区块链研究2：比特币产业链.pdf

请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 证券 研究报告 2018年 12月 6日 主题研究 区块链 研究 #2： 比特币 产业链 观点聚焦 投资建议 比特币最初的设计理念是基于密码学的去中心化网络。相互独立的矿工通过进行工作量证明计算形成共识，维持网络的运行并获得收益。但币价上升带来的收益提升，在比特币生产环节，带动专用挖矿设备（矿机），共同挖矿服务（矿池）等商业模式的出现。在交易环节，由于比特币网络交易速度过慢等问题，出现基于第三方信任的交易所 、 托管行等提供类似于目前金融行业功能的组织，整个网络向中心化演化。这篇报告里我们介绍这些行业的商业模式和技术细节。 理由 矿机是专门用于挖矿（工作量证明计算）的计算机 。 矿机的特点是通过采用大量专用芯片进行并行计算，实现远远优于 CPU/GPU等传统通用芯片的能耗比和计算设备的硬件的性价比。矿机芯片一般采用最先进的半导体制造工艺，和苹果手机芯片， AI 芯 片一起成为全球最先进半导体工艺的主要用户之一。 矿工： 矿工通过参与竞争记账，获得比特币网络的奖励（比特币）和交易发起方支付的交易手续费。矿工的收益与加密资产价格、全网算力、单个矿机算力以及电力成本有关。我们分析了不同全网算力、不同电力成本以及不同币价下矿工的盈亏平衡点。 矿池的主要职能是协调矿工一起挖矿。 对矿工来说，加入矿池可以 节省 所需要的存储和带宽成本； 并 通过和其他矿工 协作 提高挖矿回报的稳定性。 但矿池的普及，导致比特币向中心化发展，根据 BTC统计， 目前前 6大矿池垄断 72.9%算力，不参加任何矿池的独立算力不到总算力的 3%。 交易所 ：合规化成为重要发展趋势。 随着比特币 作为另类 投资资产的价值不断上升 ， 提供 1）法币 -加密资产； 2）不同加密资产之间的兑换服务的交易所的重要性日益上升。 根据 Coinbase 统计，目前全球加密货币交易所每天交易量达到 60亿美金，相当于同期上交所的 31%， 纽交所的 22%。 随着各国监管政策的明朗化， 合规化 成为加密资产交易所吸引机构投资人参与交易，实现可持续发展的重要发展趋势。美国的 Coinbase 和 欧洲 Circle 是其重要代表。 托管行： 建立加密资产交易体系的重 要一环 。 随着机构投资人对投资加密资产兴趣不断上升，资金安全的重要性不容忽视。与传统金融市场类似，基于牌照的加密资产托管机构负责资产保管、归集支付、资金监管、份额登记、风控合规、交易监督、估值核算等。加密资产托管行通过多重签名的方式保证资产的安全。 2018年 10月，纽约金融服务部（ NYDFS）批准了 Coinbase成立托管信托公司的申 请 ， 这是我们已知的第一张托管行牌照，是行业向更合规方向发展的重要一步。 风险 监管加强；比特币价格波动风险 。 分析员 黄乐平 SAC 执证编号： S0080518070001 SFC CE Ref： AUZ066 leping.huangcicc 联系人 杨俊杰 SAC 执证编号： S0080117090047 junjie.yangcicc 联系人 刘昌泰 SAC 执证编号： S0080118090030 SFC CE Ref： BNM900 changtai.liucicc 相关研究报告 主题研究 | 区块链研究 #1：比特币及其他加密资产 (2018.11.30) 中金公司研究部： 2018年 12 月 6日 请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 2 目录 比特币产业链逐渐向中心化演进 . 3 产业链主要环节简介 . 5 矿机：从 CPU/GPU挖矿到 ASIC挖矿 . 5 币价，在网算力，矿机销售量之间的关系 . 6 矿工：比特币网络的维护者和受益人 . 7 矿池：算力逐渐集中 . 8 矿场：挖矿用的数据中心 . 9 交易所与托管行：第三方信任机构作用逐渐增大 . 