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プルーフ・オブ・ワーク(PoW)とは?ビットコイン/仮想通貨のコンセンサスアルゴリズムの問題点を初心者にもわかりやすく解説!

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ビットコインや仮想通貨の取引や処理を承認するルールの一つに「プルーフ・オブ・ワーク(PoW)」と呼ばれるものがあります。プルーフ・オブ・ワークは、ビットコインのセキュリティを保つために非常に大切な役割を担っているとともに、ビットコインの環境問題に関する議論を巻き起こしているとても重要なルールです。プルーフ・オブ・ワークについて、初心者の方にもわかりやすく解説します。

 

 

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プルーフ・オブ・ワークとは

プルーフ・オブ・ワーク(PoW)とは

プルーフ・オブ・ワーク(PoW)とは

プルーフ・オブ・ワーク(Proof of Work:PoW)とは、ビットコインなどの仮想通貨で採用されている、最も早く演算を行なった参加者が承認作業者として選出されるというルールです。

承認作業者として選出されることで、参加者は報酬を受け取ることができます。ビットコインの場合、承認作業者はビットコインのやり取りについて、不正なものがないか確認します。正しい承認が行われると、その承認作業者は報酬としてビットコインを受け取ることができます。

ビットコインはプルーフ・オブ・ワークがルールになっているため、参加者は、演算を他の人よりも早く行い、承認作業者として選出されることを目指すのです。

ここまでがプルーフ・オブ・ワークの説明ですが、よりプルーフ・オブ・ワークを理解するために、例としてビットコインの仕組みを交えながらもう少し踏み込んだ解説をしていきます。

 

ビットコインのプルーフ・オブ・ワーク

ビットコインには、特定の管理者がいないためビットコインの送金が正しく行われているかどうかを不特定多数の参加者が確認・承認する必要があります。

確認や承認をする人はマイナーと呼ばれ、承認作業のことはマイニング(「採掘」から由来)と呼ばれます。マイナーはたくさんいますが、ビットコインでは10分に1人だけが承認者に選出されるルールとなっています。その選出されたマイナー1名が、10分間にあったビットコインのやり取りを検閲し、不正がないか確認します。

その選出方法のルールがビットコインでは「プルーフ・オブ・ワーク」と呼ばれるものです。すでに述べたとおり、プルーフ・オブ・ワークは、「最も早く(多く)演算を行なった人が承認作業者として選出される」というルールです。

プルーフ・オブ・ワーク(PoW)とは

プルーフ・オブ・ワーク(PoW)とは?

ビットコインでは、ある決められた演算を行い、承認者に選出されることを多くのマイナーが競います。この演算を行うためには、コンピューターやそれを稼働する電力、そして稼働したコンピューターが熱を持ってしまうため冷却装置&冷却装置を稼働するための電力、が必要になります。

そして見事選出されたマイナーは、報酬としてビットコインを受け取ります。

これらの演算を行う設備(=先行投資)がマイナーには必要になるため、ビットコインのやり取りが正常に行われずにビットコインの信頼が失われてしまうのは困ります。なぜなら報酬のビットコインの価格が崩壊してしまっては、マイナーの先行投資は取り戻すことができないからです。

このような経済インセンティブが働き、マイナーはビットコインのやり取りで不正が行われていないかを厳しくチェックするようになります。これがプルーフ・オブ・ワークによって支えられているビットコインの取引承認の仕組みです。

デジタル上の貨幣でありながら、物理的なコンピューターという設備+それを動かす電力というコストをかける、という経済的インセンティブを絡ませたプルーフ・オブ・ワーク。このルールを採用したことで、ビットコインは特定の管理者がいなくても不正が起こらない決済ネットワークを実現しているのです。

 

コンセンサスアルゴリズムとは

ちなみに、プルーフ・オブ・ワークのように、ブロックチェーン技術を利用し、多くの参加者がいるネットワークの中でどのように正解を決めるか(参加者の合意を取るか)、を定めたルールを「コンセンサスアルゴリズム(合意形成アルゴリズム)」と言います。

仮想通貨では、よく出てくる言葉なので覚えておくといいでしょう。

 

プルーフ・オブ・ワークの問題点

プルーフ・オブ・ワークは物理的なコストと、報酬である新規発行ビットコインのバランスを上手くとった、非常に優れたコンセンサスアルゴリズムです。ビットコイン成功の要因の一つはプルーフ・オブ・ワークであると言っても過言ではありません。

しかし、そんなプルーフ・オブ・ワークにも問題点があると言われます。

・マイナーの偏りが起こりやすい

・環境にあまり良くない

・処理のスピードを上げづらい

これらの理由から、プルーフ・オブ・ワーク以外のコンセンサスアルゴリズムを採用する仮想通貨にも注目が集まってきています。

 

