暗号資産マイニングとその仕組み

要点

• 暗号資産マイニングとは、ブロックチェーントランザクションの秩序と検証に関するプロセスの重要な部分を指します。また、マイニングは、暗号資産の新しい単位を作成する役割も担っています。

• マイナーが行う作業には大規模な計算能力が必要となる一方、これこそがブロックチェーンネットワークの安全性を維持するカギとなっています。

• マイナーは保留中のトランザクションの収集とブロックとしての整理を行い、これを該当のネットワークにブロードキャストします。ブロックが検証ノードにより承認されると、マイナーはブロック報酬を受け取ります。

• 暗号資産マイニングの収益性は、ハードウェア効率、電気代、市場のボラティリティ、ブロックチェーンプロトコルにおける変更などの要因により決定されます。

暗号資産マイニングとは？

各暗号資産トランザクションが記録されるグローバルなデジタル台帳があると仮定します。同台帳の正確性と安全性を保つのが、マイニングとなります。マイナーは専用コンピューターを用いて計算問題（数字の推測）を解くことにより、保留中のトランザクションの整理と確認を行います。最初に計算問題を解いたマイナーには、暗号資産による報酬が付与されます。

暗号資産マイニングは、ビットコイン（BTC）などの暗号資産の安全性を確保するプロセスの1つです。ユーザーのトランザクションを検証し、ブロックチェーンの公開台帳に追加するために行われるのがこのプロセスです。マイニングは、ビットコインネットワークを分散化するための重要な要素の1つであり、中央集権型機関を介さずに機能します。

マイニング作業は、トークン（コイン）の供給量を増やす役割も担います。単純な通貨の印刷を連想させる言葉であるものの、暗号資産マイニングは、同プロセスを管理および新しいトークン（コイン）の恣意的な作成を回避するハードコード化された一連のルールに基づき実施されます。こうしたルールは基盤となるプロトコルに組み込まれており、ノードの分散型ネットワークにより守られています。

新しい暗号資産を生成（発行）するに当たり、マイナーはその計算能力を使用し、暗号化された複雑な計算問題を解きます。最初に計算問題を解いたマイナーには、ブロックチェーンに新しいトランザクションブロックを追加し、ネットワークにブロードキャストする権利が与えられます。

マイニングの仕組み

要約

1. トランザクションのブロックとしてのグループ化：暗号資産が送受信されると、処理待ちのトランザクションは承認を待つ「ブロック」にグループ分けされます。

2. マイナーによる計算問題の解読：マイナーは、コンピューターを使用してノンスと呼ばれる特別な数字を推測し、これをブロックデータと組み合わせて特定の目標数字を下回る結果を生成します。このプロセスは、パズルを解いて的中を目指すデジタル宝くじと言えます。

3. ブロックチェーンへのブロック追加：
最初にパズルを解いたマイナーは、ブロックチェーンにそのブロックを追加することができます。他のマイナーは、当該ブロックの有効性を確認します。

4. 報酬の獲得：
計算門diaを最初に解いたマイナーは、新規作成された暗号資産、並びにマイニングを担当したブロックからのトランザクション手数料を含む報酬を獲得できます。

丁寧な回答

新しいブロックチェーントランザクションが作成されると、同トランザクションがメモリプール（またはmempool）と呼ばれるプールに送信されます。検証ノードは、トランザクションの有効性を検証する役割を担います。マイナーの役割は、保留中のトランザクションの収集とブロックごとのまとまりへの整理となります。マイナーの一部は検証ノードも併せて運用するケースもあるものの、マイニングノードと検証ノードは技術的には異なります。

ブロックとはブロックチェーン台帳の1ページであり、同ページには複数のトランザクションが（他のデータと併せて）記録されていると捉えることができます。具体的に、マイニングノードは、メモリプールから未確認のトランザクションを収集し、候補ブロックに組み入れる役割を担っています。

その後、マイナーはこの候補ブロックを承認済みブロックに変換します。これを行うには、マイナーは、多くの計算能力を必要とする複雑な数学的問題を解く必要があります。その対価として、マイニングに成功したブロックごとに、マイナーは新しく生成された暗号資産とトランザクション手数料で構成されるブロック報酬を受け取ります。これについて、さらに詳しく見ていきましょう。

