自 2009 年比特幣問世以來，加密貨幣的使用持續(xù)增長并越來越受歡迎。但隨著中國全面禁止比特幣挖礦后，國內的一些礦主開始轉移陣地，把目光瞄向了國外數(shù)據(jù)中心。用于比特幣挖掘的數(shù)據(jù)中心與其商業(yè)數(shù)據(jù)中心對應物有顯著差異。數(shù)據(jù)中心如何用于挖掘加密貨幣與其他行業(yè)的其他數(shù)據(jù)中心不同，特別是在它們的電源和冷卻系統(tǒng)方面。

定義比特幣挖礦和挖礦數(shù)據(jù)中心

在高層次上，安全哈希算法 (SHA) 是一種用于驗證比特幣交易并確保比特幣網(wǎng)絡公共分類賬（也稱為區(qū)塊鏈）安全的函數(shù)。比特幣的開采速度以每秒哈希數(shù)來衡量。挖礦中使用的服務器（稱為“礦工”或“挖礦服務器”）將最近的比特幣交易捆綁到“區(qū)塊”中，然后努力解決加密問題以幫助驗證每個區(qū)塊，確保分類賬條目準確無誤。這些加密問題是挖礦服務器和數(shù)據(jù)中心發(fā)揮作用的地方。解決這些問題需要長時間運行的重型計算能力。

比特幣網(wǎng)絡通過向那些貢獻所需計算能力來驗證交易的人發(fā)放比特幣，為他們的時間、精力和財務投資支付比特幣礦工的報酬。礦工擁有的計算能力越大，報酬的部分就越大——這是個人和公司建立兆瓦比特幣挖礦數(shù)據(jù)中心的首要驅動因素，供自己使用或供付費客戶使用，然后他們可以訪問挖礦服務器無需在信息技術 (IT) 和設施方面進行大量資本投資。在任何一種情況下，最小化初始成本和持續(xù)能源成本對于最大化投資回報 (ROI) 至關重要。

從根本上講，采礦數(shù)據(jù)中心與其他類型的數(shù)據(jù)中心具有相同的基本設計和操作原則：將電力輸送到建筑物并分配給設備，空氣分配系統(tǒng)保持所需的環(huán)境條件，建筑物提供外部保護外部威脅的條件和安全。盡管在更深層次上，用于挖掘的數(shù)據(jù)中心與其商業(yè)數(shù)據(jù)中心對應物存在顯著差異。在檢查以下類別時很容易看到這種差異：

• 挖礦服務器設計的影響
• 數(shù)據(jù)中心結構和外殼
• 冷卻和空氣分配
• 能源使用和效率。

分析2014 年至 2018 年比特幣增長的數(shù)據(jù)表明，采礦活動出現(xiàn)了巨大增長。這是與采礦作業(yè)相關的能源使用的重要指標。從 2014 年到 2018 年，采礦（和能源使用）的增長非常強勁，趨勢分析顯示持續(xù)積極、積極的增長。考慮到正在發(fā)生的非常快速的增長和預測，必須關注節(jié)能戰(zhàn)略。

挖礦服務器設計

投資挖礦服務器時的兩個主要考慮因素是每個哈希的初始成本和以瓦特每個哈希表示的電力效率。性能更高的計算機具有更高的哈希率，為挖礦操作提供更大的計算能力。與企業(yè)服務器相比，礦工旨在僅完成一項任務挖掘。目前，用于挖礦服務器的常見架構類型是基于專用集成電路 (ASIC) 芯片，通常稱為片上系統(tǒng) (SoC)。

