ビットコインのマイニングとは何ですか？

新しいビットコインを鋳造するプロセスは、地球から貴金属を抽出するプロセスにいくつかの点で似ています。このため、これが「ビットコインマイニング」として知られるようになりました。

ビットコインのホワイトペーパーには次のように記載されています：

一定量の新しいコインを安定して追加することは、金鉱採掘者が金を流通に追加するために資源を費やすことに類似しています。私たちの場合、それはCPU時間と電力が費やされます。

ビットコインマイニングの簡単な概要は次のとおりです：

コンピュータの計算力を活用して「Proof-of-Work」（PoW）と呼ばれるプロセスでビットコインの報酬を得るために人々が競います。このプロセスは、十分なリソース（作業）を捧げたことを証明した参加者（マイナー）のみが報酬を獲得するチャンスを持つことからそのように名付けられました。
おおよそ10分ごとに、報酬が1人の「マイナー」に分配されます。
報酬は二重構造になっています -> (1)「ブロック報酬」で、新たに発行されるビットコインです。執筆時点では、ブロック報酬は6.25ビットコインに設定されていますが、2024年5月初旬から半分に減少し、その後も4年ごとに半分に減少します。(2) 現在のブロック内のすべてのトランザクションに関連する手数料。トランザクションを行うエンドユーザーは、次のブロックに含めてもらうためのインセンティブとして提案されたトランザクションに手数料を添付する必要があります。

ビットコイン採掘の必要性

ビットコイン採掘は、ネットワークの元帳の現在の状態に関するコンセンサスを得るための重要な要素です。また、ネットワークを攻撃から守るためにも重要です。つまり、ビットコイン採掘は人々が安全にビットコイン取引を行うための中心的な役割を果たしています。なぜそうなのかを理解するために、ビットコインの仕組みを詳しく見てみましょう。

ビットコインのネットワークは、タイムスタンプが付けられた巨大なトランザクションのリストからなる、世界中に分散された公開元帳です。例えば、ある元帳のエントリーは「Aさんが月曜日の午前10時にBさんに1ビットコインを送った」と示すかもしれません。元帳は約10分ごとに、新しいトランザクションのリストを含む「ブロック」を追加することで更新されます。この元帳は、何千もの参加者（ノード）によって自発的に保存されており、誰でもビットコインの所有状況の現在の状態と完全な履歴を見ることができます。

設計上、どのトランザクションを新しいブロックに追加するかを決定する中央集権的な権限はありません。代わりに、元帳の状態（つまり「真実」）は、ビットコインプロトコルに従ってノードによって集団的に協調して決定されます。この分散化は、ビットコインが検閲耐性と許可不要性という興味深い特性を持つ理由の一つです。

ほとんどのノードは、元帳の履歴を保存し、プロトコルのルールに従って新しいトランザクションの正当性を検証し、新しいトランザクションのブロックを他のノードに渡すだけです。このようにして、ネットワークの状態は世界中に伝播し、すべてのノードが同じ情報を持つようになります。その時点で、新しい「真実」が確立されます。

ビットコインノードのブロック伝播の仕組み

重要なのは、マイナーと呼ばれる少数のノードが、実際に新しいブロックを作成するために競争することです。誰が何を所有しているかの最新の真実は、新しいブロックを作成する権利を勝ち取ったマイナーから始まります。新しいブロックを作成する権利を勝ち取るための競争は「Proof-of-Work（PoW）」として知られています。

Proof-of-Workとは何か、なぜ必要か

Proof-of-Work（PoW）採掘は、ネットワーク参加者が一定のリスクを負っていることを数学的に証明する方法です。これは、参加者にエネルギーを消費する任意の計算を完了することを強制することで機能します。エネルギーを消費する必要があることは、悪意のある行為者が参加するのを非常にコストがかかるようにするため重要です。つまり、ビットコインを攻撃することが金銭的に損失をもたらす（非常に高価な）見込みとなり、発生する可能性が非常に低くなります。

