채굴

채굴, 어렵지 않아요 코인은 어떻게 새로 생기고 왜 안전할까요

1. 채굴이 대체 뭘 캐는 걸까요?

채굴(Mining)은 작업증명 방식의 블록체인에서 컴퓨터의 계산 능력을 써서 복잡한 수학 문제를 풀고, 그 대가로 새로 만들어진 암호화폐를 받는 일이에요. 비트코인을 처음 만든 사토시 나카모토가 설계한 구조인데, 땅에서 광물을 캐내는 채굴에 빗대어 '마이닝'이라고 불러요.

채굴을 하는 사람을 채굴자(마이너)라고 해요. 채굴자는 네트워크에서 새로 생긴 거래들을 멤풀(아직 확정되지 않은 거래가 모여 있는 대기실)에서 모아 하나의 후보 블록(확정되기 전의 거래 묶음)으로 만든 뒤, 그 블록이 진짜로 인정받기 위한 조건에 맞는 값을 찾아야 해요. 이 일은 단순히 거래를 확인하는 데 그치지 않아요. 누구나 참여할 수 있는 경쟁을 통해, 관리하는 특정 주인이 없어도 분산원장(여러 컴퓨터가 똑같이 나눠 가진 거래 장부)의 신뢰를 지켜 준다는 점에서 블록체인의 핵심 합의 알고리즘(여러 컴퓨터가 무엇이 맞는지 서로 맞춰 보는 방법)이에요.

채굴은 두 가지 일을 동시에 해요. 하나는 새 화폐를 시장에 내놓는 발행 역할이고, 다른 하나는 거래를 확정하고 이중지불(같은 돈을 두 번 쓰는 것)을 막는 보안·검증 역할이에요. 새로 나오는 코인이 채굴에 참여하고 싶게 만드는 미끼가 되고, 그 참여가 곧 네트워크를 지키는 힘이 되는 구조인 거죠.

이렇게 보면 쉬워요 · 상금이 걸린 문제를 다 같이 푸는데, 그 문제 풀이 자체가 마을 장부를 지키는 순찰이 되는 셈이에요.

2. 문제는 어떻게 풀고, 왜 조작이 안 될까요?

작업증명 채굴의 핵심은 SHA 같은 해시 함수를 계속 반복해서 계산하는 거예요. 해시 함수는 어떤 값을 넣으면 정해진 규칙에 따라 다른 값으로 바꿔 주는 계산이에요. 채굴자는 블록 헤더(블록의 요약 정보가 담긴 앞부분) 안에 논스(nonce, 이것저것 바꿔 넣어 보는 임의의 숫자)를 계속 바꿔 넣으면서 해시값을 계산하고, 그 결과가 네트워크가 정해 놓은 목표치(난이도)보다 작아지는 논스를 찾을 때까지 시도를 반복해요. 조건에 맞는 값을 가장 먼저 찾은 채굴자가 블록을 확정하고 블록 보상을 가져가요.

해시 함수는 입력을 아주 조금만 바꿔도 결과가 전혀 예측할 수 없게 확 달라지는 성질이 있어요. 그래서 조건에 맞는 논스는 미리 계산해서 알아낼 수 없고, 오직 수많은 값을 하나하나 넣어 보는 '무차별 시도'로만 찾을 수 있어요. 정답을 찾기는 무척 어렵지만, 누가 찾은 값이 맞는지 확인하는 건 계산 한 번이면 끝나요. 이렇게 '푸는 건 어렵고 확인은 쉬운' 비대칭성이 작업증명의 바탕이에요.

한 블록 안의 거래들은 머클 트리(여러 거래를 하나의 대표값으로 압축하는 방식)로 요약돼 헤더에 담기고, 각 블록은 바로 앞 블록의 해시를 안에 품은 채 사슬처럼 이어져요. 이 때문에 과거의 어떤 블록을 몰래 고치려면 그 뒤에 이어진 모든 블록을 전부 다시 채굴해야 하는데, 이게 사실상 불가능하다는 점이 장부를 함부로 바꿀 수 없게(불변성) 만들어 줘요.

이렇게 보면 쉬워요 · 자물쇠 비밀번호를 0000부터 하나씩 다 돌려 보는 것과 같아요. 맞추긴 힘들어도, 열리는지 확인은 한 번이면 되죠.