マイナーの偏りが起こりやすい

プルーフ・オブ・ワークでは、他のマイナーに勝つための高速演算ができる設備、そしてそれを動かす電力が必要になります。現在、報酬額は10分に6.25BTCとなっています。(ビットコインのルールで報酬額は決まっています)

執筆時点の価格は1BTC=500万円前後なので6.25BTC×約500万円=約3125万円の報酬額となります。現在では、この10分=3000万円ほどの報酬でプラスになる程度の経費をかけるため、マイナーは非常に多くのコストをかけて演算設備を整えています。

つまり、今からこの競争に参入するとなれば、非常に多くの初期投資がなければプルーフ・オブ・ワークで勝つことが難しくなる、ということになります。

ビットコインが稼働開始した当初は競争があまりなかったため、少ないコストでマイナー競争に参入することが可能でしたが、世界中にビットコインが広まった現在では、参入障壁は高くなり、現在利益を出しているマイナー達の寡占になりつつあります。

様々な要因でのマイナー離脱や、初期投資さえできれば新規参入ができることから、従来のような独占市場にはなりにくいですが、一部マイナーに新規発行ビットコインが偏ってしまう傾向があるのはプルーフ・オブ・ワークの問題点の一つと言えるでしょう。

 

プルーフ・オブ・ワークの問題点

マイナーがいる地域も偏りがあるビットコイン(出典:https://cbeci.org/mining_map

 

環境にあまり良くない

プルーフ・オブ・ワークは電力消費に依存したルールであるため、環境問題の点から批判の的となることがあります。

すでに何度も述べているように、プルーフ・オブ・ワークは演算を行うコンピューターとそれを稼働する電力が必要になります。また、コンピューターを動かしていると熱を発するため、それを冷やすための冷却装置にも電力が必要です。

ビットコインのプルーフ・オブ・ワークで使用される消費電力は、年間で80~120TWhあたりを推移(参照:Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index (CBECI)しており、この消費電力はノルウェーなどの国単位の消費電力に相当すると言われています。

ビットコインを稼働するだけのために国単位の電力が消費されていることは、問題視する声が上がっています。2021年にビットコイン決済を導入したEV自動車メーカーのテスラ社は、ビットコインの電力消費問題について疑問を呈し、決済を中止しました。

参考:なぜビットコインは環境に悪いのか。マスク氏の騒動から考える非中央集権の「合意」とは

マイナーがプルーフ・オブ・ワークに使う電力をグリーンエネルギーに変える取り組みが行われるなど、この問題を解決する試みが行われていますが、未だ解決の糸口はつかめていません。 

 

処理のスピードを上げづらい

プルーフ・オブ・ワークの問題点として、承認者の選出スピードを上げづらい、という点が挙げられます。ビットコインでは10分に1名承認者が選出されるルールになっていますが、これは要するにやり取りの承認に10分は最低でもかかるということです。

承認者が不正がないか確認するまで、その10分間にあったビットコインのやり取りは保留されるため、その間のやり取りは「未承認」の状態になります。承認までの時間が10分間に設定されている理由はいくつかありますが、現状では10分という時間がビットコインのシステムでは最適と判断されています。

この時間をあまりに短くしてしまうと、セキュリティにとって不利に働いてしまうことがあるため、処理のスピードを一気に向上することは現状できません。この課題を解決するための技術も開発されているため、処理スピードの問題はいずれ解決すると思いますが、プルーフ・オブ・ワークというコンセンサスアルゴリズム単体では処理スピードを上げるのが非常に難しいという問題があります。

 

プルーフ・オブ・ワーク以外のコンセンサスアルゴリズム

プルーフ・オブ・ワーク以外では、代表的なものに「プルーフ・オブ・ステーク(PoS)」と呼ばれるコンセンサスアルゴリズムがあります。プルーフ・オブ・ステークは、仮想通貨ネットワークに仮想通貨を預け入れている数量によって、承認者を選出するルールになっており、プルーフ・オブ・ワークよりも環境に優しく、問題点を解決すると言われています。

興味のある方は以下で詳しく解説していますので、参考にしていただければと思います。

プルーフ・オブ・ステーク(PoS)とは?特徴や問題点、ステーキングについて初心者にもわかりやすく解説!

 

まとめ

プルーフ・オブ・ワークについて解説しました。ビットコイン以外の仮想通貨でも、プルーフ・オブ・ワークは採用されており、現在では主流となっているコンセンサスアルゴリズムです。

ただ、問題点もあるため、今後の仮想通貨の主流がどのようなコンセンサスアルゴリズムになるかはわかりません。コンセンサスアルゴリズムという側面から仮想通貨を調べてみるのも面白いかもしれません。

 

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