ゲーム理論の観点から、PoW採掘は次のような利点を提供します：

正直な行動を奨励：マイナーはルールを守り、トランザクションを正しく検証することを奨励されます。不正を試みると、ブロック報酬と採掘プロセスに投資したエネルギー/リソースを失うリスクがあります。
コストによるセキュリティ：ブロックを追加するために必要な労力（計算作業）は、ブロックチェーンを攻撃から守ります。過去のトランザクションを変更しようとする試み（つまり、51％攻撃）には膨大な計算力が必要であり、そのため攻撃は高価で実現不可能となります。
公平性：ブロックを採掘し報酬を受け取る確率は、マイナーが投入する計算リソースの量に比例します。これにより、新しいコインの分配と新しいブロックの追加に対する意思決定力の配分が公平に行われます。
Sybil攻撃への耐性：PoW採掘は、ネットワークに影響を与えるために多くの偽のアイデンティティを作成するSybil攻撃を、各アイデンティティの採掘に高いコストがかかるため不可能にします。

ビットコイン採掘の仕組み

このプロセスは**ビットコインホワイトペーパー**で要約されています：

1. 新しいトランザクションはすべてのノードにブロードキャストされます。

2. 各ノードは新しいトランザクションをブロックにまとめます。

3. 各ノードはそのブロックの難しいProof-of-Workを見つけるために作業します。

4. ノードがProof-of-Workを見つけると、そのブロックをすべてのノードにブロードキャストします。

5. ノードは、そのブロック内のすべてのトランザクションが有効であり、既に使用されていない場合にのみブロックを受け入れます。

6. ノードは、受け入れられたブロックのハッシュを前のハッシュとして使用して、チェーン内の次のブロックを作成する作業を行うことで、そのブロックの受け入れを表明します。

このプロセスをもう少し詳しく説明しましょう。

まず、マイナーは元帳の更新を提案する役割を果たし、PoWを完了したマイナーのみが新しいブロックを追加することが許可されます。これはビットコインプロトコルに組み込まれています。

マイナーは、ノードによってネットワークにブロードキャストされた潜在的なトランザクションのプールから有効なトランザクションを自由に選択できます。これらのトランザクションは「メンプール」に集められます。合理的で正直なマイナーは、手数料を最適化して高い手数料のトランザクションを選択します。これにより、手数料市場が形成され、限られたブロックスペースが公正かつ効率的に使用されることが保証されます。

最初にPoWを完了したマイナーは、提案された新しいブロックを広範なノードネットワークにブロードキャストし、ノードはそのブロックがプロトコルのルールに従っていることを確認します。ここでの主要なルールは（1）ブロック内のすべてのトランザクションが有効である（つまり、二重支出がない）、および（2）新しいブロックが適切に前のブロックを参照し、チェーン内で次の番号として番号付けされる（つまり、新しいブロックが最も長いチェーンの最新のブロックを構成する）ことです。これが確認されると、ノードはこれを他のノードに送信し、同じプロセスを完了します。このようにして、新しいブロックはネットワーク全体に広がり、広く「真実」として受け入れられます。

しかし、ほぼ同時に複数のマイナーがPoWを完了し、新しいブロックをネットワークに同時にブロードキャストすることもあります。さらに、ネットワークの遅延や地理的な分離により、ノードは異なる時間に新しい提案されたブロックを受信することがあります。

重要なのは、あるマイナーの新しく提案されたブロックが他のマイナーのものと若干異なる可能性があることです。これは、前述のように、マイナーがブロックに含めるトランザクションを選択するためであり、利益の最適化を目指しているものの、場所や他の要因によって変動が生じるためです。2人のマイナーが異なる新しいブロックを送信すると、競合する「真実」のバージョンがネットワーク全体に広がり始めます。ネットワークは最終的に、より速いペースで成長するチェーンを選択することで「正しい」バージョンの真実に収束します。

最後の部分を分解してみましょう。2つの競合するチェーンがあるとします。仮に、75％のマイナーがバージョンAを選択し（最初に見たバージョンだから）、その上に次のブロックを構築するためのPoWを開始します。残りの25％のマイナーはバージョンBを選択し（これも最初に見たバージョンだから）、同じプロセスを開始します。統計的に、バージョンAで作業しているマイナーの一人が最初にPoWを完了し、新しいバージョンをネットワークにブロードキャストする可能性が高いです。ノードは常に最も長いチェーンを選択するため、バージョンAはすぐにネットワークを支配するようになります。実際、バージョンBがより速く成長する確率は、追加のブロックごとに指数関数的に消えます。そのため、6つのブロックが追加された時点で、それが統計的に不可能になります。この理由から、6つのブロックで確認されたトランザクションは、ほとんどの参加者にとって確定したものと見なされます。ビットコインにおけるトランザクションの「最終性」は、6つのブロック、つまり約1時間です。

