقسیم می شود. مدیریت قدرت پردازش نظارت بر نرخ هش دما و مصرف انرژی بخش مهمی از عملیات نگهداری یک دستگاه ماینر است تا از عملکرد بهینه و سودآوری آن اطمینان حاصل شود. توان پردازشی ماینرها نه تنها عامل تعیین کننده در شانس موفقیت در استخراج است بلکه مستقیماً به مصرف انرژی دستگاه نیز مرتبط است؛ دستگاه های قدرتمندتر معمولاً برق بیشتری مصرف می کنند.

حل مسائل ریاضی

اصطلاح حل مسائل ریاضی که در مورد نحوه کار ماینرها به کار می رود ممکن است کمی گمراه کننده باشد. این مسائل بیشتر شبیه به معماهای محاسباتی هستند تا مسائل پیچیده ریاضی در معنای آکادمیک. اساس این مسائل بر پایه توابع هش رمزنگاری یک طرفه (One-way Cryptographic Hash Functions) قرار دارد. این توابع ویژگی خاصی دارند: برای هر ورودی دلخواه (مثلاً داده های تراکنش ها) یک خروجی با طول ثابت و به ظاهر تصادفی (هش) تولید می کنند. ویژگی کلیدی این توابع این است که با داشتن خروجی (هش) پیدا کردن ورودی اصلی تقریباً غیرممکن است و حتی یک تغییر بسیار کوچک در ورودی منجر به یک خروجی (هش) کاملاً متفاوت می شود.

در فرآیند استخراج ماینرها باید یک ورودی خاص (Nonc) را پیدا کنند که وقتی با داده های بلوک کاندید ترکیب و از تابع هش مربوطه (مانند SHA-256) عبور داده می شود هش خروجی دارای ویژگی خاصی باشد؛ به طور معمول این ویژگی این است که هش خروجی باید کمتر یا مساوی با یک عدد هدف مشخص (Target Hash) باشد که توسط شبکه بلاک چین تعیین می شود. این عدد هدف سختی شبکه را تنظیم می کند. هرچه سختی بیشتر باشد عدد هدف کوچکتر است و در نتیجه پیدا کردن هشی که از آن کوچکتر باشد دشوارتر است و نیاز به تعداد بیشتری تلاش و حدس و خطا دارد. ماینرها به صورت مکرر مقادیر مختلف Nonc را امتحان می کنند هر بار هش بلوک را با Nonc جدید محاسبه کرده و نتیجه را با عدد هدف مقایسه می کنند. این فرآیند حدس و آزمایش میلیون ها یا میلیاردها بار در ثانیه انجام می شود. اولین ماینری که موفق به پیدا کردن Noncی شود که هش معتبر را تولید کند مسئله را حل کرده و حق اضافه کردن بلوک را به دست می آورد. این فرآیند نه تنها بلوک جدید را به بلاک چین اضافه می کند بلکه تراکنش های درون آن بلوک را نیز تایید می کند. این حل مسئله اساساً یک فرآیند جستجوی بی هدف و پرقدرت است که نیازمند صرف انرژی محاسباتی زیادی است و همین صرف انرژی امنیت شبکه را تامین می کند. سختی شبکه به طور خودکار توسط پروتکل بلاک چین تنظیم می شود تا میانگین زمان پیدا کردن هر بلوک ثابت بماند (مثلاً حدود 10 دقیقه برای بیت کوین) صرف نظر از اینکه چه مقدار قدرت پردازشی در شبکه وجود دارد.

ماینر و ارزهای دیجیتال

ماینر و بیت کوین

ارتباط بین دستگاه ماینر و ارزهای دیجیتال به ویژه بیت کوین بسیار عمیق و اساسی است. بیت کوین اولین و بزرگترین ارز دیجیتالی است که از الگوریتم اثبات کار (PoW) استفاده کرد و مفهوم استخراج (ماینینگ) را به وجود آورد. در واقع فرآیند استخراج بیت کوین با استفاده از دستگاه های ماینر ستون فقرات شبکه بیت کوین و عامل اصلی امنیت و غیرمتمرکز بودن آن است. ماینرها در شبکه بیت کوین مسئول تایید تراکنش ها و اضافه کردن بلوک های جدید به بلاک چین بیت کوین هستند. هر بلوک جدید حاوی مجموعه ای از تراکنش های تایید شده از سراسر شبکه است. برای اضافه کردن یک بلوک جدید ماینرها باید با استفاده از قدرت پردازشی خود یک مسئله محاسباتی پیچیده مبتنی بر تابع هش SHA-256 را حل کنند. اولین ماینری که موفق به حل این مسئله شود حق انتشار بلوک خود را در شبکه به دست می آورد و در ازای آن پاداش بلوک (block reward) و کارمزدهای تراکنش های موجود در آن بلوک را دریافت می کند.