手順 1：トランザクションのハッシュ化

ブロックのマイニングにおける最初の手順では、メモリプールから処理待ちのトランザクションを取り出し、ハッシュ関数を使用して同トランザクションを1件ずつ提出します。該当のデータがハッシュ関数を介するごとに、ハッシュと呼ばれる一定のサイズの出力が生成されます。

マイニングでは、各トランザクションのハッシュは識別子として機能する数字と文字列で構成されています。トランザクションハッシュは、そのトランザクションに含まれるすべての情報に相当します。

マイナーは、各トランザクションを個別にハッシュ化してリストアップするほか、カスタムトランザクションを追加してブロック報酬を自身に送信します。コインベーストランザクションと呼ばれるこのトランザクションにより、新規トークン（コイン）が作成されます。大抵のケースでは、このトランザクションは新規ブロックの最初に記録され、それ以降に承認待ちの処理待ちトランザクションのグループが記録されます。

手順 2：マークル木の作成

各トランザクションがハッシュ化された後、ハッシュはマークル木（またはハッシュツリー）と呼ばれるものに編成されます。マークル木は、トランザクションハッシュをペアに編成し、これらをハッシュ化することにより生成されます。

その後、新しいハッシュはペアごとに整理・再ハッシュ化され、単一のハッシュが作成されるまでこのプロセスが繰り返されます。この最後のハッシュは、ルートハッシュ（またはマークルルート）と呼ばれ、基本的に当該ハッシュを生成するために使用された以前のすべてのハッシュに相当するハッシュとなります。

手順 3：有効なブロックヘッダー（ブロックハッシュ）を求める

ブロックヘッダーは個々のブロックの識別子として機能するもので、各ブロックには固有のハッシュが付随します。新しいブロックを生成する際、マイナーは前のブロックのハッシュと候補ブロックのルートハッシュを組み合わせて、新しいブロックのハッシュを生成します。また、ナンスと呼ばれる任意の数値を追加する必要があります。

このため、候補ブロックの確認を試みる際、マイナーはルートハッシュ、以前のブロックハッシュ、ノンスを組み合わせ、これらすべてにハッシュ関数をかける必要があります。有効なハッシュを作成できるまで、この手順を繰り返し行います。

ルートハッシュと以前のブロックのハッシュは変更できないため、マイナーは有効なハッシュが見つかるまで、ノンスの値を複数回変更する必要があります。ハッシュが有効であると判定されるためには、出力（ブロックハッシュ）が該当のプロトコルで決定された一定の目標値未満となる必要があります。ビットコインのマイニングでは、ブロックハッシュは一定の数の0から始まります。この目標値が、マイニング難易度となります。

手順 4：マイニングされたブロックのブロードキャスト

これまでに解説した通り、マイナーは異なるノンス値を用いてブロックヘッダーを繰り返しハッシュ化する必要があります。マイナーは、有効なブロックハッシュを見つけるまでこの手順を繰り返し行います。マイナーが有効なブロックハッシュを見つけた場合、そのブロックを該当のネットワークにブロードキャストします。その後、他のすべての検証ノードがブロックの有効性を確認し、有効であると判定された場合、新規ブロックを該当のブロックチェーン上のコピーに追加します。

この時点で、候補ブロックは確定ブロックとなり、すべてのマイナーは次のブロックのマイニング作業に移ります。有効なハッシュを期限内に見つけられなかったマイナーは、新しいマイニングレースが開始するに当たり、それまで作業していた候補ブロックを破棄することになります。

2つのブロックが同時にマイニングされた場合はどうなる？

場合によっては、2人のマイナーが同時に有効なブロックをブロードキャストし、ネットワーク上に2つの競合するブロックが追加される場合があります。マイナーは続いて受け取ったブロックに基づき次のブロックのマイニングを開始するため、一時的にネットワークが2種類の異なるブロックチェーンのバージョンに分割されることになります。

このブロック間の競争は、競争しているブロックの1つ上に次のブロックがマイニングされるまで続けられます。新しいブロックがマイニングされた場合、先にマイニングしたマイナーの勝利となります。放棄されたブロックは孤立（オーファン）ブロックまたはステイルブロックと呼ばれ、同ブロックを選択したすべてのマイナーは、勝利したマイナー側でのブロックチェーン上でのマイニング作業に移ります。

