Bitcoin, Blockchain & Co. — Die Wahrheit und nichts als die Wahrheit (überarbeitete Ausgabe 2021/22)

Das Geheimnis hinter dem sogenannten „Mining“

Im Prinzip ist es nichts anderes als lustiges Zahlenraten. Zahlen in eine Formel einsetzen und dann schauen, ob das Ergebnis so viele führende Nullen mit sich bringt wie die vom System geforderten. Es ist natürlich klar, dass die Formel sehr viel komplizierter ist als in dem Beispiel von oben.

Entscheidend ist, dass das Ergebnis einer Hash-Formel schon bei minimalen Änderungen der Ausgangswerte enorme Veränderungen des Endwerts mit sich bringt, wie weiter oben dargestellt wurde.

Deshalb ist es auch kein einfaches lineares Probieren nach dem Motto, 1,7656 ist zu groß, also nehmen wir einfach 1,4441. Wenn das immer noch zu viel ist, dann eben 1,2982. So einfach ist es eben nicht. Im Gegenteil. Da das Ergebnis nicht linear ist, kann es sein, dass ein größerer Wert der Nonce in der Formel zu einem kleineren Endwert führt. Wie schon gesagt, die Augen eines Mathematikers glänzen bei solchen Formeln, Laien nehmen es staunend zur Kenntnis. Für den Fall, dass man gefragt wird, welche Art von Berechnung erforderlich ist, um einen Hash-Wert zu errechnen, kann man auf die sogenannte „elliptische Kurvenformel“ verweisen. Das aber nur, wenn das Gegenüber immer weiter nachfragt. Dann hören die Nachfragen normalerweise auf.

Dem Miner bleibt also tatsächlich nichts anderes übrig, als zu raten, zu rechnen, zu vergleichen und wenn das Ergebnis nicht klein genug ist, das Ganze wieder von vorne, mit einer neuen Nonce, zu starten. Wir reden hier aber nicht nur von 100 oder 1.000 Versuchen, sondern von Milliarden Rechenoperationen pro Sekunde, die das ganze Bitcoin-Netzwerk ständig ausführt. Die Einheit, in der diese Rechenleistung erfasst wird, sind die sogenannten „Mega-Hashes“, „Giga-Hashes“ oder sogar „Peta-Hashes“. Also Millionen Hash-Berechnungen pro Sekunde beziehungsweise Milliarden oder Billiarden Hash-Berechnungen pro Sekunde.

Solche Berechnungen sind nichts mehr für handelsübliche Com-puter, da die Anforderungen an die Rechenleistung nicht mehr von diesen Maschinen erbracht werden können. Deshalb kommt es heutzutage zur Arbeitsteilung zwischen Nodes und Minern.

Die Nodes verwalten die dezentral abgespeicherten Daten und die Miner berechnen die neuen Blocks.

Am Anfang, als das Bitcoin-System im Jahr 2009 startete, war es noch möglich, mit einer ganz normalen CPU (dem zentralen Chip in unseren Computern wie zum Beispiel ein Pentium) den Hash-Wert der Blocks zu berechnen. Irgendwann wurde es aber zu kompliziert und zu aufwendig und die Softwareexperten haben die Berechnung auf die sogenannten GPUs (Graphic Processing Units) ausgelagert. Das sind die Spezialchips in den Grafikkarten. Grafik-karten müssen auch sehr viel und sehr schnell rechnen können, damit sie zum Beispiel in einem Spiel die Hintergrundbilder berechnen und auf dem Bildschirm darstellen können, während der Spieler mit einer schußbereiten Pistole durch eine Stadt läuft. Wegen dieser Eigenschaften sind GPUs viel besser geeignet, diese komplizierten Rechnungen durchzuführen.

