ビットコイン・マイニングの仕組みとは？

ビットコイン・マイニング（採掘）とは？

ビットコイン・マイニングとは、新しいビットコインを流通させるためのプロセスですが、ブロックチェーンの台帳を維持・発展させるための重要な要素でもあります。
マイニングは、非常に複雑な計算数学の問題を解く、非常に高度なコンピュータを使って行われます。
暗号通貨のマイニングは、手間とコストがかかり、報酬も散発的にしか得られません。
それにもかかわらず、マイニングは暗号通貨に興味を持つ多くの投資家にとって魅力的なものです。
それは、採掘者がその作業に対して暗号トークンで報酬を得ているからです。
これは、起業家タイプの人が、1849年のカリフォルニアの金鉱探しのように、マイニングを天からの小銭と見なしているからかもしれません。
また、技術的に優れている人は、やってみてはいかがでしょうか。
しかし、時間と設備を投資する前に、この説明書を読んで、マイニングが本当に自分に向いているかどうかを確認してください。
ここでは、主にビットコインに焦点を当てて説明します（全体を通して、ネットワークや暗号通貨の概念を指す場合は「ビットコイン」、個々のトークンの数量を指す場合は「ビットコイン」とします）。

重要なポイント

マイニングをすることで、お金をかけずに暗号通貨を得ることができます。
ビットコインの採掘者は、検証された取引の「ブロック」を完成させ、ブロックチェーンに追加することで、報酬としてビットコインを受け取ります。
採掘報酬は、複雑なハッシュパズルの解を最初に発見した採掘者に支払われ、参加者が解を発見する確率は、ネットワーク上の総採掘力の一部に関連しています。
マイニングリグを設置するためには、GPU（Graphics Processing Unit）またはASIC（Application Specific Integrated Circuit）が必要です。

新たなゴールドラッシュ

多くの人がマイニングをする最大の魅力は、ビットコインの報酬を得られることです。
とはいえ、暗号通貨トークンを所有するのに、採掘者である必要はありません。
法定紙幣を使って暗号通貨を購入したり、Bitstampのような取引所で他の暗号を使って暗号通貨を取引したり（例：EthereumやNEOを使ってBitcoinを購入）、さらにはショッピングや、暗号通貨でユーザーに報酬を支払うプラットフォームにブログ記事を掲載したり、利息付きの暗号口座を開設したりすることでも、暗号通貨を得ることができます。
SteemitはMediumに似ていますが、ユーザーがブロガーにSTEEMと呼ばれる独自の暗号通貨で報酬を支払うことができます。
STEEMは、他の場所でビットコインと交換することができます。

マイナーが受け取るビットコインの報酬は、マイニングの主な目的です。
ビットコインの取引を正当化して監視し、その妥当性を確保することを支援する人々の動機付けとなります。
これらの責任が世界中の多くのユーザーに分散されているため、ビットコインは「非中央集権的」な暗号通貨であり、中央銀行や政府のような中央機関に規制を頼らない暗号通貨です。

ビットコインのマイニング（採掘）方法

マイナーは、監査役としての仕事で報酬を得ています。
彼らは、ビットコイン取引の正当性を検証する仕事をしています。
この仕組みは、ビットコインの創始者であるサトシ・ナカモトが考案したもので、ビットコインの利用者を公正に保つためのものです。
マイナーは取引を検証することで、「二重支出問題」の防止に貢献しています。

二重支出とは、ビットコインの所有者が、同じビットコインを不正に2回使用することをいいます。
ウォッカのボトルを買うために20ドル札を誰かに渡したら、もうその札は手元にありませんから、同じ20ドル札を使って隣の家でロトのチケットを買う危険性はありません。
偽札が作られる可能性はありますが、文字通り同じドルを2回使うのとは全く違います。
しかし、デジタル通貨の場合は、「保有者がデジタル・トークンのコピーを作り、原本を保持したまま商人などに送ることができるリスクがある」と説明されています。

例えば、正規の20ドル札が1枚と、同じ20ドルの偽札が1枚あったとします。
もしあなたが本物のお札と偽物のお札の両方を使おうとした場合、わざわざ両方のお札の通し番号を見た人は、それらが同じ番号であることに気づくでしょうから、どちらかが偽物であるはずです。
ビットコインマイナーの仕事もそれに似ています。
ユーザーが同じビットコインを不正に2回使用しようとしていないかどうか、トランザクションをチェックするのです。
これは完璧な例えではありませんが、詳しくは後述します。

