Démystification du minage sur Bitcoin – Episode 2

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Lionel Jeannerat
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Dans mon premier article de la série, je recadrais le débat. Si l’on veut faire un progrès écologique, la question n’est pas « Pour ou contre Bitcoin? », mais « Comment faire que Bitcoin soit plus écolo ». Maintenant que la bonne problématique est posée, je vais vulgariser ce qu’est concrètement le minage, basé sur une approche « historique » et de terrain, dépouillé des fantasmes et de chiffres bricolés.

La preuve de travail – une réalité concrète

Je fais ici un gros effort de simplification. Pour ceux qui souhaitent approfondir le sujet, il existe des ressources diverses à consulter, principalement en anglais. J’utilise l’orthographe suivant : un « miner » pour parler des machines qui servent à miner du Bitcoin, un « mineur » quand je parle des personnes qui travaillent dans l’industrie du minage.

L’impossible statistique

Avant d’entrer dans le vif du sujet, toute personne qui s’intéresse à l’industrie du minage doit faire un deuil : il est impossible d’avoir une statistique détaillée et il n’existera jamais de moyens de les obtenir. Nous pouvons avoir des données globales très précises : puissance de calcul, parts des pools dans ce processus. Mais l’identité des mineurs ou le type de machine utilisé nous restera inconnu. C’est une conséquence de l’aspect « permissionless » de Bitcoin : il n’est pas nécessaire de s’identifier pour participer. De plus, pour des raisons de sécurité informatique, il est utile de cacher sa localisation. Il est possible de faire des conjectures basées sur l’expérience du terrain ou certaines données industrielles parcellaires rendues publiques. Malheureusement elles ne seront jamais précises et il ne faut jamais les prendre pour argent comptant.

C’est notamment le cas du Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index (Cambridge Index) qui est souvent cité sans filtre par les médias. Vous réaliserez que les fourchettes sont très très très larges. Certains résultats sont contredits par une investigation sur le terrain, comme l’absence de mining en Chine selon le Cambridge Index démenti par un reportage sur place qui explique comment les mineurs chinois poursuivent leurs activités malgré l’interdiction.

La seule estimation fiable est la puissance de calcul que l’on peut déduire mathématiquement en observant le rythme de validation des blocs. Ensuite déduire la consommation électrique nécessiterait de connaître les modèles de miners en activité. L’efficacité énergétique des miners s’améliore à chaque nouveau modèle, mais il y a de vieilles machines qui tournent toujours après des années. C’est pour cette raison que le Cambridge Index propose une fourchette qui fluctue d’un facteur 6.7 (5.27 GW pour le plus bas, 35.34 GW pour le plus haut). L’estimation de 14 GW ne me semble pas déconnant, mais cela peut très bien être 10GW ou 25 GW.

À cette incertitude sur la consommation électrique, il faut ensuite ajouter l’impossibilité de savoir réellement où se trouvent les machines dans le monde. La tentative du Cambridge Index dans ce domaine est objectivement truffée d’erreurs : l’absence de mining au Venezuela et en Chine, 5% de mining en Irlande plus connue pour sa fiscalité avantageuse que par ses fermes de minage. Certains pseudo spécialistes prennent ces chiffres pour argent comptant et calculent l’empreinte carbone totale de Bitcoin en multipliant la part de chaque pays avec la moyenne nationale du CO2 émis par kWh. Cette méthode est simpliste et ne prend pas en compte le fait que le minage n’est pas une activité qui consomme la même électricité que d’autres industries ou que les particuliers. Une part très importante des machines tourne en utilisant une électricité en dehors du réseau électrique. Il s’agit également d’une industrie qui s’installe à proximité des centrales et qui ne subit pas de perte liée au transport de l’électricité. De plus, une part très importante utilise des surplus de centrales hydroélectriques, notamment pendant les heures creuses. Les bêtes moyennes nationales ne sont donc pas une manière pertinente pour évaluer l’impact écologique de Bitcoin.

Pour autant, ce n’est pas parce que l’on n’arrive pas à mesurer ou estimer cet impact qu’il n’existe pas. Je ne cherche pas à le minimiser, mais à trouver une manière fiable pour l’appréhender. Je mets également en garde sur les raccourcis que certains détracteurs empruntent.

