Pourquoi les plus grandes mines Bitcoin sont en Chine?

Le coeur de Bitcoin est maintenant en Mongolie intérieure, où le charbon sale alimente l’ingénierie sophistiquée des semi-conducteurs

Il n’est que 8 heures du matin quand j’arrive à destination dans la préfecture d’Ordos en Mongolie intérieure, mais déjà l’air est lourd et oppressant. Mon hôte me conduit à travers une porte, devant un gardien de sécurité somnolent, et dans une cour industrielle qui s’étend dans la campagne sèche et stérile à peu près aussi loin que je peux voir.

Devant moi, neuf entrepôts aux toits bleus brillants arborant chacun le logo de Bitmain, une entreprise chinoise dont le siège se trouve à Pékin, est sans doute la plus importante entreprise de l’industrie Bitcoin. Bitmain vend des plates-formes de forage Bitcoin – les ordinateurs spécialisés qui font fonctionner la crypto-monnaie et qui produisent, ou «mien», de nouveaux bitcoins pour leurs propriétaires. Il utilise également ses propres plates-formes pour stocker des installations qu’il possède ou partage et exploite. Bitmain possède environ 20% de celui-ci.

Jihan Wu, PDG de Bitmain, affirme que 70% des installations minières Bitcoin en exploitation aujourd’hui ont été fabriquées par sa société. Et, selon une étude menée l’hiver dernier par l’Université de Cambridge, en Angleterre, il est probable que la plupart de ces machines soient branchées dans un point de vente quelque part en Chine.

Bitmain a acquis cette installation minière en Mongolie intérieure il y a quelques années et l’a transformée en l’une des usines d’argent les plus puissantes du réseau Bitcoin. Il métabolise littéralement l’électricité en argent. Selon mes propres calculs, le matériel sur le terrain – quelque 21 000 ordinateurs – représentait environ 4% de toute la puissance de calcul du réseau Bitcoin lors de ma visite.

Tout comme les presse-papiers de 10 tonnes, ces machines supportent le livre de transactions distribué à l’échelle mondiale qu’est Bitcoin, empêchant ainsi ses pages de tourner en arrière. C’est ici que la fourniture de bitcoins existants est sécurisée. Et voici où le banquet de nouveaux bitcoins est servi.

Le processus d’extraction de bitcoins fonctionne comme une loterie. Les mineurs Bitcoin sont en compétition pour produire des hachages-chaînes alphanumériques d’une longueur fixe qui sont calculées à partir de données d’une longueur arbitraire. Ils produisent les hachages à partir d’une combinaison de trois éléments de données: nouveaux blocs de transactions Bitcoin; le dernier bloc sur la blockchain; et un nombre aléatoire. Ils sont collectivement appelés “en-tête de bloc” pour le bloc courant. Chaque fois que les mineurs exécutent la fonction de hachage sur l’en-tête de bloc avec un nouveau nombre aléatoire, ils obtiennent un nouveau résultat. Chaque fois que les mineurs exécutent la fonction de hachage sur l’en-tête de bloc avec un nouveau nombre aléatoire, ils obtiennent un nouveau résultat. Juste combien de zéros sont requis est un paramètre de décalage déterminé par combien de puissance de calcul est attachée au réseau Bitcoin. Toutes les deux semaines, en moyenne, le logiciel de minage réajuste automatiquement le nombre de zéros d’en tête nécessaires —le niveau de difficulté — en regardant à quelle vitesse les nouveaux blocs de transactions Bitcoin ont été ajoutés. L’algorithme vise une latence de 10 minutes entre les blocs. Lorsque les mineurs augmentent la puissance de calcul du réseau, ils augmentent temporairement le taux de création de blocs. Le réseau détecte le changement puis augmente le niveau de difficulté. Quand l’ordinateur d’un mineur trouve un hachage gagnant, il diffuse l’en-tête de bloc à ses prochains pairs dans le réseau Bitcoin, qui le vérifie et le propage ensuite.