9 图表 图表 1: 比特币网络逐渐向中心化演进 . 3 图表 2: 比特币产业链 . 3 图表 3: 阿瓦隆矿机 . 5 图表 4: 典型矿机的主要参数，其中能耗比是最重要参数 . 5 图表 5: 主流矿机性能演进 . 6 图表 6: 在网算力和币价之间关系 . 6 图表 7: 币价上升时全网算力变化趋势 . 7 图表 8: 币价下降时全网算力变化趋势 . 7 图表 9: 影响矿工收益的各个因素 . 7 图表 10: 比特币矿池算力占比 . 8 图表 11: 矿池的工作原理 . 8 图表 12: 比特币矿池算力占比 . 9 图表 13: 主要国家电费比较 . 9 图表 14: 主要国家或地区加密资产交易的态度 . 10 图表 15: 主要比特币被盗事件 . 11 图表 16: 主要交易所排名（截止 2018/12/3） . 12 图表 17: 主要交易所及所运营的国家或地区 . 12 图表 18: Coinbase融资情况 . . 12 图表 19: Coinbase牌照类别 . 12 图表 20: Coinbase全产业链布局 . 13 图表 21: Circle主营业务 . 13 图表 22: Circle牌照类别 . 13 图表 23: 传统金融行业资产管理市场和托管行之间关系 . 14 图表 24: 四种加密资产托管服务区别 . 14 图表 25: 全托管方案 . 15 图表 26: 协同管理方案 . 15 图表 27: 推出加密资产托管的主要机构 . 15 中金公司研究部： 2018年 12 月 6日 请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 3 比特币产业链 逐渐向中心化 演进 2008年 “中本聪” 提出 比特币 是基于密码学的去中心化 网络。相互独立的矿工 在自己家里 利用 PC通过工作量证明形成共识，维持网络的运行，并获得收益。用户通过钱包实现点对点的支付，整个交易不需要通过银行等可信赖第三方机构的支持。 随着比特币网络规模的扩大和币价上升带来的收益提升， 比特币网络碰到 矿工 收益 逐渐降低，以及交易处理速度慢 等问题。为了解决这些问题， 出 现了（ 1）专用挖矿芯片 ；（ 2）矿池； （ 3）矿场 ； （ 4）交易所等新商业模式。整个网络向中心化 演进 。 图表 1: 比特币网络逐渐向中心化 演进 资料来源 ： 中金公司研究部 图表 2: 比特币产业链 资料来源 ： 万得资讯，彭博资讯， 中金公司研究部 矿机是专门用于挖矿（工作量证明计算）的计算机，矿机的特点是通过采用大量专用挖矿芯片进行并行计算，实现远远 优于 CPU/GPU等传统通用芯片的能耗比和计算设备的硬件的性价比。 比特币矿工通过参与竞争记账，获得比特币网络的奖励和交易发起方支付的交易手续费。目前矿工一般加入某个矿池，参与共同挖矿，矿工一定时间能够获得的收益与矿机成本、电力成本、全网算力、自身贡献算力、币价等因素有关。 矿池的主要职能是通过专用挖矿协议，协调大量的矿工一起挖矿。成功出矿的奖励先支付给 矿池， 矿池再根据各个矿工的贡献分配收益。 矿池 从中 收取一定比例的费用。 加入矿池，比特币用户一方面可以避免运行全节点；另一方面也可以减少挖矿回报的方差。根据 BTC 统计，目前前 6 大矿池垄断 72.9%算力，不参加任何矿池的独立算力不到总算力的 3%。 矿工矿工矿工矿工矿工矿工 矿工矿工矿池 矿池交易所投资人矿池矿工托管行矿机 交易所钱包矿场晶圆代 工挖矿环节 交易环节中金公司研究部： 2018年 12 月 6日 请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 4 矿场是为矿机提供托管服务的专用数据中心。矿场的作用在于将矿机物理集中在电价较低的区域，利用低电力成本获取更大收益。在中国来看，一般会选择内蒙古、四川、云贵高原、新疆等电力资源丰富且电价便宜的地方。根据 blockchain.info 的统计， 2018年中国矿场占全球比例约 58%。 