3. 난이도는 왜 바뀌고, 보상은 어떻게 정해질까요?

네트워크는 블록이 일정한 간격으로 만들어지도록 난이도를 스스로 조정해요. 참여하는 계산력(해시레이트, 네트워크 전체가 문제를 푸는 속도)이 늘어나면 목표치를 더 낮춰서 난이도를 올리고, 계산력이 줄어들면 난이도를 낮춰요. 이렇게 자동으로 맞춰 주는 덕분에 채굴자가 갑자기 몰리거나 빠져나가도 블록 생성 시간(블록 하나가 만들어지는 데 걸리는 시간)은 대체로 일정하게 유지돼요.

채굴 보상은 두 부분으로 되어 있어요. 하나는 새로 발행되는 코인(블록 보조금)이고, 다른 하나는 그 블록에 담긴 거래들이 낸 수수료예요. 비트코인의 경우 새 코인 보상은 반감기(보상이 절반으로 줄어드는 시점)에 따라 약 4년(21만 블록)마다 절반으로 줄어들어요. 이건 최대 공급량을 2,100만 개로 미리 정해 둔 희소성 설계와 맞물려 있어요. 새로 주는 코인이 점점 줄어들수록, 장기적으로는 거래 수수료가 채굴자 수입에서 차지하는 몫이 커지도록 설계돼 있어요.

코인마다 채굴에 쓰는 해시 알고리즘은 달라요. 비트코인은 SHA-256을, 라이트코인 같은 코인은 스크립트 알고리즘을 쓰고, 이더리움 계열은 케차크 기반 알고리즘을 썼어요. 어떤 알고리즘을 쓰느냐에 따라 어떤 하드웨어가 채굴에 유리한지가 달라져요.

이렇게 보면 쉬워요 · 마라톤 주자가 많아지면 결승선을 더 멀리 옮겨서, 완주 시간이 늘 비슷하게 유지되는 것과 같아요.

4. 채굴에는 어떤 기계를 쓸까요?

초기 비트코인은 일반 PC의 CPU(컴퓨터의 기본 계산 장치)만으로도 채굴할 수 있었어요. 하지만 경쟁이 치열해지면서, 여러 계산을 한꺼번에 잘 처리하는 GPU(그래픽 처리 장치)를 거쳐, 오늘날에는 채굴만을 위해 만든 전용 반도체인 ASIC 장비가 주로 쓰여요. ASIC은 특정 해시 알고리즘 하나만 계산하도록 만들어져서 전력 대비 성능이 압도적으로 높지만, 다른 용도로는 못 쓰고 알고리즘이 바뀌면 쓸모없어져요.

채굴 장비의 발전은 무어의 법칙(반도체 성능이 꾸준히 빠르게 좋아진다는 경험 법칙)에 따른 반도체 성능 향상과 맞물려 아주 빠르게 진행됐어요. 그 결과 채굴을 시작하는 데 필요한 진입 장벽과 초기 비용이 크게 올라갔어요. 그래서 일부 프로젝트는 ASIC이 유리하지 않도록 일부러 메모리를 많이 쓰는 알고리즘을 골라, 채굴이 소수에게 쏠리지 않게(탈중앙성) 지키려 하기도 했어요.

이런 하드웨어 경쟁의 결과, 채굴은 개인의 취미 영역에서 큰 자본과 값싼 전기를 갖춘 산업의 영역으로 옮겨 갔어요. 채굴기 수백에서 수천 대를 한곳에 모아 운영하는 채굴장이 대표적인 모습이에요.

이렇게 보면 쉬워요 · 만능 맥가이버칼(CPU)로 시작했다가, 이젠 오직 한 가지 일만 아주 잘하는 전용 공작기계(ASIC)를 쓰는 셈이에요.

5. 혼자 캐기 힘든데, 어떻게 같이 캘까요?

난이도가 높아지면서 개인이 혼자 채굴해 보상을 얻을 확률은 아주 낮아졌어요. 이걸 해결하려고, 여러 참여자가 계산력을 한데 모아 함께 블록을 찾고 보상을 각자 기여한 만큼 나누는 채굴 풀(mining pool)이 흔해졌어요. 풀에 들어가면 한 사람 몫으로 대박을 터뜨릴 확률은 낮아도, 꾸준하고 예측 가능한 수입을 얻을 수 있어요.