在制定冷卻系統(tǒng)策略時，一個重要的考慮因素是礦機可以在 80 到 90°F 的入口條件和 10% 到 80% 的非冷凝相對濕度下運行。一臺功能強大的挖礦服務器的電力需求可以達到 1,400 W 或更多，從而將等量的熱量散發(fā)到數(shù)據(jù)中心。為了最大限度地減少由于內部溫度過高而導致服務器故障的可能性，一些服務器制造商提供了一個控制器，可以根據(jù)溫度改變服務器中風扇的速度、電壓和機器的時鐘速度。此外，礦機更大的橫截面積允許更好的氣流穿過 ASIC 芯片，從而實現(xiàn)有效的散熱。能夠利用這些更高的工作溫度，這可以減少或消除對冷卻系統(tǒng)的要求，是挖掘數(shù)據(jù)中心的核心組織原則。冷卻設備減少的程度取決于數(shù)據(jù)中心建筑的大小、位置和物理特性。

結構和信封

通常，采礦數(shù)據(jù)中心使用由輕質材料建造的建筑物，包括外墻、屋頂和窗戶，例如存儲設施或倉庫。這種結構類似于電信行業(yè)協(xié)會(TIA) 942 標準中定義的 1 級基本設施. 在系統(tǒng)可靠性、處理極端天氣事件、安全性和許多其他標準方面，1 級基礎設施的彈性在四個級別中最低。該標準進一步將 1 級基礎設施定義為容易出現(xiàn)操作錯誤或站點基礎設施組件的自發(fā)故障，從而導致數(shù)據(jù)中心中斷。在考慮建造此類數(shù)據(jù)中心時，必須進行徹底的風險評估和分析，因為電力/冷卻中斷或結構損壞可能導致災難性后果。

1 級基礎設施數(shù)據(jù)中心在冷卻系統(tǒng)中幾乎沒有或沒有冗余。可靠性較低的系統(tǒng)不使用冗余設備，例如泵、冷卻器和空氣處理設備。在這種情況下，機房較小，因為設備較少。這個“發(fā)現(xiàn)”的空間將用于挖礦服務器，這有利于挖礦操作，但會增加所需的電力和冷卻能力。該設施的內部通常是大型高架倉庫式內部，在安裝數(shù)千臺采礦服務器時提供必要的靈活性和工作空間。

冷卻和空氣分配

在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心中，服務器安裝在機柜或機架中，以將服務器固定到位，允許電纜管理，并有助于空氣流通。在采礦數(shù)據(jù)中心，服務器安裝在工業(yè)貨架單元上，可以在服務器出現(xiàn)故障時快速更換。這種擱架布置為采購產(chǎn)品和安裝擱架的勞動力提供了成本優(yōu)勢。

使用工業(yè)型擱架放置計算機的優(yōu)點之一是安裝的開放性。礦工被放置在貨架上，使空氣可以在上方、下方和兩側流動。在這種安排中，沒有正式的氣流管理，例如熱通道/冷通道配置；進入服務器的空氣溫度不均勻，變化很大。溫度是由服務器風扇出口處的對流力和空氣混合共同產(chǎn)生的。將其與企業(yè)數(shù)據(jù)中心進行比較時，存在重大差異。典型的企業(yè)數(shù)據(jù)中心將服務器堆疊在機柜內，并且機柜并排放置。目的是創(chuàng)建通常非常可控的氣流模式，入口在服務器的正面，從背面排出。這種安排導致更可預測和可控的空氣溫度梯度。

在數(shù)據(jù)中心，冷卻系統(tǒng)是最昂貴和最耗能的（在服務器后面）。在這種情況下，減少或消除冷卻器、冷卻塔、泵、管道和管道系統(tǒng)等組件將減少或消除大部分冷卻系統(tǒng)。減少使用或消除這些系統(tǒng)也將解決首次成本和能源成本問題。由于冷卻系統(tǒng)的主要工作是保持 IT 設備在規(guī)定的溫度和濕度水平下運行，因此緩解服務器的室內環(huán)境要求（例如，允許它們在更高的內部溫度下運行）將減少能源消耗和，在某些情況下，減小冷卻系統(tǒng)的尺寸。