پاداش بلوک در بیت کوین شامل دو بخش است: بیت کوین های جدیدی که به عنوان پاداش استخراج ایجاد می شوند و کارمزدهای تراکنش هایی که در آن بلوک گنجانده شده اند. مقدار بیت کوین جدیدی که به عنوان پاداش ایجاد می شود هر چهار سال یک بار در فرآیندی به نام هاوینگ (Halving) نصف می شود. این مکانیزم هاوینگ عرضه بیت کوین های جدید را کنترل می کند و به کمیابی آن در طول زمان کمک می کند. در سال های اولیه بیت کوین استخراج با استفاده از CPUهای کامپیوترهای معمولی امکان پذیر بود اما با افزایش سختی شبکه و ورود ماینرهای GPU ماینینگ با CPU دیگر سودآور نبود. سپس با ظهور ماینرهای ASIC که به طور خاص برای الگوریتم SHA-256 بیت کوین بهینه سازی شده بودند ماینینگ بیت کوین در مقیاس بزرگ عملاً تنها با استفاده از این دستگاه های تخصصی امکان پذیر شد. رقابت بین ماینرهای ASIC بسیار شدید است و نیاز به سرمایه گذاری زیادی در سخت افزار قدرتمند برق ارزان و سیستم های خنک کننده دارد. ماینینگ بیت کوین نه تنها به ایجاد بیت کوین های جدید کمک می کند بلکه با صرف انرژی محاسباتی عظیم امنیت شبکه را در برابر حملات احتمالی تضمین می کند. این انرژی هزینه ای است که برای حفظ یک شبکه غیرمتمرکز و بدون نیاز به اعتماد (Trustless) پرداخت می شود. رابطه بین ماینر و بیت کوین نمادی از پیوند بین سخت افزار و ارز دیجیتال در قلب سیستم های بلاک چین PoW است.

سوالات متداول

ماینر چیست؟

دستگاه ماینر سخت افزاری قدرتمند است که برای حل مسائل محاسباتی پیچیده در شبکه بلاک چین ارزهای دیجیتال مانند بیت کوین طراحی شده است. هدف اصلی آن تایید تراکنش ها و اضافه کردن بلوک های جدید به زنجیره است.

ماینر چه کاربردی دارد؟

کاربرد اصلی ماینر شرکت در فرآیند استخراج (ماینینگ) ارزهای دیجیتال مبتنی بر الگوریتم اثبات کار (PoW) است. این دستگاه ها با انجام محاسبات سنگین امنیت شبکه را تامین کرده و در ازای آن پاداش دریافت می کنند.

آیا استخراج ارز دیجیتال با ماینر سودآور است؟

سودآوری استخراج به عوامل متعددی مانند قیمت ارز دیجیتال هزینه برق سختی شبکه بازدهی دستگاه ماینر و هزینه های نگهداری بستگی دارد. این یک فعالیت پرنوسان است و نیاز به بررسی دقیق اقتصادی دارد.

برای شروع ماینینگ به چه تجهیزاتی نیاز داریم؟

حداقل تجهیزات شامل دستگاه ماینر تخصصی (ASIC یا GPU) منبع تغذیه قوی اتصال اینترنت پایدار سیستم خنک کننده مناسب و کیف پول دیجیتال برای دریافت پاداش است.

تفاوت اصلی انواع دستگاه ماینر چیست؟

تفاوت اصلی در نوع سخت افزار پردازشی (CPU GPU ASIC) و در نتیجه قدرت پردازش (نرخ هش) مصرف انرژی قیمت و نوع الگوریتم هایی است که پشتیبانی می کنند. ماینرهای ASIC برای الگوریتم های خاص بسیار بهینه ترند.

مصرف برق دستگاه ماینر چقدر است؟

مصرف برق ماینرها بسیار متغیر است و بسته به مدل و قدرت پردازش دستگاه می تواند از چند صد وات تا چندین کیلووات متغیر باشد. این یکی از مهم ترین هزینه ها در عملیات ماینینگ محسوب می شود.