PoS は金持ちをさらに金持ちにするのでしょうか? PoWとPoSメカニズムにおける規模の経済の収益性の詳細な比較

執筆者: Just a Doggie、SecurEth 編集・翻訳: Perry Wang

プルーフ・オブ・ステーク（PoS）方式に対する一般的な批判は、それが「金持ちをさらに金持ちにする」というものです。これは簡単に言えば、「金持ちは規模の経済からより多くの利益を得るが、貧乏人はその逆である」と解釈できます。

大規模に運営されているあらゆる業界を見ると、時間の経過とともに、より効率的かつ大規模に運営できる企業が、その影響力と規模を利用して、徐々に業界の独占に近づくことができることが容易にわかります。このことは国民国家レベルでも見られます。より大きく、より資源の豊富な国はより大きな政治的影響力を引きつけ、より大きな貿易協定を結び、貧しい国を犠牲にして自国の利益のために国際情勢を直接推進します。

暗号通貨のコンセンサスアルゴリズムの文脈では、これがどのように展開するかは簡単にわかります。より多くの資産を持つ参加者は、より多くの資本を事業に投資することができ、ブロックチェーンセキュリティシステムにおける全体的なシェアを増やし、より大きな利益を生み出すことができます。何度も繰り返されるサイクルの中で、彼らはその収益をより大きな事業に再投資することができ、無限に高い収益を得る可能性を秘めています。

しかし、これらは提供される報酬が固定されているため継続的なゼロサムゲームですが、パブリックアクセスと無制限の参加を備えた暗号化された安全なメカニズムでは、参加者の数は潜在的に無限であり、タイムラインは終わりがありません。ある競合企業が自社の事業の規模の経済性を効果的に活用できれば、他の競合企業を犠牲にして市場シェアを獲得し、時間の経過とともにこの規模の差を活用して圧倒的な優位性を築くことができます。こうしたシステムでは金持ちがさらに金持ちになれること、そしてそれがなぜ危険なことなのかは簡単にわかります。

しかし、PoS についての議論はこれで十分です。ここでは、Proof of Work (PoW) と PoS システムの 2 つの規模の経済性の違いについてお話ししたいと思います。

PoS経済安全保障

PoS の背後にある考え方は、個人が資産を担保として提供し、通常はセキュリティメカニズムに使用されるネイティブの暗号通貨で、その担保を暗号通貨プロトコル自体によってエスクローで保管するというものです。その代わりに、新しいブロックを生成し、暗号通貨の歴史の中でそれらのブロックの最終的な順序付けに関するコンセンサスに参加する責任を得ます。ブロックを生成するとブロック報酬（通常はネイティブトークン）を通じてこれらの活動に対する報酬が与えられ、参加が奨励されます。

許可のないコンセンサスシステムでは、これらの報酬を確定するためにコンセンサスへの参加が不可欠です。そうしないと、他の参加者がこれらの利益を「盗む」ことが簡単になってしまいます。履歴に関する合意に達する目的は、これらの報酬（および取引手数料やマイナー抽出可能価値/MEVなどのその他の特典）を「確定」し、他の誰かに奪われないようにすることです。

Ethereum のような PoS アルゴリズムの設計では、「ファイナリティ」の概念が特に注目に値します。特に注目すべきは、履歴の一部が「確定」される、つまり参加者がプロトコルのルールに違反することなく（そしてその結果に苦しむことなく）変更することが不可能になる可能性が十分にあるということです。これは PoS メカニズムのユニークな特徴です。なぜなら、PoW にはこの特性がなく、少なくとも明示的に規定されていないからです。この特性は、特にグローバルな取引決済ネットワークにとって価値があります。なぜなら、この特性によって、取引が「最終的」とみなされる明確なタイムラインが確立され、コンセンサスルールに違反することなく変更できなくなるからです。