Wer schneller ist, verdient mehr Geld

Im gesamten Netzwerk sind viele Miner installiert. Alle rechnen gleichzeitig an jedem neuen Block und versuchen, die Nonce zu erraten. Sie nehmen also Transaktionen aus dem Pool und packen diese zusammen mit dem Hash des letzten Blocks in den neuen Block. Dann suchen sie einen Wert für die Nonce, berechnen und vergleichen das Ergebnis mit der Anforderung des Systems. Wenn der Wert kleiner ist als die Anforderung des Systems, wird der Block abgeschlossen und an die mit dem Miner verbundenen Nodes versendet, damit diese den neuen Block an ihre lokale Kette anhängen und an andere Nodes weiter versenden, damit diese wiederum den neuen Block an ihre jeweilige Kette anhängen. So wird die Blockchain weiter und weiter verlängert.

Was aber hat das mit Geld verdienen zu tun? Nun, zum einen müssen die Bitcoins ja irgendwie entstehen und zum anderen brauchen die beteiligten Computer zwar keine Pizza und Pasta zum arbeiten, aber Strom. Und Strom kostet den Betreiber Geld. Warum sollte er nun etwas bezahlen, von dem er nichts hat und von dem er für sich nicht mindestens Pizza und Pasta kaufen kann oder auch mal ein Steak oder einen leckeren Fisch?

Hier kommt nun wieder ein genialer Gedanke von Satoshi Nakamoto ins Spiel: Der Miner erhält für seine geleistete Arbeit eine Erfolgsprovision!

Die Berechnung des neuen Blocks wird von allen Minern im Netzwerk ständig parallel vorgenommen und einer wird der erste sein, der einen neuen Block gehashed, also den Richtgen Hash-Wert für diesen Block erraten hat. Dieser Miner erhält nun die Belohnung. Eine Belohnung, die aus Bitcoins selbst besteht, die zu diesem Zweck einfach neu entstehen.

Während die Notenbank neue Banknoten drucken muss, werden im Bitcoin-Netzwerk einfach dem Miner in dem Block, den er gerade erzeugt hat, neue Bitcoins zugesprochen. Zum Beispiel 50 Bitcoins als Belohnung für jeden neuen, richtig gehashten Block. Wenn der Block von den Nodes an die bestehende Blockchain angehängt wird, dann werden damit diese 50 Bitcoins legitimiert und sie gehören dem Miner, der als erstes den neuen Block gefunden hat. Damit hat jeder ein Incentive, so schnell wie möglich zu rechnen und neue Blocks zu hashen.

Das ist auch der Weg, wie Bitcoins sozusagen „geboren“ werden. Technisch packen die Miner einfach in jeden Block eine Transaktion, in der sie sich selbst diese Belohnung auszahlen. Wird der Block vom Netzwerk validiert, existieren die Bitcoins von diesem Zeitpunkt an, denn sie stehen ja in der unveränderlichen Blockchain.

Immer schnellere und leistungsfähiger Computer

Wer also schneller rechnen kann, der verdient mehr Geld. Dadurch entsteht Wettbewerb und die Motivation, schnellere Chips zu nutzen, die schneller rechnen können. Deshalb waren nach ein paar Jahren nicht nur die normalen Computer zu langsam, sondern auch die Grafikkarten und man entwickelte spezielle Schaltkreise, die nichts anderes tun, als zu hashen, also Hash-Werte der einzelnen Blocks zu berechnen. Man nennt diese speziellen Chips auch ASICs („Application-Specific Integrated Circuits“).

Spezielle Maschinen, die im Wesentlichen aus Lüftungseinheiten bestehen, denn sie werden sehr heiß, aus großen Netzteilen, denn sie brauchen viel Strom und eben kleinen ASIC-Chips, die nichts anderes tun als rechnen, rechnen, rechnen. Hashen, hashen und wieder hashen. Mega-, Giga- und Peta-Hashes hashen. Irgendwann, in naher Zukunft werden die Wörter „Hash“ und „hashen“ sicher in den Duden aufgenommen — aber das nur am Rande.

All die Miner rund um die Welt stehen international im Wett-bewerb und nehmen im Prinzip an einer Lotterie teil, die alle zehn Minuten eine Ziehung vorsieht. Einer findet in diesen zehn Minuten die richtige Zahl, die richtige Nonce und gewinnt. Das ist das einfache Prinzip des Minings bei Bitcoin.