交易所：提供加密资产链下交易平台。 由于比特币区块链区块大小设计的限制，每秒只能处理 7笔交易，无法支撑快速上升的交易需求，交易所由此应运而生。交易所主要提供： 1）法币 -加密资产之间的兑换服务； 2）不同加密资产之间的兑换服务；3）杠杆交易 等融资服务。 中金公司研究部： 2018年 12 月 6日 请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 5 产业链主要环节简介 矿机 ：从 CPU/GPU挖矿到 ASIC挖矿 比特币及以太坊等主要加密资产采用 哈希 运算等工作量证明（ Proof of Works）的形式进行竞 争记账。作为成功记账的奖励，参与记账的节点（矿工）获得 1）交易发起方支付的手续费； 2） 比特币网络新生成的区块奖励（比特币）。矿工主要成本包括 1）进行哈希运算 消耗的电费 ； 2）矿机的初始成本以及 折旧。 比特币矿机 是 专门用于挖矿（工作量证明计算）的计算机 ， 矿机的特点是通过采用大量专用挖矿芯片 进行并行计算，实现远远 优于 CPU/GPU等 传统通用芯片 的能耗比和计算设备的性价比 。 图表 3: 阿瓦隆矿机 图表 4: 典型矿机的主要参数 ，其中能耗比是最重要参数 资料来源 ： 中关村在线 ，中金公司研究部 资料来源 ： 中关村在线 ， 中金公司研究部 最新的 英特尔 CPU 挖矿性能是 20MHash/s，英伟达的 GPU 性能约 400MHash/s。而 2012年的第一颗挖矿专用芯片烤猫 BE100 开始 已经 达到 850GH/s， 到最新一代蚂蚁矿机 S15达到 28TH/s（ 1T=1024G） ，哈希运算能力在不断增强，而能耗比 方面，已经降到了 GPU的 1/10000。采用专用芯片以外的方法进行挖矿，在经济上已经不可行。 以太坊等一部分加密资产，认为 ASIC 挖矿有损加密资产社区的公平性，因此 调整算法，限制 ASIC挖矿 的性能 ，这些加密资产的挖矿目前以 GPU方法为主。 由于能耗比是矿机芯片的主要性能参数，矿机芯片一般采用最先进的半导体制造工艺进行生产。从台积电的季报业绩披露可以看到，矿机芯片与苹果手机芯片，英伟达等的 GPU芯片一起成为 7nm等台积电最先进工艺的主要用户。 除了采用最先进的半导体生产工艺以外，矿机厂商也通过采用自己研发的低功耗 IP 等方法，降低整体 功耗。 蚂蚁矿机 S9 A v a lo n A 9 2 1 翼比特 E 9 . 3 蚂蚁矿机 S 1 5 蚂蚁矿机 E3额定算力（ T H / s ） 1 3 . 5 20 16 28 1 9 0 M H / s墙上功耗（ W ） 1 ,4 8 5 1 ,7 0 0 1 ,7 6 0 1 ,5 9 6 760能耗比（ W / T H / s ） 110 85 110 57 4 W / M H / s芯片 B M 1 3 8 9 A3 2 0 6 D W 1 2 2 8 B M 1 3 9 1 B M 1 7 9 0芯片数量 189 104 144 U n k n o w n 18制程 1 6 n m 7 n m 1 0 n m 7 n m 2 8 n m架构 AS I C AS I C AS I C AS I C AS I C计算方法 S H A- 2 5 6 S H A- 2 5 6 S H A- 2 5 6 S H A- 2 5 6 E T H AS H对应币种 比特币 比特币 比特币 比特币 以太坊中金公司研究部： 2018年 12 月 6日 请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 6 图表 5: 主流矿机性能演进 资料来源 ： 中关村在线， 中金公司研究部 币价，在网算力，矿机销售量之间的关系 我们注意到比特币价格和在网算力之间存在动态平衡的关系。在网算力直接影响矿机的销售。 