マイナーが1MB（メガバイト）分のビットコイン取引を検証すると、「ブロック」と呼ばれ、そのマイナーはビットコインの報酬を得ることができます（ビットコインの報酬については以下でも詳しく説明します）。
この1MBという制限は、サトシ・ナカモトによって設定されたものですが、一部のマイナーは、より多くのデータを収容するためにブロックサイズを大きくするべきだと考えており、その場合、ビットコインネットワークは事実上、より迅速に取引を処理し、検証することができると考えているため、論争の的となっています。
なお、1MB分の取引を検証することで、コインマイナーはビットコインを獲得することができますが、取引を検証したすべての人が支払いを受けられるわけではありません。

1MBの取引は、理論的には、1つの取引（ただし、これはまったく一般的ではありません）から数千の取引まであり得ます。
トランザクションがどれだけのデータを占めるかによります。

「それでは、せっかく取引を検証しても、その分のビットコインを得られないかもしれないのですね？」
その通りです。
ビットコインを得るためには、2つの条件を満たす必要があります。
1つは努力の問題、もう1つは運の問題です。
1）1MB相当の取引を検証する必要があります。これは簡単なことです。
2）数字の問題に対して、正しい答え、または最も近い答えを最初に出したマイナーになることです。このプロセスは、プルーフ・オブ・ワークとも呼ばれています。

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画像：Sabrina Jiang © Investopedia 2021

「数値問題に対する正しい答えとはどういう意味ですか？」
良いニュース：
高度な数学や計算は必要ありません。鉱山労働者は難しい数学の問題を解いていると聞いたことがあるかもしれませんが、正確にはそうではありません。
実際にやっているのは、目標とするハッシュ以下の64桁の16進数（「ハッシュ」）を最初に出した採掘者になることです。
基本的には当てずっぽうです。

悪いニュース：
推測といっても、それぞれの問題で考えられる推測の総数は何兆通りもあるので、非常に骨の折れる作業です。
問題を最初に解決するためには、マイナーは大量の計算能力を必要とします。
採掘を成功させるためには、「ハッシュレート」が高くなければなりません。
ハッシュレートは、1秒あたりのメガハッシュ（MH/s）、1秒あたりのギガハッシュ（GH/s）、1秒あたりのテラハッシュ（TH/s）という単位で表されます。

それは膨大な数のハッシュがあることになります。

お使いのマイニングリグのハッシュレートでどれくらいのビットコインを採掘できるかを試算したい場合は、Cryptocompareというサイトが便利な計算機を提供しています。

マイニングとビットコインの流通

マイニングは、採掘者の懐を潤し、ビットコインのエコシステムを支えるだけでなく、もう1つの重要な目的があります。
それは、新しい暗号通貨を流通させる唯一の方法だということです。
つまり、採掘者は基本的に通貨を「鋳造」しているのです。
例えば、2020年11月現在、ビットコインは約1,850万枚流通しています。
創業者のナカモト・サトシが作った最初のブロックである「ジェネシスブロック」で鋳造されたコインを除けば、それらのビットコインはすべて、マイナーの存在によって成り立っています。
マイナーがいなければ、ネットワークとしてのビットコインは存在し、使用することができますが、ビットコインが増えることはありません。
ビットコインプロトコルでは、ビットコインの総数は2,100万枚が上限とされています。
しかし、ビットコインの採掘率は時間の経過とともに低下するため、最終的にビットコインが流通するのは2140年頃になると考えられます。
ただし、ビットコインの「採掘」の割合が減少するため、最終的にビットコインが流通するのは2140年頃になります。
マイナーは、ビットコインのネットワークの整合性を保つために、取引の検証を続け、その対価として手数料が支払われます。
短期的なビットコインの報酬以外にも、コインマイナーになると、ビットコインのネットワークプロトコルに変更が提案されたときに「投票権」を得ることができます。
言い換えれば、マイナーはフォークなどの意思決定プロセスにある程度の影響力を持ちます。

マイナーの報酬額

ビットコインの採掘報酬は、4年ごとに半減します。
2009年にビットコインが初めて採掘されたとき、1ブロックを採掘すると50BTCを得ることができました。
2012年にはこれが半分の25BTCになりました。
2016年には12.5BTCに再び半減しました。
2020年5月11日、報酬は再び半減して6.25BTCになりました。
2020年11月、ビットコインの価格は1ビットコインあたり約17,900ドルだったので、1つのブロックを完成させると111,875ドル（6.25×17,900）が得られることになります。

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画像：Sabrina Jiang © Investopedia 2021