Grund für dieses doch komplizierte Vorgehen bei der Umsetzung des einfachen Prinzips, ist es, das Netzwerk an sich zu sichern, damit niemand Daten immer wieder überschreiben und damit ändern und fälschen kann. Dieser Mining-Prozess dient sozusagen als Bremse und gleichzeitig auch der Schöpfung neuer Bitcoins. Man hat den Begriff „Mining“ gewählt, weil man (wie beim Gold) durch schürfen, durch Arbeit neues „Gold“ findet. Der Begriff Mining ist ein bisschen unglücklich gewählt, wenn man es zum ersten Mal hört, aber wenn man den Prozess erst einmal verstanden hat, dann macht diese Analogie durchaus Sinn.

Je mehr Hash-Power, desto mehr Chancen

Nun ist es natürlich logisch — wie bei einer üblichen Lotterie auch — dass derjenige, der mehr Lose besitzt, über höhere Gewinn-chancen verfügt. Jeder hat zwar die gleiche Chance, aber statistisch ist die Chance höher, wenn man mehr Lose besitzt oder im Netz-werk, über mehr Hash-Power verfügt, also mehr Berechnungen durchführen kann, um den richtigen Wert vor allen anderen zu erraten.

Deshalb herrscht hier ein weltweiter Wettbewerb, um die schnell-sten Miner, die meisten Miner und die besten Standorte, an denen Strom günstig ist. China hat dort die Nase vorne, aber andere Länder wie Deutschland, Island und auch die USA kämpfen ständig um mehr Leistung, mehr Rechenpower und Standorte mit billigeren Stromangeboten. Mining-Farmen direkt an einem Wasserkraftwerk stationiert, sind in China und auch in USA zu finden.

Erste Ideen, erneuerbare Energien wie Solar oder Windkraft zu nutzen, deuten sich auch in Europa an. Russland scheint sich strategisch für Mining zu interessieren und es kann sein, dass der Wettbewerb um die Belohnung tatsächlich noch breiter wird. Das ist das Beste was dem Bitcoin-Netzwerk passieren kann, denn je mehr Zeugen eine Transaktion bestätigen, desto sicherer ist es.

Das ist im Grunde alles eine einfach Profitrechnung. Nehmen wie einmal an, ein Miner, also ein solch spezialisierter Computer, braucht 1.200 Watt pro Stunde. Er soll natürlich 24 Stunden an jedem Tag des Jahres laufen und hashen. Das sind 1,2 Kilowatt-stunden mal 24 Stunden mal 30 Tage im Schnitt pro Monat. Zusammen also 864 Kilowattstunden pro Monat.

Eine Kilowattstunde kostet in Deutschland circa 28 Eurocent. Dann kostet der Betrieb eines Miners pro Monat ungefähr 241 Euro alleine an Strom. Dazu kommt noch die Anschaffung und natürlich der Standort, denn irgendwo müssen die Dinger ja aufgestellt werden.

Die entscheidende Komponente der Berechnung der Rentabilität ist natürlich auch die Hash-Power, die ein Miner zur Verfügung hat, und vor allen Dingen, wie viel Hash-Power das im Verhältnis zu dem gesamten Miner-Netzwerk von Bitcoin ist. Wenn der Miner also zum Beispiel 13.000,0 GH/s hat (S9 Antminer) und es einer von zwei identischen Minern auf der ganzen Welt ist, dann kann man davon ausgehen, dass jeder zweite Block im Durchschnitt berechnet wird, den die Nodes annehmen und den sie an die Blockchain anhängen.

Das bedeutet, dass man, bei einem Block alle zehn Minuten, drei Blocks pro Stunde findet und der andere Miner auch drei Blocks pro Stunde errechnen wird. Für jeden Block erhält man eine Belohnung von 12,5 Bitcoins (bis 2020, dazu später mehr). In einem Monat addiert sich das auf drei Blocks pro Stunde mal 24 Stunden mal 30 Tage ist gleich 2.160 Belohnungen zu 12,5 Bitcoins ist gleich 27.000 BTC.