다만 채굴 풀에는 부작용이 있어요. 많은 계산력을 한곳으로 모으다 보니, 소수의 대형 풀이 네트워크 전체 해시레이트 중 상당 부분을 차지하게 되면 힘이 한쪽으로 쏠려 탈중앙성이 약해져요. 이론상으로는 51% 공격의 위험이 커진다는 걱정도 나와요.

한편 한 번의 작업으로 여러 블록체인을 동시에 채굴하는 병합 채굴처럼, 채굴 효율을 높이거나 보안을 나눠 쓰기 위한 여러 변형 기법도 있어요.

이렇게 보면 쉬워요 · 혼자 복권을 사면 당첨이 아득하지만, 동료끼리 돈을 모아 여러 장 사고 당첨금을 나누면 조금씩이라도 꾸준히 받는 것과 비슷해요.

6. 누가 장부를 조작할 수는 없나요?

작업증명 채굴의 보안은 '정직하게 채굴하는 게 공격하는 것보다 이득'이라는 경제적 계산에 기대고 있어요. 장부를 조작하려면 전체 네트워크 계산력의 절반이 넘는 힘을 확보해서, 정상 체인보다 더 빠르게 블록을 쌓아야 해요. 이걸 51% 공격이라고 불러요.

공격에 성공하면 자기가 보낸 거래를 되돌려서 이중지불을 시도할 수 있어요. 하지만 이걸 하려면 필요한 하드웨어와 전기 비용이 어마어마하고, 공격 사실이 알려지면 그 코인의 가치가 폭락해서 공격자 자신도 손해를 봐요. 이런 비용 구조가 큰 네트워크를 지키는 방패 역할을 해요.

반면 해시레이트가 낮은 작은 코인은 상대적으로 적은 비용으로 절반 넘는 계산력을 빌릴 수 있어서, 실제로 51% 공격 피해를 입은 사례가 있었어요. 결국 네트워크가 얼마나 안전한지는 그 네트워크가 확보한 해시레이트의 규모에 크게 좌우돼요.

이렇게 보면 쉬워요 · 금고를 부수는 데 드는 돈이 금고 안 돈보다 훨씬 크면 아무도 안 부수는 것과 같아요. 그런데 작은 금고는 부수는 값이 싸서 위험하죠.

7. 채굴 말고 다른 방법은 없나요?

작업증명은 전기를 너무 많이 쓴다는 비판을 받아 왔고, 그래서 이를 대신하는 합의 방식도 퍼지고 있어요. 이더리움은 2022년 이른바 '더 머지(The Merge)'를 통해 채굴 방식을 지분증명으로 바꿨어요. 지분증명 계열에서는 코인을 맡겨 두는(스테이킹) 방식으로 블록 만들 권리를 얻기 때문에, 계산력 경쟁에 기반한 전통적인 의미의 '채굴'과는 구조가 달라요.

지분증명 말고도, 맡겨 둔 사람들이 대표를 뽑아 블록 만드는 일을 맡기는 위임 지분증명, 저장 공간을 활용해 전기 소비를 줄이려는 용량 증명 같은 여러 방식이 나왔어요. 용량 증명 계열은 계산을 계속하는 대신, 디스크에 미리 저장해 둔 값을 찾아보는 방식이라 에너지 효율이 좋다는 점을 내세워요.

다만 각 방식은 저마다 장단점이 있어요. 지분증명은 에너지 효율이 뛰어난 대신, 지분(맡겨 둔 코인)이 많은 참여자에게 권한이 쏠릴 수 있다는 지적을 받아요. 작업증명은 비효율적이긴 하지만, 실제로 들인 물리적 에너지가 곧 보안이 되는 단순하고 검증된 구조라는 평가를 받아요.

이렇게 보면 쉬워요 · 문제를 열심히 풀어서 자격을 얻는 방식(작업증명)과, 보증금을 맡겨서 자격을 얻는 방식(지분증명)의 차이예요.

8. 전기를 그렇게 많이 써도 괜찮을까요?

작업증명 채굴은 정답을 찾기 위해 사실상 의미 없어 보이는 계산을 쉬지 않고 반복해요. 이 점이 전기 소비를 둘러싼 오랜 논쟁의 원인이 돼 왔어요. 대규모 채굴장은 한 나라가 쓰는 만큼의 전기를 쓴다는 지적도 나오는데, 이는 환경 부담과 탄소 배출 문제로 이어졌어요.

