Comprendre le minage de Bitcoin par la preuve de travail

Je vous souhaite la bienvenue dans le monde étrange et ténébreux de la blockchain et des fameuses crypto-monnaies. Entre révolution technologique et produit financier ultra spéculatif, les crypto-monnaies sont au cœur de tous les débats depuis quelques temps. D’autant plus depuis qu’on se préoccupe activement des problématiques environnementales.

Mais est-ce que tout ce brouhaha est justifié ?

Si vous souhaitez avoir la réponse à cette question, je vous invite à consulter le second article qui sera disponible le 20 Octobre sur le blog Ippon. Mais il est réservé à un public averti, alors si vous ne l’êtes pas, je vous recommande de commencer par celui-ci.

Comme nous l’a parfaitement expliqué Victor dans son premier article Des origines de la monnaie à Bitcoin, Bitcoin semble être une évidence pour répondre aux problématiques monétaires auxquelles nous faisons face actuellement. Mais au-delà de l’utilité du Bitcoin, qui peut tout à fait être contestée, il faut comprendre comment sont émis de nouveaux bitcoins via le minage (sa création monétaire en quelque sorte) pour être capable de se faire un avis sur la justification, ou non, de sa consommation électrique. Car oui, juger sans connaître revient à rejeter sans comprendre, et c’est malheureusement trop souvent le sort qui est réservé au Bitcoin.

Bien évidemment, d’un point de vue spéculatif, désolé de vous décevoir mais je ne donnerai aucun conseil en investissement ni même mon avis sur le sujet, ce n’est absolument pas l’objectif de cet article.

Maintenant que nous savons de quoi nous allons parler, je vous propose un menu en 4 temps afin de démystifier le minage de Bitcoin, la première blockchain à intégrer un mécanisme de consensus (via la preuve de travail) et une difficulté de minage élastique. Ne vous inquiétez pas, nous allons revenir sur ces notions tout au long de l’article.

Voici ce que je vous propose au menu du jour :

  • Apéritif : Origines du minage sur son lit d’histoire
  • Entrée : Utilité du minage, copeaux de technicité
  • Plat : Récompenses de minage et son duo Hashrate/Difficulté
  • Dessert : Mineurs du monde entier, sauce pool de minage

Origines du minage sur son lit d’histoire

Pour les personnes qui découvrent l’univers des cryptos vous devez sûrement vous demander ce que j’entends par “minage”, laissez-moi vous expliquer.

Celui qui nous intéresse aujourd'hui est le minage de bitcoin, la première Blockchain créée et bientôt l'une des rares dont son minage provient du Proof Of Work (ou Preuve De Travail dans la langue de Molière).

Donc à l’origine, il n’existait pas de Bitcoin, voyez un peu ça comme avec l’or. On sait qu’il y a un gisement mais il faut creuser pour l’extraire, sauf qu’avec Bitcoin pas besoin de pioche : il faut de la puissance de calcul.

Utilité du minage, copeaux de technicité

Le minage sert avant tout à assurer la sécurité du réseau Bitcoin qui est un réseau pair-à-pair, c'est-à-dire qu’il n’y a aucune unité centrale qui sert d’intermédiaire (comme une banque par exemple). Cela implique donc que lorsque l’on souhaite effectuer une transaction entre deux individus via le réseau Bitcoin, il n’y a pas d’unité centrale qui valide si la transaction peut s’effectuer ou non. Au lieu de cela, chaque nœud du réseau (n’importe qui pourvu d’une connexion internet, d’une adresse IP et d’espace de stockage) va stocker tout l’historique des transactions réalisées sur la blockchain en question et sera donc en mesure de valider les transactions soumises au réseau. Inutile de compliquer les choses en vous listant les différents types de nœuds existants et leurs spécificités, retenez seulement l’aspect décentralisé du consensus de validation qui assure la sécurité du réseau.

Revenons à notre minage, qui est donc la méthode de consensus choisie pour sélectionner les nouvelles transactions qui vont être ajoutées au registre partagé : la blockchain. Nous le verrons plus tard, mais pour faire simple : l'objectif est de mettre en compétition les différents mineurs du réseau en promettant une récompense. Ainsi on évite qu'une majorité de mineurs se mettent d'accord pour ajouter des transactions frauduleuses.

Mais que font ces mineurs concrètement ?