マイニング難易度調整とは？

マイニングの難易度は、新規ブロック生成において一定の何度レートを確保するためにプロトコルにより定期的に調整されます。これにより、安定性が高く予測可能な新しいトークン（コイン）の発行が実現します。難易度は、そのネットワークに参加する計算能力（ハッシュレート）の量に比例して調整されます。

新しいマイナーがネットワークに参加して競争が激化するたびに、ハッシュ化の難易度が上がり、平均ブロック時間が短くならないようになっています。一方、マイナーの多くがネットワークを離脱すると、ハッシュ化の難易度が下がり、新規ブロックのマイニングが容易になります。こうした調整により、ネットワークのハッシュパワーの総量にかかわらず、平均ブロック時間は一定に保たれます。

暗号資産マイニングの種類

暗号資産をマイニングする方法には、複数あります。新しいハードウェアやコンセンサスアルゴリズムの登場により、機器やマイニングプロセスも変化しています。通常、マイナーは専用のコンピューター機器を使用して暗号化された複雑な計算問題を解きます。ここでは、代表的なマイニング方法を紹介します。

CPUマイニング

中央演算処理装置（CPU）を使用したマイニングでは、コンピューターのCPUを使用し、プルーフ・オブ・ワーク（PoW）モデルに必要なハッシュ関数を実行します。ビットコインの黎明期は、マイニングコストと参入障壁が低かったため、その採掘難易度は通常のCPUで処理できる程度でした。このため、当時は誰でも暗号資産のマイニングに挑戦できました。

ところが、ビットコインのマイニング人口が増加し、同ネットワークのハッシュレートが上昇するにつれ、マイニングによる高収益の維持は困難となりました。また、処理能力に秀でたマイニング専用ハードウェアの登場により、CPUによるマイニングは最終的にほぼ不可能となりました。現在では、大抵のマイナーは特殊なハードウェアを使用しているため、CPUによるマイニングはもはや実行に耐えうる選択肢ではないと言えます。

GPUマイニング

画像処理装置（GPU）は、さまざまなアプリケーションを同時に処理できるように設計されています。一般的にはビデオゲームやグラフィックのレンダリングに使用されるものの、マイニングにも使用されます。

GPUは、高性能なマイニング専用ハードウェアよりも比較的廉価で、かつ柔軟性を備えています。また、GPUは一部のアルトコインのマイニングにも使用できるものの、その効率性はマイニングの難易度とアルゴリズムにより変動します。

ASICマイニング

特定用途向け集積回路（ASIC）は、単一かつ特定の目的を果たすために開発された集積回路です。暗号資産分野でのASICは、マイニングを目的に開発された専用のハードウェアのことを指します。ASICマイニングの効率性は極めて高いものの、そのコストは比較的高価となっています。

ASICマイナーはマイニング技術の最先端で活躍しており、CPUやGPUに比べ設備1台あたりの費用は非常に高くなります。さらに、ASIC技術の絶え間ない進歩により、旧式のASICモデルではすぐに不採算となるおそれがあります。以上から、ASICマイニングは最も高価なマイニング方法の1つではあるものの、効率性が最も高いため、大規模に運用した場合大きな収益を獲得できる可能性があります。

マイニングプール

各ブロック報酬は最初にマイニングに成功したマイナーにのみ与えられるため、ブロックのマイニング成功確率は非常に低くなります。また、マイニングパワーの提供割合が低いマイナーが自力で次のブロックを発見できる可能性は、さらに低くなります。こうした問題の解決に役立つのが、マイニングプールの活用です。

マイニングプールとは、ブロック報酬を獲得するチャンスを増やすためにリソース（ハッシュパワー）をプールするマイナーのグループを指します。プールがブロックの発見に成功すると、プール内のマイナーはそれぞれが貢献した作業量に応じて報酬を獲得します。

マイニングプールは、ハードウェア代と電気代の面で各マイナーにメリットをもたらし得るものの、マイニング全体におけるマイニングプールの増加により、中央集権化と潜在的な51％攻撃に関する懸念が生じています。

クラウドマイニング

マイニング機器を購入する代わりに、クラウドマイニングプロバイダーから計算能力をレンタルするのがクラウドマイナーです。マイニングを簡単に始められる方法であるものの、詐欺または低収益性などのリスクが伴う方法でもあります。このため、クラウドマイニングに挑戦する場合、バイナンスをはじめとする定評あるプロバイダーを選択するようにしてください。