このプロパティには実現可能性の制限があることに注意する必要があります。たとえば、攻撃者がプロトコル内の担保の大部分 (> 66.6%) を取得でき、プロトコル外の目的 (混乱を引き起こしたり、高額トランザクションを取り消したりするなど) のためにそれを燃やす意思がある場合です。イーサリアムの PoS プロトコルには数百億ドルの価値が投入されているため、このような行為にかかるコストは非常に高く、攻撃者がルールセットに違反するためにこれほどの膨大なリソースを投資するほどの価値は、単一のトランザクションには到底ありませんが、可能性はまだ存在します。

PoS と PoW などの他のコンセンサスシステムの間には依然として類似点があります。基本的に、その構造は通常同じです。参加者はブロック提案とコンセンサスに参加するために必要なリソースを投資する必要があり、その投資に対して報酬が与えられます。ただし、異なるコンセンサスプロトコルや、特定の暗号通貨の特定の実装は、これらの義務を遂行することで受け取る報酬の相対的な割合、参加者が受け取ることができるプロトコル外の利益の利用可能な量、リソースを投資する機会費用、およびそのような作業に参加するためのその他の外部要因など、細部にわたって異なります。

参入障壁と規模の経済

この投稿では、これらの実装の詳細と、特定の選択がこのプロトコルでどのように新たな動作を引き起こすかについてさらに詳しく説明したいと思います。これらの微妙な違いによって結果が大きく異なる可能性があるため、構造上の潜在的な問題を特定し、より優れたシステムを構築できるように学術的な分析を行うことが重要です。

たとえば、ビットコインのブロックチェーンは現在、10分ごとにブロックあたり6.25 BTC（1日あたり約900 BTC）の報酬を提供していますが、トランザクションを送信するユーザーから徴収されるトランザクション手数料は平均してこの金額の約6%です。ブロックチェーンの年間収益は約200億ドルです。

ビットコインブロックチェーンの収益の一部を得るには、損失を出さずにビットコインマイニングから利益を得るために必要な効率レベルを備えたビットコインマイニングマシンを提供する少数のハードウェアメーカーから、専用の ASIC マイナーを購入する必要があります。こうしたマイニングマシンのメーカーからの販売データの入手は難しく、メーカーは大口購入者により多くの割引を提供する傾向があるため、大口購入者にとってのこうしたマイニングマシンの実際のコストを見積もることは困難です。しかし、ビットコインマイニングの最大のコストは、これらのマイニングマシンを購入するために必要なお金ではなく、大規模なマイニングプール構成でこれらのマシンを24時間365日継続的にマイニングするために必要な電力です。

理論上は誰でもビットコインをマイニングできますが、ネットワークの構造とパラメータにより、ASIC マイニングマシンの購入やマシンを保管および稼働させるスペース、妥当な電気代、同様の規模の経済を持つ他の企業と競争するためにこれらの資産を大規模に購入するためのコストと資本支出など、参入障壁が非常に高いことがわかります。誰もがこうした機会にアクセスできるわけではなく、大企業を運営するための政治的コストや地域間の電気料金の違いを考慮に入れなくても、相当なレベルの資本が必要になります。

一方、こうした規模の経済には限界があります。たとえば、特定の地域に行って、マイニング装置を稼働させるために利用可能な電力をすべて買い占めることは、政府の注目を集めることになるため、まずあり得ません。政府は、他の国民も公平に電力を利用できるようにしたいと考えています。また、採掘機を収容する無限に大きい建物を見つけることも、採掘機に冷却を提供するのに十分な強力な冷却システムを構築することもできません。

究極の制限要因は、これらのメーカーが年間に生産できるマシンの台数が限られており、すべてを購入することはできないことです (少なくとも、価格をマイニング利益の損益分岐点を超えて引き上げることなくは購入できません)。競合他社はそれぞれの潜在的な利点を最適化できますが、最適化の可能性には上限があります。

しかし、こうした固有の制限を考慮すると、ビットコイン採掘事業の規模は毎年拡大し続けており、時間の経過とともに、より多くの採掘機が作られ、マイナーはより多くの交渉された電力にアクセスできるようになり、採掘機の効率が向上し、参加者はイノベーションを通じて運用コストを削減し、ビットコイン採掘経済の規模の上限は上昇し続けています。