これらの半減期がいつ発生するかを正確に把握したい場合は、この情報をリアルタイムで更新するBitcoin Clockを参照することができます。
興味深いことに、ビットコインの市場価格は、その歴史を通じて、流通する新しいコインの減少に密接に対応する傾向がありました。
インフレ率が下がることで希少性が高まり、歴史的に価格が上昇してきたのです。
これまでに採掘されたブロックの数を知りたい場合は、Blockchain.infoをはじめとするいくつかのサイトで、リアルタイムに情報を得ることができます。

ビットコインの採掘には何が必要ですか？

ビットコインの歴史の初期には、個人が自宅の普通のコンピュータでブロックを競うことができたかもしれませんが、今ではそうではありません。
その理由は、ビットコインを採掘する難易度が時間とともに変化するからです。
ブロックチェーンが円滑に機能し、取引を処理・検証する能力を確保するために、ビットコインネットワークは約10分に1つのブロックを生成することを目指しています。
しかし、100万台のマイニングリグがハッシュ問題の解決を競っている場合、10台のマイニングリグが同じ問題に取り組んでいるシナリオよりも早く解決策に到達する可能性があります。
そのため、ビットコインは2,016ブロックごと、つまり約2週間ごとに採掘の難易度を評価・調整する仕組みになっています。

ビットコインを採掘するために集中的に働くコンピューティングパワーが多ければ、ブロック生産量を安定させるために採掘の難易度が上がります。
一方、計算機の能力が低いと、採掘の難易度は下がります。
どれくらいのコンピューティングパワーが必要かを知るために、2009年にビットコインが登場したとき、初期の難易度は1でした。
2019年11月現在では、13兆円を超えています。

これらのことから、競争力のある採掘を行うためには、マイナーはGPU（グラフィック・プロセッシング・ユニット）や、より現実的にはASIC（特定用途向け集積回路）のような強力なコンピュータ機器に投資しなければならなくなったということです。
これらの機器は、500ドルから数万ドルの価格で購入できます。
特にイーサリアムの採掘者の中には、低コストで採掘作業を行うために、グラフィックカード（GPU）を単体で購入する人もいます。

下の写真は、自作のマイニングマシンです。
グラフィックスカードは、ファンが回転している長方形のブロックです。
グラフィックスカードを金属製のポールに固定しているのは、サンドイッチ状のツイストタイです。
これはおそらく最も効率的な採掘方法ではなく、多くの採掘者はお金のためだけでなく、楽しみや挑戦のために参加していると思われます。

「5歳の頃のように説明する」バージョン

ビットコインの採掘の仕組みは、そのままでは理解しにくいものです。
ハッシュ問題の仕組みを説明する例を考えてみましょう。
ELI5とは「Explain Like I’m 5.」の略ですが、これから５歳児のように例えて説明します。
友人3人に「1から100までの数字を考えている」と言い、その数字を紙に書いて封筒に入れて封印します。
友人たちは正確な数字を当てる必要はなく、私が考えている数字以下の数字を最初に当てればいいのです。
推測する数に制限はありません。

例えば、私が19という数字を考えていたとします。
友達Aが21を当てた場合、21>19なので負けとなります。
友人Bが16、友人Cが12と推測した場合、16＜19、12＜19のため、理論的には二人とも有効な答えにたどり着いたことになります。
友人Bの答えが目標の19に近かったとしても、友人Bには「追加点」はありません。
ここで、私が「私が考えている数字を当ててください」という質問をしたと想像してみてください。
ただし、3人の友人に聞いているわけではなく、1から100までの数字を考えているわけでもありません。
むしろ、何百万人もの鉱山労働者を対象に、64桁の16進法の数字を考えているのです。
これで、正解を当てるのは非常に難しいことがわかりました。
もしBとCが同時に答えた場合、ELI5の例えは崩れてしまいます。

ビットコインの世界では、同時解答は頻繁に発生しますが、最終的には1つの正解しかありません。
目標数と同じかそれ以下の複数の同時回答が提示された場合、ビットコインネットワークは単純な多数決（51％）によって、どのマイナーを尊重するかを決定します。
一般的には、最も多くの作業を行ったマイナー、つまり最も多くの取引を検証したマイナーが選ばれます。
負けたブロックは、「オーファン・ブロック」となります。
オーファン・ブロックとは、ブロックチェーンに追加されないブロックのことです。
ハッシュ問題の解決に成功しても、最も多くの取引を検証していないマイナーには、ビットコインの報酬は与えられません。

「64桁の16進数」とは？

さて、そんな数字の例を挙げてみましょう。
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上の数字は64桁です。
ここまでは簡単に理解できたと思います。
気づいたと思いますが、この数字は数字だけではなく、アルファベットの文字で構成されています。
それはなぜでしょうか？