Armés de machines, ils doivent résoudre un calcul mathématique complexe nécessitant beaucoup de puissance de calcul afin de pouvoir être choisi comme validateur du bloc en cours et sécuriser la Blockchain. C’est exactement cette opération qui est très énergivore et souvent critiquée lorsqu’on parle du minage de Bitcoin. Je ne vais pas vous détailler ce calcul ici mais en gros le mineur va essayer une multitude de possibilités jusqu’à potentiellement trouver le résultat. Une fois le résultat trouvé, il est proposé aux autres mineurs qui valident si le résultat est bon. Bien que le résultat soit très difficile à obtenir, il est très simple de vérifier s’il est juste.

Si l’on devait faire une comparaison, on demande aux mineurs de créer une clé pour un coffre sans avoir aucune connaissance du mécanisme. Ils doivent en créer des milliards jusqu'à tomber sur la bonne clé. Et ce qui est pratique avec ce système c’est que n’importe qui peut vérifier à son tour que la clé est la bonne en tentant d’ouvrir la porte à son tour. Ce processus permet de créer une véritable compétition entre les mineurs qui s’apparente plutôt à du minage “à l’aveugle” : les mineurs savent ce qu’ils cherchent mais creusent les yeux bandés. Théoriquement, n’importe quel mineur peut trouver le gisement et gagner la récompense mais plus on a la capacité à effectuer cette recherche, plus on a de chance de gagner.

En ce qui concerne les transactions, elles sont regroupées en blocs de 1 Méga Octet toutes les 10 minutes. Dès qu’un bloc est “terminé” (qu’il soit rempli ou pas), on passe à celui d’après et le bloc précédent est inscrit à jamais dans la blockchain.

Un bloc, c’est tout simple : c’est un registre dans lequel on vient enregistrer les transactions effectuées sur la blockchain. Chaque bloc est ajouté à la blockchain toutes les 10 minutes, on dit aussi miné.  Ils contiennent une série de transaction et sont reliés à leur bloc parent par une signature mathématique correspondant au bloc précédent. Cela crée une suite de blocs de transactions ordonnés dans le temps. Pour les curieux, c’est un arbre de Merkle qui fait le lien entre chaque bloc. Un bloc contient deux parties :

  • le header, constitué de l’horodatage (timestamp) de la création du bloc, d’une référence au bloc précédent (hash) et la racine de l’arbre de Merkle du bloc de transactions (pas besoin de retenir tout ça, c’est pour la culture),
  • la partie centrale (celle qui nous intéresse), qui contient la liste des transactions.

Et voilà, vous savez comment on sécurise une blockchain (dans les grandes lignes) !

Si vous êtes curieux, vous pouvez aller faire un tour sur ce site web qui permet d’explorer les différents blocs de Bitcoin : https://www.blockchain.com/explorer?view=btc

Et pour les plus curieux qui se demandent s’il est possible de corrompre une blockchain : la réponse est oui, mais ce n’est pas aussi simple que ça. La seule façon de la corrompre serait une attaque à 51%, c’est-à-dire que quelqu’un obtiendrait 51% de toute la puissance de calcul disponible sur le réseau et pourrait insérer des transactions frauduleuses, etc. Mais soyons réaliste, cela est quasi impossible, il faudrait une puissance de calcul presque infinie (un coût d’environ 48 milliards de dollars en Octobre 2022) et dès lors que la blockchain est corrompue, le Bitcoin perdra sa valeur et l’attaquant sera juste ruiné. Sans oublier le fait qu’il faudrait maintenir cette infrastructure et cela engendrerait  à nouveau des coûts colossaux. Enfin, la pénurie de machines disponibles sur le marché empêche littéralement l’acquisition de suffisamment de machines pour prendre le contrôle du réseau.

Mais alors pourquoi dépenser de l’énergie et vouloir sécuriser la blockchain ?

Récompenses de minage et son duo Hashrate/Difficulté

Et bien c’est ici qu’interviennent les fameuses récompenses de minage. Si un mineur trouve le résultat, il valide un bloc et se voit donc verser une récompense, dans la crypto-monnaie native de la blockchain en question : le Bitcoin.

Aujourd’hui la récompense est de 6,25 BTC par bloc, mais sachez que ça n’a pas toujours été le cas. À l’origine, un mineur recevait 50 BTC par bloc, puis 25 en 2012, puis 12,5 en 2016 et donc 6,25 depuis 2020. On parle ici de Halving (division par 2) et le prochain aura lieu en 2024, réduisant la récompense à 3,125 BTC par bloc.