Est-ce que toutes tentatives de statistiques sont inutiles ? Non, elles sont très utiles pour se faire une idée, mais il faut faire attention aux comparaisons abusives, le Cambridge Index nous met d’ailleurs en garde sur ce point. Que Bitcoin consomme plus ou moins qu’un pays ne dit rien de son impact environnemental réel.

Une approche historique et la connaissance du terrain

Alors si aucune statistique fiable n’est possible, comment savoir comment se passe réellement le mining ? Eh bien, comme on a toujours procédé quand on manque de données quantitatives : on utilise des données qualitatives, on essaye d’en faire une synthèse et d’en tirer des tendances.

Bitcoin n’est pas très vieux, 13 ans seulement d’existence, mais son industrie de minage a beaucoup évolué pourtant. Encore aujourd’hui, elle poursuit toujours une discrète métamorphose. Pour des raisons de vulgarisation, je vais structurer cette évolution en phases, celles-ci sont intimement liées à l’adoption de Bitcoin et au prix du satoshi, ainsi qu’à l’évolution technique des miners (sur ce point-là, je recommande cet article de CoinDesk) :

La phase des mineurs « bénévoles » : Au lancement de Bitcoin, la récompense de 50 BTC par bloc ne valait rien du tout. Tous les mineurs étaient des curieux qui participaient pour tester et sécuriser un réseau encore embryonnaire. Le minage ne suivait pas une logique économique : les rares participants minaient avec leur ordinateur personnel et utilisaient l’électricité de leur prise. La limitation était avant tout la bonne volonté des participants.

La phase des mineurs amateurs : Puis les bitcoins ont commencé à s’acheter, à avoir une valeur. Des personnes ont commencé à acheter des ordinateurs pour miner dans leur cave. Ils voyaient là une manière de se faire un revenu complémentaire. Ils bricolaient du code et des machines pour gagner en efficacité. C’est à ce moment qu’il était devenu impossible de miner avec un simple ordinateur personnel suite à l’adoption des miners GPU puis FPGA. Il n’y avait pas encore de logique industrielle. La limitation était avant tout l’aspect underground de l’activité, seuls les rares initiés pouvaient miner.

La phase industrielle chinoise : Puis, le développement des machines ASICs et de leur production quasiment exclusive en Chine ont redistribué les cartes grâce à des machines optimisées pour le mining de Bitcoin. Avec la même électricité, il était possible de faire plus de calcul. Pendant plusieurs années, les nouvelles générations de machines se sont succédé surpassant largement les précédentes, rendues rapidement obsolètes. La difficulté de calcul s’est multipliée par un million en 5 ans. L’investissement pour acheter des machines a explosé et l’activité devint de plus en plus industrielle. Elle se développa particulièrement en Chine où il était plus facile d’obtenir les miners et des kWh bon marché. L’accès aux machines étaient l’enjeu principal car la rentabilité du minage était importante et l’offre d’ASICs très largement inférieure à la demande.

La phase industrielle internationale : En dehors de la Chine, l’industrie du mining était encore dominée par des particuliers ou des petites installations. Mais petit à petit, l’amélioration des ASICs s’est tassée et la rentabilité de l’industrie s’est effondrée en 2018. Le prix de l’électricité est devenue l’enjeu central et les mineurs de tous horizons (chinois, européens et nord-américains principalement) se sont mis à chasser l’électricité bon marché pour y installer leurs machines. La récente interdiction du mining en Chine a accéléré l’internationalisation de l’industrie. C’est ainsi que des pays comme le Kazakhstan, la Russie, le Canada et plus récemment les USA sont devenus des géants de l’industrie. À présent que les machines se font de moins en moins rares et que la concurrence devient de plus en plus féroce, la limitation principale est devenue le prix de l’électricité.