最も長いチェーンの一部とならないブロック（上記の例ではバージョンBのブロック）は、オーファンブロックとして知られています。このようなブロックは1日に1〜3回作成されると推定されています。オーファンブロックに含まれるトランザクションは失われません。最も長いチェーンのバージョンにまだ含まれていない場合、それらは次のブロックに追加されます。

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ビットコインのハッシュアルゴリズムとは？

ビットコインは、Secure Hash Algorithm 2（SHA2）という軍用級の暗号化アルゴリズムを使用しています。ビットコインのマイナーは、このハッシュアルゴリズムを何度も実行して初めて生成されるランダムな番号を見つけることで、BTCを獲得します。このプロセスは、宝くじのチケットを多く購入すると当選確率が上がるという仕組みに似ています。ハッシュアルゴリズムにより多くの計算力を投入することで、マイナーは事実上、より多くの宝くじのチケットを購入しているのです。

ビットコイン採掘の難易度調整とは何か、なぜ必要か

Proof of Workアルゴリズムの難易度レベルは、2,016ブロックごと、つまり約2週間ごとに自動的に調整されます。調整は、新しいブロックの採掘を10分ごとに一定に保つことを目的としています。

難易度調整は、ハッシュアルゴリズムに適用される計算力の総量、つまり「ハッシュパワー」を考慮に入れます。計算力が追加されると、難易度が上がり、採掘が全員にとって難しくなります。計算力が減少すると、難易度が下がり、採掘が容易になります。

この難易度調整システムにより、ビットコイン採掘は貴金属の採掘とは大きく異なります。例えば、金の価格が上昇すると、より多くの採掘者が市場に参入することになります。より多くの金の採掘者が追加されると、必然的により多くの金が生産されます。需給の力によって、市場の金価格が最終的に下がることになります。しかし、ビットコインの場合、ビットコインの生産（鋳造）量はビットコインプロトコルによって事前に決められています。したがって、採掘者の数やパワーには影響されません。アルゴリズムに向けられる採掘パワーの量に関係なく、生産されるビットコインの量は影響を受けないのです。

ビットコイン採掘は合法か

ビットコイン採掘は、米国やヨーロッパを含むほとんどの国で合法です。ほとんどの地域では、ビットコイン採掘者は電力およびデータインフラの利用に関する法律を遵守し、地元の規則や規制に従う必要があります。

一部の地域では、地元の規制当局がビットコイン採掘に制限を課すか、制限を課す動きを見せています。最も一般的な理由は、ビットコイン採掘が地元の電力網に悪影響を及ぼす、または環境に悪影響を及ぼすというものです。例えば、欧州証券市場庁（ESMA）の副議長エリック・テディーンは、2021年11月に、暗号通貨がパリ協定の気候変動目標達成に対するリスクを構成していると述べました。中国は2021年半ばにビットコインおよび他の暗号通貨の採掘を公式に禁止しましたが、依然としてビットコインのハッシュレートのかなりの部分が中国から発信され続けています。

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ビットコイン採掘は環境に悪影響を与えるか

ビットコインの環境への影響は、かなりの注目を集めています。批判者は、ビットコインが大量の電力を消費し、それが環境および倫理的に悪影響を及ぼすと主張することが多いです。しかし、これらの主張は分解して慎重に検討する必要があります。ビットコインは確かに大量の電力を消費しますが、この電力がどのように生成されているかを考慮し、他の産業と適切に比較することが重要です。さらに、環境への影響はエネルギー源によって大きく異なり、ビットコイン採掘で使用される再生可能エネルギーの割合については議論があります。また、環境に悪影響を与えるものが必ずしも倫理的に悪いわけではないことにも注意が必要です。ここでの例は、エネルギー集約的だが有益なサービスである病院です。ビットコインの場合、国際送金手数料の削減、金融包摂、経済的自由の創出などの潜在的な利益と環境への影響を天秤にかける必要があります。ビットコインのエネルギー使用量は確かに懸念されるべき問題ですが、それは多面的

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