数字の中にアルファベットが入っていることを理解するために、”16進法 “という言葉を紐解いてみましょう。
ご存知のように、私たちは「10進法」を採用していますが、これは基数が10であることを意味します。
つまり、複数桁の数字の各桁には、0から9までの10個の可能性があるということになります。

一方、「16進法」とは、ギリシャ語の「6」に由来する「hex」と、「10」に由来する「deca」のように、16進法を意味します。
16進法では、各桁に16の可能性があります。
しかし、私たちが使っている数字のシステムでは、0から9までの10通りの表現方法しかありません。
そのため、a、b、c、d、e、fなどの文字を入れることになります。
ビットコインを採掘する場合、その64桁の数字の合計値（ハッシュ）を計算する必要はありません。
繰り返しになりますが、ハッシュの合計値を計算する必要はありません。

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画像：Sabrina Jiang © Investopedia 2021

では、「64桁の16進数」がビットコインのマイニングとどう関係するのでしょうか？
ELI5の数字を当てる例え話で、19という数字を紙に書いて封書に入れたのを覚えていますか？
ビットコイン・マイニングの用語では、封筒の中の例えの非公開の数字を「ターゲットハッシュ」と呼びます。

マイナーが巨大なコンピューターと何十台もの冷却ファンを使って行っているのは、ターゲットハッシュを推測することです。
マイナーは、できるだけ多くの「ノンセ」をできるだけ速くランダムに生成することで、この推測を行います。
ノンセとは、「一度しか使われない番号」の略で、私が何度も言っている64ビットの16進数を生成するには、このノンセが鍵となります。
ビットコインのマイニングでは、nonceのサイズは32ビットで、256ビットのハッシュよりもはるかに小さいのです。
nonceが目標とするハッシュ以下のハッシュを生成した最初のマイナーは、そのブロックの完了を認められ、6.25BTCの戦利品を得ることができます。
理論的には、16面体のダイスを64回振って乱数を得ることでも同じ目的を達成できますが、いったいなぜそんなことをしたいのでしょうか？
Blockchain.infoというサイトのスクリーンショットを見ると、これらの情報が一目瞭然になるかもしれません。
これは、ブロック#490163が採掘されたときに起こったことをまとめたものです。
「勝利」したハッシュを生成したnonceは731511405。
ターゲットのハッシュが上に表示されています。
「Relayed by Antpool」という言葉は、このブロックが、成功しているマイニングプールの1つであるAntPoolによって完成したことを意味しています（マイニングプールについては後述します）。

ここにあるように、彼らのビットコインコミュニティへの貢献は、このブロックで1768件の取引を確認したことです。
このブロックの1768件の取引をすべて見たい場合は、このページにアクセスして、「Transactions」という見出しまでスクロールダウンしてください。

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(出典：Blockchain.info)

「では、どうやってターゲットハッシュを推測するのか？」

すべてのターゲットハッシュはゼロで始まり、少なくとも8個のゼロ、最大で63個のゼロがあります。
最小ターゲットはありませんが、ビットコインプロトコルで設定された最大ターゲットがあります。
ターゲットはこの数字より大きくすることはできません。

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以下に、ランダム化されたハッシュの例と、それがマイナーの成功につながるかどうかの基準を示します。

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注：これらは作り物のハッシュです。Image by Sabrina Jiang © Investopedia 2021

「誰よりも早くターゲットハッシュを当てるチャンスを最大化するには？」

現実的には、高速のマイニングリグを手に入れるか、マイニングプールに参加する必要があります。
マイニングプールとは、コインを採掘する人たちのグループで、それぞれの計算能力を組み合わせて、採掘されたビットコインを分割するものです。
マイニングプールは、メンバーが一斉に宝くじを購入し、当選金を分配することに同意するパワーボールクラブに匹敵します。
マイニングプールでは、個々のマイナーではなく、プールで採掘されたブロックの数が圧倒的に多いのです。

つまり、これは文字通り数字のゲームなのです。
過去のターゲットハッシュからパターンを推測したり、予測を立てたりすることはできません。
本稿執筆時点での最新ブロックの難易度は約17兆5,900億であり、あるノンセが目標値を下回るハッシュを生成する確率は17兆5,900億分の1ということになります。
自分で作業している場合は、たとえ非常に強力なマイニングリグであっても、素晴らしい確率ではありません。