Bitcoin Halving


Je ne vais pas insister sur l’intérêt du halving mais voyons rapidement à quoi il sert. Etant donné que la quantité totale de Bitcoin qui sera minée est fixe (21 millions), ce halving permet de diminuer les récompenses de minage afin que l'intégralité des BTC ne soit pas minés trop rapidement. Bien évidemment la blockchain ne va pas s’arrêter une fois que tous les Bitcoins seront minés, mais c’est un moyen de distribuer les Bitcoins de façon uniforme et de maintenir de la liquidité. Cela a permis au début de décentraliser le réseau en mettant en concurrence les mineurs du monde entier, rendant le réseau plus résilient. Il faut vraiment voir ça comme de l’or dont la quantité est limitée sur Terre et qu’on estime pouvoir un jour avoir trouvé tout l’or sur Terre, du moins la majeure partie. On estime que le dernier Bitcoin sera miné en 2140.

Après le dernier Bitcoin miné, ce ne sera pas là fin pour autant. Il faudra toujours créer de nouveaux blocs pour inscrire les nouvelles transactions faites sur le réseau. Pour rémunérer les personnes qui s’en occupent, il y aura toujours des personnes qui seront récompensées comme c’est le cas aujourd’hui avec les frais de transaction pour inciter des personnes à faire ce travail (avec leurs machines).

Bon, maintenant que nous savons pourquoi les mineurs ont intérêt à miner et dépenser de la puissance de calcul, vous devez peut-être vous poser la question suivante : si tout le monde se met à miner avec de plus en plus de puissance de calcul, et que quelqu’un effectue le fameux calcul plus rapidement que les 10 minutes prévues initialement, qu’est-ce qui se passe ?

Et bien je vais vous l’expliquer et pour ça il faut comprendre le hashrate et la difficulté.

Le hashrate est la mesure utilisée par les mineurs pour exprimer la puissance de calcul nécessaire pour résoudre l’un de ces calculs mathématiques complexes. Plus votre hashrate est élevé, plus vous avez de chance de trouver la solution du problème avant les autres et ainsi de remporter la récompense. On peut voir juste ici le hashrate mondial et son évolution, on voit que globalement il ne fait qu'augmenter.

Cette évolution est logique, le Bitcoin se démocratise et s’il est fait intelligemment, le minage est très rentable. Mais si on en revient à notre question, comment se fait-il que le temps pour miner un bloc ne diminue pas ?

C’est la difficulté qui entre en jeu, elle représente la difficulté pour résoudre le calcul et donc pour toucher la récompense de minage. Si on reprend notre comparaison de la clé et de la serrure, augmenter la difficulté revient à augmenter la longueur de la clé à trouver. Vu que le système est extrêmement bien pensé, plus le hashrate augmente, plus la difficulté va également augmenter afin de maintenir un temps entre chaque bloc miné de 10 minutes. Je vous mets cette fois-ci le graphique de la difficulté et vous pourrez constater qu’il est complètement corrélé à celui du hashrate.

https://www.blockchain.com/explorer/charts/hash-rate

Et là vous pouvez me demander pourquoi est-ce qu’on augmente la difficulté et on maintient artificiellement la durée entre chaque bloc miné à 10 minutes ? Il n’y a pas de raison définie mais pour moi l’une des plus pertinentes est la suivante :

Maintenir une durée de 10 min entre chaque bloc permet de propager le nouveau bloc à l’ensemble des nœuds du réseau et ne pas créer de conflit. Avec le réseau informatique de l’époque, ces 10 minutes se sont avérées être la durée la plus pertinente pour laisser une information être disponible sur toute la surface de la Terre.

Maintenant qu’on a compris comment tout cela fonctionne, peut-être que vous avez trouvé cela génial et que vous voulez commencer à miner du Bitcoin ? Je vous propose donc d’explorer les solutions pour miner et comment s’y prendre de nos jours.

Mineurs du monde entier, sauce pool de minage

Théoriquement, n’importe qui peut miner du moment qu’il a un ordinateur et donc de la puissance de calcul. Mais ce n’est pas aussi simple, aujourd’hui il existe des machines spécifiquement prévues (des ASICs) pour miner des crypto-monnaies et leur puissance de calcul est bien plus élevée que n’importe quel ordinateur mais surtout, elles sont beaucoup moins énergivores à puissance équivalente car prévues pour.