图表 6: 在网算力和币价之间关系 资料来源 ： btc，中金公司研究部 S4, 28 nm0.58W/G HS5, 28 n m 0.45W/G HS7, 28n m0.25W/G HS9, 16n m0.09W/G HS15 , 7n m0.057W/G HA6, 28n m0.3W/G HA721 , 16n m0.15W/G HA741 , 16n m0.16W/G HA7 61 , 16 n m0.15W/G HA841 , 16n m0.1W/G HA921 , 7n m0.085W/G HE 9,14n m0.14W/G HE 9+ , 10n m0.145W/G HE 9.3, 10n m0.11W/G H00 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 72 Q1 4 4 Q1 4 3 Q1 5 4 Q1 5 1 Q1 6 4 Q1 6 1 Q1 7 4 Q1 7 1 Q1 8 2 Q1 8 3 Q1 8 4 Q1 8蚂蚁矿机 Av a lo n 矿机 翼比特( W / GH )7 n m - 1 0 n m2 8 n m 及以上 1 0 n m - 2 8 n m010203040506005000100001500020000250002 0 1 3 / 4 / 2 8 2 0 1 4 / 4 / 2 8 2 0 1 5 / 4 / 2 8 2 0 1 6 / 4 / 2 8 2 0 1 7 / 4 / 2 8 2 0 1 8 / 4 / 2 8P r i c e o f B TC ( U s d ) H a s h R a t e ( E H / s )(Usd) (EH/ s)中金公司研究部： 2018年 12 月 6日 请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 7 当比特币价格处于上升通道：市场较为火爆时，预期挖币收益提高，回本周期缩短，带动矿机售价及销量走高，新增算力持续增加；直至某个节点，新增矿机预期回本周期不具备吸引力，则会有矿机退出，达到动态平衡状态。 当比特币价格处于下行阶段：市场较萎靡时，预期挖币收益降低，回本周期拉长，拉低矿机售价及销量，算力增速降低，有矿工 持续退出；直至某个节点，单台矿机经济效益达到上升拐点，再次吸引矿工加入，达到动态平衡状态。 图表 7: 币价上升时全网算力变化趋势 图表 8: 币价下降时全网算力变化趋势 资料来源 ： 中金公司研究部 资料来源 ： 中金公司研究部 矿工 ：比特币网络的维护者和受益人 比特币矿工通过参与竞争记账，获得比特币网络的奖励和交易发起方支付的交易手续费。目前矿工一般加入某个矿池，参与共同挖矿，矿工一定时间能够获得的收益与矿机成本、电力成本、全网算力、自身贡献算力、币价等因素有关。一个简化的收益公式如下。 总收益 (T) = 矿机买入价 +(区块奖励 币价 (t) 自身算力在网总算力 (t)电力成本 )=0 矿机成本：矿工可以通过选择不同的矿机来 控制矿机成本，但这个也会同时影响矿机算力。一般新一代矿机成本 较高，但算力贡献也大。 电力成本：矿工可以选择到电费低的地方挖矿，或者通过加入电费较低的 矿场 来降低电力成本。 在网总算力：矿工无法控制，长期来看，取决于币价走势。 币价上涨会导致总算力增加，然后最终达到均衡。 自身贡献算力：取决于矿机的算力。但由于现在全网算力很大，单台矿机几乎无法取得收益，因此几乎所有矿工选择加入矿池，提高节点算力和挖到比特币的几率，之后通过矿池分成模式获得对应收益。 币价：矿工无法控制，取决于比特币市场行情。 图表 9: 影响矿工收益的各个因素 资料来源 ： 中金公司研究部 比特币价格 上升新增算力 增加挖矿效率 下降预期收益率 下降达到拐点动态平衡币 价传导机制比特币 价格下降新增算 力减少挖矿 效率 提高预期 收益率提高达到拐点动态平衡币 价传导机制矿机成本 电力成本 全网算力 自身贡献算力 币价相关性 - - - + +矿工能够控制 可以 可以 不可以 可以 不可以中金公司研究部： 2018年 12 月 6日 请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 8 矿池 ： 算力逐渐集中 矿池 的主要 职能 是通过专用挖矿协议，协调大量的矿工一起挖矿。