如前所述，挖礦服務器可以在 80 到 90°F 甚至更高的氣溫范圍內運行。如果室外空氣大約等于服務器允許的最高溫度，則不需要機械冷卻。因此，必須同時考慮數(shù)據(jù)中心的地理位置和服務器的最高工作溫度；較冷的位置和較熱的服務器運行溫度將消耗最少的能源，而最熱的位置和最低的服務器溫度將消耗最多的能量。

采礦作業(yè)的能源效率

能源使用是采礦作業(yè)的主要問題。如果運營成本高于采礦作業(yè)獲得良好財務回報所需的成本，則該商業(yè)模式將行不通。為了說明這一點，在 2009 年比特幣推出時，創(chuàng)建的每個區(qū)塊價值 50 個比特幣。按照設計，這個數(shù)字計劃每 4 年下降一半：2012 年為 25 個比特幣，2016 年為 12.5 個比特幣，2020 年為 6.25 個比特幣。當采礦業(yè)的收入下降一半時，其能源消耗必須成比例地下降。如果它不下降，采礦將成為一項無利可圖的活動。需要通過對位置、系統(tǒng)類型、服務器性能等的前期分析來控制能耗和成本。

為了了解不同組件如何影響總擁有成本（本示例中為簡單回報），說明了簡單回報對不同變量的敏感性。

假設：

• 挖礦服務器的電力需求為 1,620 W。
• 服務器的哈希率為 18 TH/s。
• 服務器的第一筆費用是 4,800 美元。
• 電費為 0.10 美元/千瓦時。
• 該服務器將開采相當于 3,200 美元/年的比特幣。
• 數(shù)據(jù)中心的冷卻系統(tǒng)功率（瓦特每瓦服務器功率）為 0.392。
• 數(shù)據(jù)中心建設成本（每瓦服務器功率美元）等于每瓦 3 美元。

結果討論

• 在執(zhí)行此類分析時，其中一個假設是當單個變量發(fā)生變化時，其他變量保持靜態(tài)。對于此分析，這通常是正確的，但案例 3 除外，其中冷卻能量隨著服務器功率的降低而降低。
• 與所有數(shù)據(jù)中心項目一樣，減少 IT 設備的電力負載將對減少整體能源使用產(chǎn)生最大影響。
• 在任何數(shù)據(jù)中心能源消耗分析中，研究 IT 負載是起點，因為所有能源使用都級聯(lián)到其他系統(tǒng)。
• 提高服務器運行溫度將降低 5% 的投資回報。必須考慮服務器故障率增加的風險，包括年度更換成本。
• 案例 4 假設能夠獲得基本案例服務器，但要少 20%。算力和算力是一樣的。
• 電力公用事業(yè)費是固定費率結構：不包括時段費率或需求費。根據(jù)美國的地區(qū)，這些可能會對總擁有成本產(chǎn)生重大影響。
• 本分析中假設的建筑類型是簡單構造的 1 級設施。建造更堅固的建筑，如第 2 層或第 3 層，將增加大量成本。

此分析旨在提供有關操作不同變量如何影響簡單投資回報的高級快照。它并非詳盡無遺，無法說明可能進一步影響總擁有成本的不同情況和參數(shù)。例如，即使使用室外空氣來冷卻數(shù)據(jù)中心，電力密集度高的裝置也可能需要補充冷卻以避免出現(xiàn)極端熱量積聚的區(qū)域。此類分析未涵蓋此類細微差別。

與很難（如果不是不可能）在服務器能源使用和財務回報之間建立一對一關系的企業(yè)服務器不同，這種相關性很容易從采礦作業(yè)中獲得。這在一定程度上是可能的，因為雖然企業(yè)服務器將處理多種不同的應用程序，但挖掘服務器的設計目的是只做一件事——挖掘。在規(guī)劃新的采礦數(shù)據(jù)中心時了解影響參數(shù)將提供有價值的數(shù)據(jù)和分析技術，以最大限度地提高業(yè)主的投資回報率。