PoW と PoS のメカニズムを比較すると、これらのパラメータ、制限、参入障壁に大きな違いがあることがわかります。たとえば、Ethereum 2.0 の PoS 設計では、参加バリデーターの数が増えるとブロック報酬 (現在は年間約 400,000 ETH) が減少することが規定されています。現在、イーサリアムメインネット（依然として PoW コンセンサスメカニズムを使用）では、ユーザーはマイナーに 1 日あたり約 4,000 ETH の取引手数料を支払っています。現在の PoW ネットワークが PoS 統合にアップグレードされると、理論的には取引手数料は同じかそれ以上になるはずです。最後に、過去 1 年間で 50 億ドルを超える検出可能な MEV が Ethereum ネットワークから抽出されましたが、より洗練された測定方法が見つかるにつれて、この数字は日々増加しています。 Ethereum バリデーターの年間総収益は約 64 億ドルです。

イーサリアム 2.0 報酬曲線

Ethereum 2.0 のバリデーターになるには、バリデータースロットを取得するために 32 ETH (現在の価格で約 10 万ドル) を所有している必要があり、その後、プロトコルに参加するためにランダムに選択される確率は 10 分の 1 になります。ただし、プロトコルの構造設計により、バリデータは実際にはローカルでマイニングプールに参加するのと同じであり、全員の収入がほぼ同じであるため、バリデータによって取得されるブロック報酬の変動性は大幅に減少します。これは、ブロックを公開するためにバリデーターが選ばれたときに獲得するトランザクション手数料や潜在的な MEV には影響しません。これらの手数料や MEV は、依然としてブロック提案者に具体的に付与されるため、バリデーターがオンライン状態を維持し、応答性を保ち、これらの手数料を獲得する機会を逃さないことが重要です。実際、取引手数料収入と MEV は Ethereum プロトコル収入の割合が増加しているため、常にオンラインであることを確認することが重要です。

PoS メカニズムのダウンタイムに関連する特定のコストははるかに高く、報酬機会の潜在的な損失に限定されません。たとえば、応答がないためにステークした資産が部分的に差し引かれる漏洩率があります。十分な数のバリデータプールが応答しなくなると、アップタイムの損失につながるコンセンサスデッドロックを回避するために、ペナルティが指数関数的に増加します。これにより、バリデーターの地理とソフトウェア構成の多様性が促進され、可能な限り最高の稼働時間が保証されます。マイニングハードウェアを異なる場所にホストするコストにほとんど差がないため、ブロック生成が容易になります。最後に、ソフトウェアとハードウェアの冗長性を備えた、より複雑なバリデータ設定（より多くのバリデータスロットを処理可能）により、エンジニアリングコストが増加し、全体的な収益性が低下します。

エントリー閾値の計算

許可のない暗号通貨セキュリティシステムでは、理論的には誰でも必要な参入基準と収益性の基準を満たすことができ、プロトコルの継続的なゼロサムゲームに参加できるようになります。しかし、実際には、暗黙的および明示的な制約があり、リソースの少ない個人が参加するのを妨げています。

PoS メカニズムではエントリしきい値を計算するのは簡単です。将来の PoS Ethereum の場合、このしきい値は、32 ETH (現在の価格で約 10 万ドル)、(最低限の) ハードウェア仕様 (購入に約 1 ～ 2 千ドル、レンタルに約 200 ドル/月)、および信頼性の高いインターネット接続 (約 100 ドル/月) へのアクセスです。

18 か月の寄付期間の場合、これらの費用は約 105,000 ドルに相当し、その大部分は資金調達費用です。

上記の数字を当てはめると、18 か月間の収益は約 45,000 ドルとなり (大幅な削減や非アクティブによるリークペナルティがなく、この設定を実行するための人的リソースコストも無視すると仮定)、ETH での年間総収益は約 28% になります (USD では当然変動が大きくなります)。これらのコストを考慮すると、上記の年間収益は大幅に減少する可能性が高く、イーサリアムの合併が起これば参加のリスクは低くなります。関連する数字をより合理的に推定すると、将来の状況下では、年率収益は 5% に近づく可能性があることが示唆されます。