连接到矿池里的矿工，在挖矿时与矿池服务器保持连接，和其他矿工同步工作。 矿池中的矿工共享奖励。成功出矿的奖励支付到矿池的比特币地址，而不是单个矿工。一旦奖励达到一个特定的阈值，矿池服务器便会支付奖励到矿工的比特币地址。通常情况下，矿池服务器会为提供矿池服务收取一定比例的费用。 对矿工来说，和个人挖矿相比， 加入矿池 有两个好处。 一方面可以避免运行 比特币 全节点 所需要的存储和带宽成本 ；另一方面 通过和其他矿工分享收益， 可以 提高 挖矿回报的稳定性 。 2018年 12月 3日全网算力约 38.88EH/s，一台蚂蚁 S9算力为 13.5TH/s，一天 理论上可以挖到 0.063%个比特币。 根据 BTC 统计， 目前前 6 大矿池垄断 72.9%算力，不参加任何矿池的独立算力不到总算力的 3%。 过去一年， 95%的比特币被矿池挖到。 图表 10: 比特币 矿池 算力 占比 图表 11: 矿池的工作原理 资料来源 ： btc，中金公司研究部 资料来源 ： 中金公司研究部 矿池的商业模式和收益 成功挖币的关键在于最先找到全网难度的随机数。 矿池 在接收到下一个区块难度时，会将区块难度分成很多难度更小的任务下发给矿工计算，矿工完成一个任务后将结果提交给矿池， 这个过程算矿工提交一个 share。假设全网难度要求 n 的值为 100，即前 100个比特位为 0，矿池可能会给矿工分配一个任务，要求前 30 位为 0，然后再从所有提交的任务中，寻找有没有凑巧前 100位为 0的目标值。 不同矿机算力 的 大小不同，矿池会根据算力大小分配 不同 难度的任务。比如 A 矿机 的额定 算力 5T， B 矿机 的额定 算力 为 10T，那么矿池给 A 矿机分配任务要求 计算哈希难度的前 5个比特位为 0， B矿机的任务可能会是 哈希难度的 前 10个比特位为 0。 找到前 10个比特位为 0的难度要远大于找到前 5个比特位为 0，而 前 10个比特位为 0成为符合条件目标值的概率 也 大于前 5 个比特位为 0 的概率。 所以从概率上来讲， B 矿机可能贡献正确答案的概率要大于 A矿机。 由于是聚集很多矿机的算力挖矿，在挖到比特币之后，要给矿工计算收益。 矿池和矿工之间主要采取以下两种结算模式 ： PPLNS（ Play Per Last N Shares） ： 收益结果和每个人贡献的 shares相关。假设 A提交了 3个可能正确的 shares， B提交了 5个可能正确的 shares，那么无论最后的答案是A提供的还是 B提供的， A都将获得这次收益的 3/8，而 B将获得 5/8。 PPS（ Play Per Share）： 完全根据算力贡献按比例分享收益。 假设全网总算力 为 100T，整个矿池算力 20T， A矿机算力 5T， A矿机算力占全网 5%， 那么 A矿机理论上每天可以获得 90个比特币。 无论矿池收益如何， A矿池的收益不变。如果矿池当天的收B TC . c o m19%A n t p o o l15%Sl u s h Poo l12%Vi a BTC8%B TC . TOP9%F2Poo l9%D P OO L3%P o o li n6%B it C lub3%Bi t c o in . c o m2%H u o b i. p o o l2%Bi t Fu r y2%o t h e r s10%矿池 B矿 池 A矿工 B矿工 A 矿工 C 矿工 D区块链网络挖矿任务拆解挖矿任务拆解Shares ofAShares ofB挖矿任务下达在矿工提交的答案中挑选最终答案，广播到全网络挖矿任务拆解挖矿任务拆解Shares ofCShares ofD在矿工提交的答案中挑选最终答案，广播到全网络挖矿任务下达中金公司研究部： 2018年 12 月 6日 请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 9 益多于理论值，那么多余的收益归属矿池；如果矿池当天的收益小于理论值，那么矿池自行承担亏损。 