Bitcoinマイニングとは、またその仕組みは？

ビットコインは、マイニング可能な暗号資産の中で最大人気を誇るとともに、その基盤が最も確立された暗号資産です。また、ビットコインのマイニングは、プルーフ・オブ・ワーク（PoW）コンセンサスアルゴリズムに基づいています。

プルーフ・オブ・ワーク（PoW）は、サトシ・ナカモトにより開発されたオリジナルのブロックチェーン・コンセンサスメカニズムであり、2008年に発行されたビットコインのホワイトペーパーで世界に向け初めて発表されました。一言で言えば、PoWとは、ブロックチェーンネットワークにおいて第三者である仲介者を介さずに分散した参加者全員のコンセンサスを得る方法を決定する仕組みとなります。同アルゴリズムでは、悪質な行為者の意欲を削ぐために、かなりの電力と計算能力の投資が求められます。

これまでに解説した通り、マイニング専用ハードウェアを使用して計算問題を解くために競うマイナーにより、PoWネットワーク上で処理を待つトランザクションの秩序付けとブロックへの追加が行われます。計算問題を最初に解き、それが有効であると判定されたマイナーは、同ブロックをブロックチェーンにブロードキャストします。続いて検証ノードにより同ブロックが承認された場合、マイナーはブロック報酬を受け取ります。

ブロック報酬に含まれる暗号資産の数量は、ネットワークごとに異なります。例えば、ビットコインブロックチェーンでは、成功したマイナーは、3.125 BTCおよびトランザクション手数料をブロック報酬として獲得できます（2024年12月時点）。ビットコインの半減期の仕組みにより、ブロック報酬のBTC金額は21万ブロックに到達するたび（約4年）に半分になります。

暗号資産マイニングの採算性は？

暗号資産マイニングで収益を上げることは可能ではあるものの、慎重な検討、リスク管理、調査が必要となります。また、ハードウェア費用、暗号資産の価格変動、暗号資産プロトコルの変更などに関連する投資とリスクも伴います。リスク軽減のため、リスク管理を実施しながら潜在的な費用と利益を評価する必要がマイナーに求められます。

暗号資産マイニングの収益性はいくつかの要因に左右され、その1つに暗号資産の価格変動が挙げられます。暗号資産の価格が上昇すると、マイニング報酬の法定通貨換算での価値も上昇します。逆に、価格が下落すれば、収益性の低下につながります。

マイニング用ハードウェアの効率性も、マイニングの収益性を決定する重要な要素となります。マイニング用ハードウェアは高額なため、ハードウェア費用と発生し得る報酬とのバランスを取る必要があります。また、電気代が上がり過ぎた場合、収益が食いつぶされ、マイニングが不採算となるおそれがあります。

さらに、マイニング用ハードウェアはすぐに旧式モデルとなる傾向があるため、頻繁なアップグレードが必要となり得ます。新型モデルは旧式モデルの性能を上回るため、ハードウェアをアップグレードしなければ競争力の維持が難しくなる可能性があります。

最後に、プロトコルレベルで大きな変更が発生する可能性もあります。例えば、ビットコインの半減期によりブロックのマイニング報酬が半分に減るため、マイニングの収益性に影響が生じるおそれがあります。その他のケースでは、マイニングプロセスが別の検証方法に置き換わることも想定されます。例えばイーサリアムでは、2022年9月にプルーフ・オブ・ワーク（PoW）からプルーフ・オブ・ステーク（PoS）コンセンサスメカニズムに完全移行し、マイニングが不要となりました。

まとめ

暗号資産マイニングは、ネットワークを安全に保ち、新しいコインの発行を安定させるため、ビットコインをはじめとするPoWブロックチェーンにとって重要な役割を担っています。

マイニングには、一定のメリットとデメリットがあります。最も明らかなメリットには、ブロック報酬による収益獲得が挙げられます。一方、この収益は、電気代や市場価格をはじめとする多彩な要因の影響を受けます。このため、暗号資産マイニングに挑戦する前に自己責任による慎重な調査（DYOR）を実施し、すべての潜在的リスクを評価する必要があります。

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