「ビットコインで儲かるかどうかは、どうやって判断すればいいのでしょうか？」

採掘者は、ハッシュ問題を解決するチャンスを得るために必要な高価な機器に関連するコストを考慮しなければならないだけでなく、多額の費用も考慮しなければなりません。
また、解決策を求めて大量のノンセンスを生成するために、マイニングリグが使用する膨大な電力も考慮しなければなりません。
つまり、ビットコインの採掘は、この記事を書いている時点では、ほとんどの個人の採掘者にとって採算が合わないのです。
Cryptocompareというサイトでは、ハッシュスピードや電気代などの数値を入力することで、コストと利益を見積もることができる便利な計算機を提供しています。

画像：Cryptocompare社のハッシュ計算機
出典：Cryptocompare

コインマイニングプールとは？

マイニングの報酬は、パズルの解を最初に発見したマイナーに支払われますが、ある参加者が解を発見する確率は、ネットワーク上の全マイニングパワーに占める割合に等しくなります。
マイニングパワーの割合が小さい参加者は、自力で次のブロックを発見できる可能性が非常に小さくなります。
例えば、数千ドルで購入できるマイニングカードは、ネットワークのマイニングパワーの0.001％以下にしかなりません。
このように次のブロックを発見する確率が低いと、マイナーがブロックを発見するまでに長い時間がかかる可能性があり、難易度が上がるとさらに状況は悪化します。
マイナーは投資を回収できないかもしれません。この問題を解決するのが「マイニングプール」です。
マイニングプールは、第三者によって運営され、マイナーのグループを調整します。
マイニングプールは、第三者によって運営されており、採掘者のグループを調整し、参加者全員で分配することで、採掘者は採掘機を起動した日から安定したビットコインを得ることができます。
いくつかのマイニングプールの統計は、Blockchain.infoで見ることができます。

「計算してみた。マイニングは忘れよう。暗号通貨から利益を得るための、もっと負担の少ない方法はないのか？」

前述のように、ビットコインを入手する最も簡単な方法は、多くの取引所のいずれかで購入するだけです。
代わりに、「つるはし戦略」を活用することもできます。
これは、1849年のカリフォルニアのゴールドラッシュの際、賢い投資は金を掘ることではなく、採掘に使うつるはしを作ることだったという昔の話に基づいています。
現代の言葉で言えば、つるはしを製造する企業に投資することです。
暗号通貨で言えば、つるはしに相当するのは、ビットコインの採掘に使われる機器を製造している会社です。
例えば、代わりにASIC装置やGPUを製造している企業を検討してもいいでしょう。

ビットコイン・マイニングは合法か？

Bitcoinマイニングの合法性は、地理的な場所によって完全に異なります。
ビットコインの概念は、不換紙幣の支配と金融市場に対する政府の支配を脅かす可能性があります。
このような理由から、ビットコインは特定の場所では完全に違法です。
ビットコインの所有と採掘は、そうでない国よりも多くの国で合法です。
違法な国の例としては、アルジェリア、エジプト、モロッコ、ボリビア、エクアドル、ネパール、パキスタンなどがあります。

マイニングのリスク

マイニングのリスクには、金銭的なリスクと規制的なリスクがあります。
前述のように、ビットコインのマイニングや一般的なマイニングは、金銭的なリスクを伴います。
せっかく数百ドル、数千ドルのマイニング機器を購入しても、投資効果が得られない可能性があります。
とはいえ、このリスクはマイニングプールに参加することで軽減することができます。
マイニングを検討している方で、マイニングが禁止されている地域に住んでいる方は考え直した方がいいでしょう。
また、マイニング機器に投資する前に、その国の規制や暗号通貨に対する全体的な考え方を調べておくとよいでしょう。

ビットコインのマイニング（および他のプルーフ・オブ・ワークシステム）の拡大に伴う潜在的なリスクとして、マイニングアルゴリズムを実行するコンピュータシステムが必要とするエネルギー使用量の増加が挙げられます。
ASICチップではマイクロチップの効率が飛躍的に向上していますが、ネットワーク自体の成長は技術の進歩を上回っています。
そのため、ビットコインの採掘による環境への影響や二酸化炭素排出量が懸念されています。

しかし、この負の外部性を軽減するために、マイニングに使用するエネルギー源をよりクリーンでグリーンなものに変更したり（地熱発電や太陽光発電など）、カーボンオフセットクレジットを活用したりする取り組みが行われています。
また、イーサリアムが計画しているPoS（proof-of-stake）のように、エネルギー消費の少ないコンセンサスメカニズムに切り替えることも戦略の一つですが、PoSにはそれなりの欠点や非効率性があります。