Puis deux choses se produisent. De nouvelles transactions sont ajoutées au registre de blockchain Bitcoin, et le mineur gagnant est récompensé par des bitcoins nouvellement frappés. Le mineur perçoit également de petits frais que les utilisateurs virent volontairement sur leurs transactions afin de les pousser en tête de file. C’est finalement un échange d’électricité pour les pièces de monnaie, médiatisé par beaucoup de puissance de calcul. La probabilité qu’un mineur gagne la loterie dépend entièrement de la vitesse à laquelle ce mineur peut générer de nouveaux hashs par rapport à la vitesse de tous les autres mineurs combinés. De cette façon, la loterie ressemble plus à une tombola, où plus vous achetez de billets par rapport à tout le monde, plus il est probable que votre nom sera retiré du chapeau.`

Cette dynamique a entraîné une course entre les mineurs pour accumuler les puces les plus rapides et les plus écoénergétiques. Et la demande pour un équipement plus rapide a engendré une nouvelle industrie entièrement consacrée aux besoins informatiques des mineurs Bitcoin. Jusqu’à la fin 2013, les cartes graphiques génériques et les FPGA (Field-Programmable Gate Arrays) étaient assez puissants pour vous mettre dans la course. Mais cette même année, les entreprises ont commencé à vendre des puces informatiques, appelées circuits intégrés spécifiques à l’application (ASIC), qui sont spécifiquement conçus pour la tâche de calcul de l’algorithme de hachage Bitcoin. Aujourd’hui, les ASIC sont la technologie standard de toutes les grandes installations, y compris la ferme minière d’Ordos. Lorsque Bitmain a commencé à créer des ASIC en 2013, le champ était déjà rempli de concurrents: BitFury, un fabricant ASIC multinational; KnCMiner à Stockholm; Butterfly Labs aux États-Unis; Canaan Creative à Beijing; et environ 20 autres sociétés réparties en Chine.

Bitmain a gagné un avantage en fournissant un produit supérieur en grande quantité, un exploit qui a échappé à toutes les autres entreprises de l’industrie. L’usine d’Ordos est dotée presque exclusivement du système de forage le plus performant de Bitmain, l’Antminer S9. Selon les spécifications de l’entreprise, le S9 est capable de produire 14 tonnes de hachage, soit 14 trillions de hachages, tout en consommant environ 0,1 joules d’énergie par giga-hachage pour un total d’environ 1400 watts (environ autant qu’un four à micro-ondes) .

Bien que BitFury prétend produire des puces dont les performances sont presque identiques à celles du S9, l’entreprise les a emballées dans un produit très différent. Appelé BlockBox, il s’agit d’un centre de données bitcoin-mining complet que BitFury expédie aux clients dans un conteneur de stockage. Canaan Creative, de Beijing, vend encore des appareils de forage au public, mais il ne propose qu’un produit, l’AvalonMiner 741, et il est seulement deux fois moins puissant et légèrement moins efficace que le S9.

Un Antminer S9 abrite 189 ASIC fabriqués par la Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (la plus grande fonderie au monde), en utilisant son procédé de fabrication de 16 nanomètres.

Chaque ASIC a plus de 100 cœurs, qui fonctionnent tous indépendamment pour exécuter l’algorithme de hachage SHA-256 de Bitcoin. Un tableau de contrôle sur le dessus de la machine coordonne le travail, télécharge l’en-tête de bloc à hacher et distribue le problème à tous les moteurs de hachage, qui rendent ensuite compte des solutions et des nombres aléatoires utilisés pour les obtenir.

C’est “une sorte de colonie de fourmis, où le panneau de contrôle est la reine qui dirige les travailleurs, explique Peter Holm, directeur du design de circuits intégrés chez Bitmain, révélant l’inspiration du nom de la plate-forme.

Tous les ASIC miniers, y compris ceux de Bitmain, effectuent essentiellement le même calcul, l’algorithme de hachage SHA-256, même s’ils s’y prennent un peu différemment. L’algorithme standard prend 64 étapes à compléter, mais dans Bitcoin, il est exécuté deux fois pour chaque en-tête de bloc, ce qui signifie qu’un cycle complet nécessite 128 étapes qui sont lourdes pour l’addition d’entiers. “C’est ce qui domine tout le design”, explique Timo Hanke, le cryptographe en chef de String Labs, un incubateur axé sur la cryptographie à Palo Alto, en Californie. “Donc, si quelqu’un devait l’optimiser, il fallait optimiser les additionneurs. C’est là que la plupart du travail réside.”