채굴업계는 이에 대응해 수력·지열·풍력 같은 재생에너지를 쓰거나, 버려지는 전기나 천연가스를 활용하는 방향을 찾아 왔어요. 채굴장이 값싼 전기를 찾아 이 나라 저 지역으로 옮겨 다니는 현상도 이런 비용 구조에서 나온 거예요.

환경 문제는 이더리움이 지분증명으로 바꾼 주요 명분 중 하나였고, 여러 나라에서 채굴 규제 논의를 불러온 배경이기도 해요. 반대로 채굴을 옹호하는 쪽에서는, 전기를 쓰는 것 자체가 네트워크 보안을 위해 치르는 대가이며, 남는 에너지를 돈으로 바꿔 주는 순기능도 있다고 반박해요.

이렇게 보면 쉬워요 · 튼튼한 성벽을 쌓으려면 벽돌(전기)이 잔뜩 들어가는데, 그 벽돌값이 아깝다는 쪽과 그게 곧 방어력이라는 쪽이 다투는 셈이에요.

9. 채굴로 돈은 어떻게 벌까요?

채굴이 돈이 되는지는 코인 가격, 채굴 난이도, 전기요금, 장비 성능 이 네 가지의 균형으로 정해져요. 코인 가격이 오르면 새 채굴자가 몰려 해시레이트가 오르고, 그만큼 난이도도 올라가서 채굴자 한 명 한 명이 버는 수익성은 다시 낮아지는 쪽으로 시장이 조정돼요.

반대로 가격이 크게 떨어지면 전기요금조차 못 감당하는 채굴자가 장비를 끄고 떠나면서, 해시레이트가 줄고 난이도도 낮아져요. 특히 반감기로 발행 보상이 절반이 되는 시점에는, 채굴 원가를 못 버티는 비효율적인 장비가 한꺼번에 퇴출되는 흐름이 나타나곤 해요.

이 때문에 채굴은 값싼 전기를 확보하는 게 사업의 성패를 가르는 장치 산업의 성격을 띠게 됐어요. 일부 대형 채굴 기업은 주식 상장을 통해 돈을 모으며 제도권 산업으로 들어왔어요. 채굴로 새로 나온 코인이 시장에 팔리면 그만큼 공급 물량이 되어 가격에 영향을 주기 때문에, 채굴은 암호화폐 시장 구조와도 밀접하게 이어져 있어요.

이렇게 보면 쉬워요 · 금값이 오르면 광부가 몰려 캐기 경쟁이 심해지고, 그러면 한 사람이 캐는 몫은 다시 줄어드는 것과 같아요.

10. 앞으로 채굴은 어떤 숙제를 안고 있을까요?

작업증명 채굴은 몇 가지 구조적인 숙제를 안고 있어요. 첫째는 보상 감소 문제예요. 반감기가 거듭될수록 새로 발행되는 코인이 줄어들기 때문에, 먼 미래에는 거래 수수료만으로도 채굴자에게 충분한 유인을 줄 수 있을지가 네트워크 보안이 계속 유지될 수 있느냐를 가르는 핵심 쟁점이 돼요.

둘째는 집중화예요. 고성능 ASIC과 값싼 전기를 갖춘 대형 채굴장, 그리고 소수의 대형 채굴 풀로 계산력이 쏠리는 경향은 '누구나 참여하는 탈중앙 화폐'라는 본래 이상과 부딪히는 긴장 관계에 있어요.

셋째는 규제와 환경이에요. 여러 나라가 전기 소비와 자금세탁 우려를 이유로 채굴 규제를 검토하면서, 채굴 산업은 정책 변화에 민감해졌어요. 이더리움처럼 주요 프로젝트가 지분증명으로 옮겨 간 흐름 속에서도, 비트코인을 비롯한 작업증명 네트워크는 '물리적 에너지가 곧 보안'이라는 원칙을 지키며 이런 숙제들에 대응해 나가고 있어요.

이렇게 보면 쉬워요 · 보상은 줄고, 힘은 큰 곳에 쏠리고, 규제는 죄어 오는 세 가지 숙제를 동시에 풀어야 하는 상황이에요.