Voilà schématiquement comment nous sommes arrivés à la situation actuelle, cette évolution industrielle s’accompagne bien entendu d’un changement dans la source électrique. Alors que les premiers Bitcoiners utilisaient leur prise électrique, petit à petit les besoins électriques augmentant, les mineurs ont dû trouver des arrangements auprès des fournisseurs d’électricité. Les premiers arrangements à grande échelle ont été conclus en Chine avec les mineurs qui profitaient d’énormes surplus hydroélectriques du sud pendant la saison des pluies. L’autre moitié de l’année, ils migraient dans le nord du pays pour profiter de l’électricité (carbonée) subventionnée par l’État. Cette évolution s’est accompagnée également par des changements logistiques : des sous-sols de maison, les machines ont migré vers des hangars en zone industrielle ou à proximité des centrales électriques. À présent, la tendance est de les installer dans des containers faciles à installer et à transporter.

Quelques mots sur le mining hors Bitcoin

Bien entendu, le minage ne se limite pas à Bitcoin, ni même aux cryptomonnaies. Il existe dans les jeux vidéo une pratique qui s’appelle le farming qui consiste à faire tourner des machines 24/7 pour récupérer de la monnaie du jeu ou des cartes électroniques pour des jeux comme FIFA ensuite revendues à des joueurs. Il faut avoir conscience que ce phénomène est en plein essor.

De nombreuses altcoins utilisent la preuve de travail comme Bitcoin, les principales étant Ethereum, Litecoin/Dogecoin (qui sont minés conjointement) et Monero. Sans entrer dans le détail, toutes ces alternatives utilisent des algorithmes différents de Bitcoin pour éviter d’être en concurrence avec le réseau le plus puissant. Ces cryptomonnaies qui sont apparues à peu près au moment où le mining de Bitcoin commençait à s’industrialiser ont servi d’alternative pour tous les mineurs amateurs qui ne pouvaient plus miner Bitcoin de manière rentable. Ainsi la pratique du minage s’est maintenue dans le monde malgré l’écrasant développement industriel chinois.

Certaines de ces cryptomonnaies peuvent toujours être minées de manière rentable à l’aide d’ordinateurs personnels. Cela peut provoquer des pénuries de machines qui n’étaient pas destinées à cette utilisation. Cela rend également possible le hack de servers ou de cloud d’entreprises pour miner discrètement aux frais de la victime. Ces exemples démontrent les avantages de l’industrialisation de Bitcoin et de l’utilisation de machines spécialement conçues qui empêche l’utilisation d’autres machines. Il faut avoir conscience que si le minage de Bitcoin devait redevenir underground par des interdictions, ces pratiques pourraient devenir rentables sur la reine des cryptomonnaies.

Ce qui est important dans la preuve de travail

La sécurité d’un protocole comme Bitcoin ne repose pas uniquement sur la puissance de calcul, le nombre et l’indépendance des nœuds du réseau sont bien plus importants. La preuve de travail est plus une manière de créer un consensus mathématique sur l’état de la blockchain. Ce qui est important n’est pas la quantité de calculs, mais l’impossibilité pour un agent mal intentionné d’égaler la puissance de calcul de tous les autres. Autrement dit, il faut rassembler trois conditions : contrôler les machines nécessaires (plus d’un million d’ASICs à vue de nez), avoir l’alimentation électrique suffisante (7 GW au bas mot) et faire tout ça discrètement (bonne chance). Même si c’est la combinaison de ces trois contraintes qui est le vrai challenge, il faut avouer que la difficulté de rassembler les miners est en soi impossible. En plus, après voir été utilisés pour réaliser une attaque et à supposer que cela suffise pour détruire Bitcoin, ils seraient bons pour aller à la casse, car ils ne servent qu’à miner sur Bitcoin.

On reproche parfois à la preuve de travail de Bitcoin de n’avoir aucune autre utilité que sécuriser Bitcoin, mais c’est justement l’un des fondements de sa sécurité. C’est grâce à cette indépendance à toute autre activité utile qu’il existe une infrastructure entièrement dédiée à la sécurité de Bitcoin. Celle-ci est incompatible avec toute autre infrastructure de calculateurs/ordinateurs qui pourraient servir à une attaque. Dans cette situation d’indépendance, une diminution de la puissance de calcul et/ou de la consommation électrique ne pose pas de problème de sécurité. La qualité de la preuve de travail ne dépend pas de l’intensité des calculs, mais des rapports de force entre les différents acteurs qui fournissent les calculs. Ce point est important à retenir si l’on souhaite trouver des moyens de diminuer l’empreinte carbone de Bitcoin.