Bitcoin étant un réseau décentralisé, n’importe qui dans le monde peut contribuer au réseau et devenir un mineur, c’est toute la beauté du concept. Mais j’ai oublié un détail très important, même si vous minez dans votre coin avec vos ASICs vous êtes obligés de rejoindre un pool de minage pour espérer miner de façon rentable. Je m’explique :

Je vous avais dit qu’un seul mineur touche la récompense à chaque bloc, donc les autres mineurs ne touchent théoriquement rien. On a donc créé des pools de minage qui sont tout simplement un regroupement de mineurs qui unissent leur puissance de calcul pour augmenter leur chance de toucher la récompense. Si celle-ci est obtenue, elle est ensuite divisée selon la puissance de calcul fournie par chacun au pool.

Par exemple, si vous représentez 10% de la puissance du pool et que votre pool empoche la récompense, vous touchez donc 10% des 6,25 BTC soit 0,625 BTC.

Maintenant, si vous êtes convaincus de vouloir miner du Bitcoin, vous avez plusieurs solutions :

Acheter un Asic et commencer à miner chez vous à condition de pouvoir isoler votre machine. Car oui, ça chauffe beaucoup ! Je ne vais pas rentrer dans les calculs savants pour savoir si vous serez rentables, mais pour information en France, le coût du KWH est autour des 0,20€ le kWh (c’est très cher). Donc concrètement, à ce prix il est déconseillé de miner du Bitcoin car cela n’est pas du tout rentable.

Pour comprendre la notion de rentabilité du minage, il faut comprendre qu’un mineur, de manière générale, vend au fur et à mesure ses BTC minés car il paye cher en électricité. Pour vous donner un ordre de grandeur, une machine comme un Antminer S19 PRO à presque 8000€ pièce qui consomme 3250W vous coûtera 14€ par jour environ rien qu’en électricité. Avec un BTC à 20k$ vous générez environ 9€ par jour donc vous perdez 5€ par jour.

Là normalement vous devriez avoir une idée qui vous vient : miner du BTC est intéressant que si l’on ne paye son électricité pas chère, sinon c’est impossible.

Sinon, vous pouvez faire appel au Cloud Mining, c’est-à-dire de payer une société qui héberge une ferme de minage (plein de machines regroupées comme un data center pour miner en masse) et en échange elle vous reverse une partie des cryptos minées. Il existe de nombreuses sociétés qui proposent ces services mais la plupart sont en rupture de stock.

Mais au final ce que vous devez retenir c’est qu’il est assez difficile de miner actuellement, la plupart des machines sont en rupture de stock et même les fournisseurs de cloud mining ne sont plus en capacité d’absorber la demande.

To be continued…

Toute bonne dissertation se doit de finir par une synthèse et une ouverture. Je vous propose de commencer par une petite synthèse puis d’ouvrir sur la problématique centrale du Bitcoin : la consommation électrique.

La sécurisation du réseau Bitcoin s’appuie sur la preuve de travail, elle consiste à sécuriser la blockchain via le minage qui récompense des groupes de mineurs en crypto-monnaies : le Bitcoin. Les mineurs ont besoin de beaucoup de puissance de calcul, d’où l’utilisation de machines prévues à cet effet : les Asics (pas la marque de chaussure). Ces machines sont conçues spécifiquement pour le minage de crypto-monnaies, elles sont donc très puissantes et plus efficientes pour effectuer cette tâche précise que n’importe quel ordinateur ordinaire.

Mais tout cela a un coût, un coût énergétique.

Et oui, ces machines, bien que très efficientes, consomment énormément d’électricité. Si je devais faire la même comparaison que la plupart des médias qui parlent de Bitcoin, je vous dirai que la consommation électrique du réseau Bitcoin représente environ celle des Pays-Bas. Mais je n’irai pas plus loin dans la comparaison, car à mon sens elle est dépourvue de tout intérêt.

Je suis désolé de vous laisser en si bon chemin, mais nous allons nous arrêter ici…

Mais pas de panique, la suite dans seulement deux petits jours sur le blog Ippon.

Et pour vous teaser un petit peu, je vous annonce le menu de la suite :

  • Entrée : Consommation électrique du Bitcoin saupoudrée d’une étude chiffrée
  • Plat : Comparaison avec la consommation des systèmes de paiements actuels
  • Dessert : Pièce montée d’écologie, fourrée à la pollution
  • Digestif : Solution issue de l'agriculture biologique 100% française