Juhu. Man wird reich! Sehr reich! Furchtbar reich! Denn immerhin wird ein BTC zu 9.000 Euro gehandelt (im Dezember 2017). Wenn man also einen von insgesamt zwei Minern betreibt und damit 50 Prozent der gesamten Hash-Power des Bitcoin-Netzwerks, dann erhält man bei rund 250 Euro Stromkosten stolze 243 Millionen Euro als Belohnung. Wow — das ist ein Geschäft! Aber wo ist der Haken?

Mit Bitcoin reich werden

Nun, der Haken ist schnell gefunden, wobei er nicht in der Mathematik selbst steckt. Die ist korrekt — wie immer im Bitcoin-Netzwerk, bei einfachen und auch sehr komplexen Formeln.

Nein, die Annahme, dass man mit einem Miner über 50 Prozent der gesamten Rechenleistung, der gesamten Hash-Power verfügen kann, ist natürlich Utopie. Tatsächlich beträgt die gesamte Hash-Power im Bitcoin-Netzwerk 12.253.664 TH/s (30.11. 2017).

Man verfügt also tatsächlich nur über etwa 1/1.000.000 der Hash-Power. Zur Vereinfachung kann man nun den gesamten Monats-ertrag von 243 Millionen Euro durch 1 Million teilen, um in etwa zu errechnen, was ein Miner an Belohnung erhalten kann: 243 Euro! Jetzt rechnet sich das Ganze schon nicht mehr so gut, wenn man 28 Cent pro Kilowatt Stromkosten bezahlen muss. Da bleiben gerade mal 2 Euro über.

Deshalb suchen die Mining-Firmen auch billigen Strom, denn die Rechnung sieht gleich ganz anders aus, wenn man nur 5 Cent pro Kilowattstunde zahlen muss oder gar noch weniger. Industriestrom in den USA gibt es zum Beispiel im Staat Washington an der Westküste an einigen Standorten für 2,8 Cent pro Kilowatt. Dann zahlt man nur rund 25 Euro pro Monat für Strom und es bleiben über 200 Euro im Monat über. Da wundert es nicht, dass genau dort Mining-Farmen aufgebaut werden.

Mining hat neben den reinen Stromkostenrechnung natürlich auch noch einige andere Komponenten, die den Ertrag und die Leistungsfähigkeit beeinflussen und die mit berücksichtigt werden müssen. Die Raumtemperatur spielt eine Rolle, die Verbindungs-kabel, die Toleranz der Chips und vieles anderes. Dazu kommt, dass die Miner auch nur Computer sind und wie bei einem gewöhn-lichen Computer fallen Teile aus. Je heißer die Dinger werden, desto leichter kann das passieren. Je heißer es im Raum ist, desto schneller laufen die Miner heiß.

Alles in allem ist Mining inzwischen etwas für Experten und zu Hause minen ist selten lukrativ, auch wenn es immer wieder Angebote von irgendwelchen Leuten gibt, die vorgaukeln, das Mining zu Hause der Weg ist, um reich zu werden. Dazu und mit welchen Tricks man noch hereingelegt werden kann, später mehr. Da gibt es noch viel mehr als windige Mining-Angebote.

Das Ende des Rennens

Das Rennen um einen Block ist sofort vorbei, wenn ein Miner den Block errechnet hat und an das Netzwerk versendet hat. Innerhalb von Sekunden wissen das dann auch alle anderen Miner und hören mit eigenen Berechnungen umgehend auf. Allerdings nur, um sofort den nächsten Block zu bauen und zu berechnen. Wenn also Block 6 als gelöst ankommt, nehmen sie wieder neue Transaktionen aus dem Pool, nehmen den Hash-Wert von dem nun gefundenen Block 6 und beginnen unverzüglich Block 7 zu berechnen, in der Hoffnung dieses Mal derjenige zu sein, der den Block 7 findet und damit auch derjenige zu sein, der die jeweilige Belohnung erhält. Eine rasante, mathematische Lotterie.