En dépit de besoins similaires, il existe une grande diversité dans la façon dont les concepteurs de puces construisent leurs moteurs de hachage, explique Hanke, qui a également occupé le poste de directeur de la technologie d’un fabricant de plates-formes minières appelé CoinTerra. Par exemple, Bitmain utilise la pipelining, une stratégie qui lie les étapes d’un processus dans une chaîne dans laquelle la sortie d’une étape est l’entrée de la suivante. BitFury, concurrent de Bitmain, a choisi de ne pas utiliser cette technologie.

Le problème le plus pressant dans la conception des puces minières est l’efficacité énergétique car votre retour sur investissement est la différence entre le montant d’argent que vous dépensez en électricité et le nombre de nouveaux bitcoins que vous pouvez gagner.

“Ici, l’électricité est plus importante que la vitesse absolue. Vous ne concevez pas les additionneurs pour une vitesse maximale possible, mais vous les concevez pour une efficacité énergétique maximale “, explique Hanke.

Si vous faites bien votre travail, vous cherchez désespérément un moyen de garder les puces au frais. Le S9 est conçu pour fonctionner en dessous de 38 ° C. Un contrôleur sur le dessus de la machine échantillonne la température ambiante et règle la vitesse du ventilateur ainsi que la tension et la vitesse d’horloge de la machine en conséquence.

Mais de telles mesures ne suffisent pas si vous exploitez dans un endroit comme la Mongolie intérieure.

Dans l’entrepôt de l’Ordos, il fait sombre, bruyant et venteux.

Un jeune homme nommé Zhang m’amène à l’intérieur en criant sur un sifflement assourdissant. “C’est le côté cool”, me dit-il. Tout le long d’un mur de l’entrepôt, les fenêtres ont été enlevées de leurs cadres et remplacées par des ventilateurs du désert – des panneaux de tôles métalliques tordues et serrées qui sont arrosées avec de l’eau d’un tuyau au-dessus.

Zhang se dirige vers une porte entre deux étagères pleines de plates-formes minières, et nous passons à travers. “C’est le côté chaud”, me dit-il. Nous nous trouvons dans un espace vide et lumineux qui sert de décharge thermique à l’installation. Les ventilateurs d’extraction de toutes les machines minières de l’autre côté percent des petits trous dans un mur métallique, projetant de l’air chaud dans l’espace, où il est purgé à l’extérieur par un autre mur rempli de ventilateurs métalliques géants.

Avec les Antminers devant rester en dessous de 38 ° C, la Mongolie n’est pas l’endroit idéal pour une installation minière. Il avait été au-dessus de 40 ° C pendant plusieurs jours lors de ma visite en juillet. Et en hiver, il peut tomber à -20 ° C, assez froid pour que Bitmain puisse ajouter de l’isolation aux installations. La poussière est aussi un problème, c’est pourquoi l’intérieur de chaque entrepôt que je traverse est voilé dans un filtre en tissu fin.

Pour économiser de l’argent sur le refroidissement, certains opérateurs miniers ont opté pour des climats plus frais. BitFury exploite également trois grandes installations minières, dont une en Islande pour profiter du temps frais. “De nombreux centres de données à travers le monde ont de 30 à 40% de coûts d’électricité allant au refroidissement”, explique Valery Vavilov, PDG de BitFury. “Ce n’est pas un problème dans notre centre de données islandais.”

Les deux autres mines de BitFury se trouvent à Tbilissi, en République de Géorgie, où le temps est beaucoup plus chaud. Selon Vavilov, la société a développé une technologie de refroidissement par immersion à deux phases avec sa filiale Allied Control. Le système baigne les machines minières dans un liquide de transfert de chaleur diélectrique appelé Novec, qui refroidit les ordinateurs lors de son évaporation. Le système est maintenant déployé dans les centres de données de Géorgie.

Alors que la chaleur est définitivement un problème pour la ferme minière d’Ordos, l’électricité y est peu coûteuse, seulement 4 cents américains par kilowatt/heure, avec des subventions gouvernementales. C’est environ un cinquième du prix moyen au Royaume-Uni. Les seuls autres coûts pour l’installation sont les appareils eux-mêmes et le salaire des quelques dizaines de membres du personnel qui les maintiennent opérationnels.