我们可以很容易看出， PPS相较于 PPLNS模式收益稳定，而且矿池自负盈亏，自担风险。因此， PPS模式的矿池费相较 PPLNS会高一些，大约 8%，而 PPLNS的矿池费大约为 4-5%。 矿场 ：挖 矿用的数据中心 矿场 是为矿机提供托管 （ Hosting） 服务的数据中心。 矿场的作用在于将矿机物理集中在电价较低的区域，利用低电力成本获取更大收益。 在中国来看，一般会选择 内蒙古、四川、云贵高原、新疆等电力资源丰富且电价便宜的地方。 图表 12: 比特币矿池算力占比 图表 13: 主要国家电费比较 资料来源 ： btc，中金公司研究部 资料来源 ： Electricity Tariffs， Power Outages and Firm Performance， 中金公司研究部 根据 blockchain.info 的统计， 2017 年全球比特币耗电量达到 227 亿度，其中中国矿场约占全球 70%。 2017年 9月 4日，央行限制比特币交易所在中国的运营； 11月互联网金融整治办开会讨论引导矿场退出问题 ，央行要求各地政府从电力供应入手，逐步削减比特币矿场规模。在政策不利的情况下，很多矿场开始向海外转移。 由于矿场选址的两个条件： 1）电价低； 2）温度低，加拿大、俄罗斯、冰岛等地区逐渐成为挖矿首选地区。莱比特和微比特 两个中国较 大矿场已经 在加拿大、冰岛和美国设立分部。 矿场经营的另一个压力来自比特币价格的不断下跌。 2018年 12月 4日比特币价格为 3859美元，和年初最高点相比已经下跌 70%，这意味着挖矿获得的收益已经不足以支付电费、管理费等挖矿成本，很多中小型矿场 迫于成本压力 将 会选择 退出 市场 。 交易所与托管行： 第三方信任机构作用逐渐增大 比特币最初的设想是用户通过钱包进行点对点交易。但由于比特币区块链区块大小设计的限制，目前每秒只能处理 7 笔交易，无法支撑快速上升的交易需求，同时，比特币等加密资产日益成为一种重要的另类投资资产，需要 第三方机构提供： 1）法币 -加密资产；2）不同加密资产之间的兑换服务。 各国 /地区 对交易所的监管态度不尽相同 中国： 2017年 9月 4日，中国央行等七部委联合发布关于防范代币发行融资风险的公告，国内数字货币交易所被勒令关停。 （ miit.gov/n1146290/n4388791/c5781140/content.html） 国家 电价（ U sd /K W h ）澳大利亚 0 . 2 1日本 0 . 2美国 0 . 1 7巴西 0 . 1 7英国 0 . 1 5加拿大 0 . 1 4中国 0 . 1 4俄罗斯 0 . 1阿尔及利亚 0 . 0 2中金公司研究部： 2018年 12 月 6日 请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 10 香港： 2018 年 11 月 1 日，香港证监会发布有关针对虚拟资产投资组合的管理公司、基金分销商及交易平台营运者的监管框架的声明，加密资产交易所成为被香港允许实行“沙盒”实验中的金融科技项目，可行性被验证后可发出正式牌照。（ sfc.hk/web/TC/news-and-announcements/policy-statements-and-announcements/reg-framework-virtual-asset-portfolios-managers-fund-distributors-trading-platform-operators.html） 美国 ： 美国对加密资产持开放态度，但加密资产监管复杂， 美国证券交易委员会（ SEC）、美国商品期货交易委员会（ CFTC）和美国国税局（ IRS）都有