Wie schon vorstehend erwähnt suchen die Miner immer weiter nach günstigen Stromquellen und immer mehr Miningfabriken, die man als mining farms bezeichnet, werden ans Netz angeschlossen. Sehr viel mehr. Während der bisherigen Spitze errechneten spezialisierte Miner 180.666 Exahashes pro Sekunde. Das ist eine Zahl mit 30 Nullen!

180.666.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 Berechnungen pro Sekunde!

Natürlich wird auch bei den neuesten Mining-Chips neue Technologie eingesetzt und der oben erwähnte S9 Miner, der, auch heutiger Sicht, lächerliche 13.000 Giga-Hash berechnen kann, rechnet sein Nachfahre, der Antminer S19 schon 110 Terra-Hashes - sehr deutlich mehr. Der S19 kostet rund 6.000 Euro im August 2021, ist aber leider nicht immer lieferbar.

Die individuelle Rechenkapazität der Miner steigt also und zudem werden immer mehr Miner rund um die Welt an Netz genommen. Auf Basis von Hochrechnungen kann man annehmen, dass über 1 Million Miner jede Sekunde die neuen Blocks von Bitcoin berechnen.

Das ist enorm und es stellt sich die Frage, ob des irgendeinen Sinn ergibt. In der Tat ergibt das sehr viel Sinn, wie Sie später noch erleben werden. Tatsächlich ist es so, dass je mehr Miner an einem Block herumrechnen, die Manipulationssicherheit der Bitcoin Blockchain steigt, genau wie die Stromkosten und gerade das zu einer besseren Umweltbilanz führt.

Das ist scheinbar widersprüchlich, kann aber leicht erklärt werden, weil die Miner, die mit grünem Strom arbeiten natürlich sehr viel profitabler sind. Deshalb können die Betreiber noch mehr Miner anschließen. Das wiederum führt zu schlechteren Auszahlungs-quoten für die bestehenden Miner, die nach und nach unprofitabel werden.

Wenn sie also nicht günstiger produzieren, sprich weniger für die verbrauchte Kilowattstunde zahlen, wird das Mining für sie ein Verlustgeschäft. Niedrigere Stromkosten kann man aber nur erzielen, wenn man alternative Energien einsetzt, was letztlich das Ziel ist.

Bitcoin beweist auch hier erneut, dass die bisher als alternativlos geglaubten Marktgesetze auch anders, nämlich durchaus positiv für die Umwelt wirken. War bisher die politische Meinung, dass Mas-senproduktion und Wachstum nur durch mehr Energieverbrauch und leider unvermeidliche Umweltschäden erreicht werden kann, beweist Bitcoin, dass man mit grüner Energie sehr wohl mehr Wohlstand erzeugen kann.

Inflation in der Bitcoin-Blockchain

Dieses Rennen wird immer wieder neu gestartet. Im Durchschnitt alle zehn Minuten. Ein ewiger Kreislauf — Stunde für Stunde, Tag für Tag, Monat für Monat und jahrein, jahraus.

Das bedeutet aber auch, dass alle zehn Minuten 50 neue Bitcoins entstehen. Hierfür hat man sich, für die Beschreibung des Vor-gangs, wie zuvor schon angemerkt, an die Terminologie der Welt des Goldes angelehnt. Gold wird in Minen abgebaut oder auch geschürft. Dadurch wird die auf der Welt verfügbare Goldmenge größer.

Durch die speziellen Rechner im Bitcoin-Netzwerk, die man Miner nennt, werden quasi neue Bitcoins geschürft. Daher kommt der Name Miner und man spricht im Deutschen tatsächlich von „schürfen“ und im Englischen von „mining“. Im Nachhinein ist man immer schlauer, aber man muss nun mit diesem, doch eher unglücklichen Begriff leben.