Zhang fait partie de ce personnel. Il a récemment obtenu son diplôme d’université en Mongolie intérieure et a commencé à travailler à la mine il y a quelques mois seulement. Il se décrit comme un technicien, puis montre un homme qui se tient sur un ascenseur pneumatique tirant une plate-forme de forage hors des étagères. “C’est ce que je fais”, me dit-il.

Le contrôleur sur le S9 a une lumière rouge qui s’éteint quand il détecte un dysfonctionnement. Des techniciens comme Zhang sont sur place pour scanner les supports pour les installations de forage. Quand ils en trouvent un, ils le sortent et l’envoient dans une maison sur le terrain de l’usine où d’autres techniciens diagnostiquent le problème, le réparent et remettent la machine en ligne. Parfois, c’est une puce échouée. D’autres fois, c’est un ventilateur épuisé. Si le problème est plus sérieux, alors la plate-forme est envoyée jusqu’aux laboratoires de Bitmain à Shenzhen dans le sud-est de la Chine pour une reconstruction correcte. À chaque instant que les plates-formes passent débranchées, les revenus potentiels disparaissent.

Étant donné le prix du bitcoin au moment de ma visite à Ordos, chaque installation minière de l’installation gagnait environ 10 dollars américains en bitcoins par jour. À ce rythme, l’installation dans son ensemble, qui abrite plus de 20 000 appareils de forage Antminer, pourrait rapporter 70 millions de dollars ou plus par année. Et ce n’est qu’une des installations que Bitmain gère.

Mais en raison de la volatilité de Bitcoin, il est impossible de prédire le revenu annuel d’une ferme minière. Lors de mon vol de la Chine vers les États-Unis, le prix du bitcoin s’est effondré de 25%, passant de 2 400 à 1 800 dollars. En un rien de temps, l’opération que j’ai visitée rapportait 50 000 $ de moins par jour. En une semaine, il était de retour, et s’approchant d’un record absolu.

Les fluctuations de prix, courantes dans Bitcoin depuis sa création il y a huit ans, font peser les risques et les incertitudes sur les mineurs. Et cette charge est partagée par les fabricants de puces, en particulier ceux comme Bitmain, qui investissent le temps et l’argent dans un design personnalisé complet. Selon Nishant Sharma, directeur marketing international chez Bitmain, lorsque le prix du bitcoin a battu les records ce printemps, les ventes de gréements S9 ont doublé. Mais encore une fois, ce n’est pas une tendance sur laquelle l’entreprise peut se permettre de parier.

Et ainsi, Bitmain a commencé à se diversifier. En plus des entreprises Bitcoin, la société a également commencé à s’intéresser à l’intelligence artificielle et à développer du matériel de reconnaissance faciale qu’elle prévoit de vendre au gouvernement chinois.

Le fabricant ASIC concurrent de BitFury a également commencé à rechercher des profits auprès des industries non minières. «Alors que nous étions une entreprise minière depuis 2011, notre entreprise a considérablement étendu sa portée depuis lors», a déclaré le PDG Vavilov. BitFury fournit, entre autres, sa technologie de refroidissement par immersion aux centres de données haute performance qui ne sont pas impliqués dans Bitcoin.

Pour le PDG de Bitmain, Jihan Wu, la poursuite de nouvelles sources de revenus est un moyen de protéger le rôle de l’entreprise dans Bitcoin, une technologie qu’il décrit avec adoration. “C’est très personnel que je voulais que Bitcoin soit un succès”, dit Wu. “Mais en tant qu’entreprise, nous ne sommes pas autorisés à compter uniquement sur le succès de Bitcoin. C’est une chose que nous ne pouvons pas nous permettre. ”

L’incertitude peut expliquer pourquoi les géants de l’industrie des semi-conducteurs ont jusqu’ici hésité à entrer dans la mêlée. Mais si les prix des bitcoins restent élevés, cela pourrait changer.

“C’est un véritable témoignage de Bitmain qu’ils ont été en mesure de repousser la concurrence qu’ils ont dépassée. Mais encore, vous n’avez pas vu un Intel et un Nvidia aller à fond dans ce secteur, et il serait intéressant de voir ce qui se passerait s’ils le faisaient “, explique Garrick Hileman, un historien de l’économie à la London School of Economics qui a compilé une enquête sur les mineurs avec l’Université de Cambridge.