PoW メカニズムの場合、この数値を計算するのはさらに困難です。まず、利用可能なバリデータースロットの数にはプロトコル内制限がなく、資本コストは大きく異なります (ASIC、電気、不動産、リグのメンテナンスなど)。エコシステムもより不透明であるため、同様の収益性の比較を行うことは不可能ですが、ハッシュレートチャートと ASIC マイナーの公的コストから結論を導き出すために最善を尽くします。 ASIC マイナーは、故障したり新しいモデルに交換されるまでに約 18 か月の収益期間があるため、PoS 計算にその収益期間を選択することが正当化されることを期待しています。 PoW マイニングははるかに成熟した大規模な産業でもあり、年間収益 (BTC 単位) はここで計算したものよりもはるかに少なくなる可能性があります。

まず、もう少し直接的な比較をしてみましょう。 ETH の最大量によって、ステークできるスロットの合計数の上限が決まります。 ETHの総供給量が1億2000万に制限されている場合（理論上は上限はありませんが、実際にはこの程度になります）、約375万のバリデータスロットを埋めることができます（スロットごとに32 ETHが必要です）。ビットコインのハッシュレートは現在 1.15 EH/s ですが、Antminer S9 マイナーのハッシュレートは約 13 TH/s で、コストは約 500 ドルです。ビットコインネットワークのハッシュレートの 375 万分の 1 を実現するには、2,375 台の Ant S9 マイナーが必要となり、ハードウェアコストは約 119 万ドルになります。より効率的な Antminer S17 Pro マイナーは約 2,000 ドルで、ハッシュレートは約 53 TH/s です。そのため、Ethereum 2.0 バリデータスロット 1 つと同じネットワークシェア率を得るには、約 583 台の Antminer S17 Pro マイナーと、約 117 万ドルのマイナーコストのみが必要になります。

しかし、より詳細な比較をすると、イーサリアムネットワークの時価総額はビットコインネットワークの約 42% に過ぎないため、イーサリアム 2.0 バリデータスロットと同じネットワークシェアを獲得するためのビットコインネットワークの同等の支出は、わずか 495,000 米ドル (10.75 BTC)、または 248 台の Ant S17 Pro マイナーで済みます。

Antminer S17 Pro は約 4 年間使用できます (電気代は 0.11 ドル/kWh のまま)。そのため、このマイナーでビットコインをマイニングするには約 15,600 ドル (0.35 BTC) の電気代がかかります。したがって、Antminer S17 Pro マイナーを使用して 4 年間で 248 BTC をマイニングするには、387 万ドル (84 BTC に相当) かかると推測できます。これを上記の 18 か月間に正規化すると、145 万ドル (31.5 BTC) の電気代で 93 BTC が採掘され、年間収益は 47% (BTC 単位) になります。この数字は、中国による暗号通貨マイニングの取り締まりやビットコインのハッシュレートに対するその他の構造的変化により、最近では大幅に増加していますが、実際にはこの数字の少なくとも半分は達成されることが保証されていると想定できます。

より類似した比較を行うために、18 か月間でマイニング機器と電気代に 105,000 ドルしか支出できないと仮定しましょう。実際には具体的にどのようなメリットがあるのでしょうか? Antminer S17 Pro マイナーを約 6 台（12,000 ドル、または約 0.26 BTC に相当）購入し、39,600 ドルの電気（0.86 BTC に相当）を使用して 18 か月で約 2.25 BTC をマイニングすると、年間約 33% の収益（BTC で計算）が得られます。

これは、Ethereum バリデータスロットに対して計算したリターンと非常によく似ています。しかし、ここでは規模の経済がどのように機能しているかがわかり始めており、十分なリソースを持つアクター（前述の 248 台の Antminer S17 Pro を購入できるマイナー）は、リソースが少ないアクター（6 台の Antminer S17 Pro を購入するマイナー）よりも 42% 高い収益を上げることができます。 PoW の規模の経済では、金持ちはさらに金持ちになることがわかります。