Allerdings besteht zu Gold ein wesentlicher Unterschied: Während man nicht wissen kann, wie viel Gold tatsächlich auf der Welt geschürft werden kann, weiß man ganz genau, wie viele Bitcoins jemals geschürft werden können. Im Kernalgorithmus ist festgelegt, dass 21 Millionen Bitcoins die maximale Anzahl von Bitcoins sind, die jemals geschürft oder vom System ausgegeben werden können. Also, 21 Millionen Bitcoins und das war’s.

Es gibt also nur eine genau definierte Menge von Bitcoins und sie sind deshalb nur begrenzt verfügbar. Alles, was begrenzt verfügbar ist, ist wertvoll. Das weiß man von Edelmetallen wie Gold oder Silber und auch von anderen wertvollen Materialien wie Diamanten oder seltene Erden. Das gleiche gilt für Kunst, für Gemälde und sogar für Fehldrucke bei Briefmarken, wie zum Beispiel der berühmten „Blauen Mauritius”. Begrenzte Verfügbarkeit verleiht etwas einen Wert — natürlich nur, wenn auf der anderen Seite eine entsprechende Nachfrage besteht.

Die Ausgabe von Bitcoins ist genau vorhersagbar

Der Kernalgorithmus definiert aber nicht nur die Obergrenze, sondern auch, wie viele Bitcoins, wann ausgegeben werden. Das begann im Jahr 2009 mit 50 Bitcoins pro Block. Etwa alle vier Jahre kommt es nun automatisch zum sogenannten „Halving“, der Halbierung der Ausschüttung. Konkret bedeutet das, dass seit dem Sommer 2012 nur noch 25 Bitcoins pro richtig berechnetem Block ausgeschüttet wurden. Im Sommer 2016 waren es dann auf einmal nur noch 12,5 Bitcoins und seit Sommer 2020 sind es 6,25 Bitcoins pro richtig errechnetem Block. Das nächste Halving steht für den Sommer 2024 an. Dann wird der im Englischen „mining reward“, also die Belohnung der Miner, auf 3,125 Bitcoin pro Block reduziert wird. 2028 dann wieder und dass so lange, bis ganz knapp vor 21 Millionen im Jahr 2140.

Das hat natürlich zur Folge, dass die restliche Menge der maximal 21 Millionen viel langsamer ausgeschüttet beziehungsweise ge-schürft werden kann. Gerade die begrenzte Menge und die lang-same Verfügbarkeit von Bitcoins machen Bitcoin als Wertespeicher so wertvoll.

Genau wie bei Gold, in dessen Fall es immer schwieriger wird, größere Lager zu finden und die gefundenen Lager immer schwerer zu bearbeiten sind. Deshalb behält Gold seinen Wert.

Euro und Dollar sind nicht knapp

Im Gegensatz dazu stehen unsere heutigen Währungen wie der Dollar, der Euro, das britische Pfund und der Yen. Dort besteht keine Knappheit und selten sind sie auch nicht. Ganz im Gegenteil, sie werden von den Regierungen vorsätzlich inflationiert und verlieren dadurch an Wert. Eine Inflation, die durch die Politik zentral herbeigeführt wird und alle immer ärmer macht. Inflation ist auch eine Auswirkung eines zentralen Systems. Näheres dazu im Kapitel über Geld.

Bitcoin ist die Antwort auf Inflation. Er kann tatsächlich, je intensiver er als Zahlungsmittel eingesetzt wird, noch stabiler als Gold werden. Kein Mensch weiß, wie viel Gold noch geschürt werden kann. Morgen schon könnte eine große Goldader entdeckt werden und bewirken, dass der Preis von Gold ins Bodenlose stürzt. Auch durch die Weltraumforschung besteht die potenzielle Gefahr, dass Gold im Weltall gefunden wird oder im Dauervakuum hergestellt werden kann.

Wenn der Traum der alten Alchemisten, das Edelmetall künstlich herzustellen, wahr werden sollte, würde Gold über Nacht wertlos. Das kann Bitcoin nicht passieren, denn das System ist, wie hier beschrieben, so in sich abgesichert, dass es keine Möglichkeit gibt, weitere Bitcoins zu generieren, zu erzeugen oder zu fälschen.