Qu’est-ce que ça prendrait pour un concurrent de se mettre dans la mêlée? Pour commencer, il doit être prêt à mettre beaucoup d’argent sur la ligne. Plusieurs millions de dollars peuvent être investis dans la conception de puces avant la production d’un prototype unique. “Il faut être prêt à appuyer sur la gâchette et à payer l’argent”, dit Hanke. Mais il est confiant que cela arrivera. “Les gens verront que c’est rentable, et ils vont sauter dedans.”

En effet, cela peut déjà se produire. En septembre, GMO Internet Group, une société japonaise qui a réalisé un chiffre d’affaires de 135 milliards de yens (1,2 milliard de dollars), a annoncé qu’elle développait son propre ASIC minier en utilisant une technologie de traitement à 7 nanomètres.

Une telle perturbation serait une bonne nouvelle pour certains dans la communauté qui affirment que la position de marché de Bitmain sur le marché du matériel minier est en soi une menace pour Bitcoin.

Ce printemps, Bitmain a provoqué un un tumulte mineur quand un développeur a trouvé une “porte dérobée”, appelée Antbleed, dans le firmware des S9 Antminers de Bitmain. La porte dérobée aurait pu être utilisée par l’entreprise pour suivre l’emplacement de ses machines et les fermer à distance. Bien qu’aucun acheteur d’ordinateur ne puisse juger une telle vulnérabilité acceptable, c’est particulièrement troublant pour Bitcoin.

Le protocole Bitcoin a été conçu pour encourager la distribution de la puissance de hachage parmi les mineurs plutôt que sa concentration. La raison? Les mineurs exercent leur pouvoir non seulement sur les transactions qui sont ajoutées à la blockchain Bitcoin mais sur l’évolution du logiciel Bitcoin lui-même. Lorsque des mises à jour sont faites au protocole, ce sont les mineurs, en grande partie, qui appliquent ces changements. Si les mineurs se regroupent et choisissent de ne pas déployer une mise à jour des principaux développeurs de Bitcoin, ils peuvent bloquer les transactions ou même provoquer la division de la monnaie en versions concurrentes.

Une porte dérobée comme Antbleed, si elle est utilisée, donnerait à un fabricant ASIC le pouvoir de faire taire efficacement les mineurs qui supportent une version du protocole Bitcoin avec laquelle il n’est pas d’accord. Par exemple, Bitmain aurait pu basculer un commutateur et fermer l’ensemble des installations à Ordos si la société se trouvait en désaccord avec les autres actionnaires.

Wu prétend qu’Antbleed, qui a depuis été corrigé, n’était qu’un code vestigial laissé par erreur lorsque les ingénieurs essayaient de construire un interrupteur d’arrêt pour l’usage personnel d’un client. Il y avait un certain scepticisme au sujet de cette explication, mais parce que le firmware du S9 est open source, les utilisateurs sont confiants dans la version corrigée. Pourtant, la découverte de celui-ci était un rappel saisissant de la nécessité de la diversité dans l’industrie du matériel minier.

“Les fournisseurs de matériel ont un contrôle important sur Bitcoin”, explique Peter Todd, développeur principal de Bitcoin et consultant en cryptographie appliquée. “Une porte dérobée compétente pourrait être extrêmement difficile à détecter et [pourrait] agir comme un interrupteur d’arrêt pour le hachage, permettant au réseau d’être tué ou de mettre Bitcoin sous le contrôle d’un seul acteur.”

Assis dans son bureau de Pékin en juillet, Wu semblait penser qu’il y avait assez de concurrence, ou du moins une menace de concurrence, pour garder Bitmain honnête.

“Dans une zone spécifique, il n’y aura qu’un joueur ou deux. C’est la nature de l’activité ASIC. Si ce n’est pas nous, ce pourrait être AMD [Advanced Micro Devices]. Ce pourrait être Nvidia. Ce pourrait être Intel. Ce pourrait être quelqu’un d’autre “, dit Wu. “Et si nous faisons quelque chose de mal, nous pourrions être remplacés.”