Il n’est nulle part inscrit que Bitcoin doit consommer de grandes quantités d’énergie pour fonctionner ou pour être sécurisé. Le développement du mining et de la consommation électrique liée sont les conséquences d’autre chose. Mon prochain article sera consacré au véritable moteur derrière le développement de cette industrie et de sa consommation électrique.

L’illusion de la preuve d’enjeu et autres solutions miracles

Avant d’aborder les moyens de diminuer l’impact écologique de Bitcoin, je souhaite évacuer le marronnier que l’on nous balance régulièrement : « La preuve de travail est dépassée, il existe maintenant d’autres consensus qui ne nécessitent plus de minage : la preuve d’enjeu (proof-of-stake, PoS) ou d’autres trucs dans le même genre. »

Effectivement, il existe d’autres consensus et la preuve d’enjeu et ses variants en sont les principaux représentants. Ils consistent à remplacer le consensus établi mathématiquement grâce à la preuve de travail par un consensus interne basé sur le contrôle de jetons. Ce type de consensus a certains avantages comparativement à la preuve de travail, c’est d’ailleurs la raison pour laquelle les développeurs d’Ethereum souhaitent adopter la preuve d’enjeu. Mais la preuve d’enjeu sacrifie certaines valeurs fondamentales de Bitcoin :

• Avec la preuve d’enjeu, la seule possession des jetons donne des pouvoirs importants sur le protocole et les règles qui le régissent. Dans Bitcoin, tous les utilisateurs sont égaux quelle que soit leur richesse. La possession de bitcoins ne donne qu’un seul et unique droit : celui de les dépenser, pas celui de définir le fonctionnement du protocole. C’est un des éléments clés qui assurent la neutralité du protocole.
• Avec la preuve d’enjeu, les propriétaires possèdent l’unique moyen de valider les blocs et de recevoir la récompense qui y est liée. Cela crée des situations de rentes qui poussent ceux qui possèdent les jetons à les conserver. Ils empêchent ainsi de nouveaux acteurs d’émerger et de les concurrencer. Dans Bitcoin, il n’y a aucun passeport ou jeton à montrer à l’entrée, tout le monde peut participer à la preuve de travail sans avantager les plus anciens ou les plus riches en bitcoins. C’est le caractère permissionless/ouvert de Bitcoin.
• Avec la preuve d’enjeu, il est possible de déduire les possesseurs des jetons grâce à l’analyse de la blockchain et d’exercer une pression sur les personnes pour censurer des transactions. Dans Bitcoin, la résistance à la censure est au centre du projet.

Je ne vais pas développer plus, car la preuve d’enjeu n’est pas le sujet. Je voulais juste montrer à quel point le PoS est éloigné du consensus Nakamoto. La preuve d’enjeu et toutes autres solutions soi-disant miracle ne peuvent être appliquées à Bitcoin. Si vous pensez que la preuve d’enjeu est meilleure et que les propriétés de Bitcoin ne vous intéressent pas, c’est votre droit et vous pouvez l’adopter pour vos propres projets. Mais ça ne fera pas disparaître la preuve de travail de Bitcoin pour autant. Son cahier des charges est clair et il n’existe aujourd’hui aucun moyen de le remplir autrement qu’avec le consensus Nakamoto.

Dans le prochain article, j’aborderai « Le modèle économique simple aux impacts locaux et mondiaux » puis je conclurai la série avec quelques mesures concrètes pour réduire drastiquement l’impact écologique de Bitcoin.

Article publié originellement sur le blog « Les divagations de Ludomire »

A propos de l’auteur

Entrepreneur et éditeur, Lionel Jeannerat est également administrateur du Cercle du Coin, association francophone sur Bitcoin, les monnaies décentralisées et les blockchains. En tant que gérant de PVH éditions, il a notamment lancé le projet print@home qui propose des romans sous licence CC BY-NC-SA.