プルーフ・オブ・ワークとは？仕組みを解説

プルーフ・オブ・ワーク（proof of work、PoW）とは、マイナーと呼ばれるコンピューターが計算パズルを解く競争を行い、勝者がブロックチェーンに次の取引ブロックを追加する権利を得るコンセンサスメカニズムです。パズルを解くには膨大な回数の試行と実際のエネルギーが必要ですが、答えは誰でも瞬時に検証できます。そのため、台帳は攻撃するには高くつき、確認するには安く済みます。

これは2009年以来、Bitcoinを守ってきた仕組みです。これを理解すれば、マイニングがなぜ存在するのか、Bitcoinがなぜ大量の電力を使うのか、そして一部のネットワークがなぜプルーフ・オブ・ステークなどの代替手段に移行したのかがわかります。

プルーフ・オブ・ワークが解決する問題

分散型の台帳には、どの取引が有効かを決める中央銀行や企業が存在しません。一部の参加者が不正を働く可能性があっても、何千台もの独立したコンピューターがひとつの履歴に合意しなければなりません。Litecoinになじみがない方は、まずLitecoin（LTC）とは何か、その仕組みからお読みください。

最も難しいのは二重支払い、つまり矛盾する取引をブロードキャストして同じコインを二度使うことを防ぐことです。プルーフ・オブ・ワークは、ブロックの作成にコストがかかるようにすることでこれを解決します。有効なチェーンは累積された作業量が最も多いチェーンなので、攻撃者がそれを書き換えるには、ネットワークの残りすべての計算能力の合計を上回らなければなりません。Ethereum Classic（ETC）の2026〜2027年の価格シナリオでは、同じカタリストとリスクのアプローチを関連プロジェクトに当てはめています。さらに深く知りたい方は、コンセンサスメカニズムとは？仕組みを解説をお読みください。

このアイデアはBitcoinより前から存在します。1997年にAdam Backが提案したHashcashは、似たようなパズルを使ってスパムメールの送信にコストがかかるようにしました。Satoshi Nakamotoはこの概念をBitcoinのホワイトペーパーで応用しました。

マイニングの仕組みをステップごとに解説

1. 1取引を集める。 マイナーはメンプールから未処理の取引を集め、候補ブロックを組み立てます。
2. 2ブロックヘッダーを作る。 ヘッダーには、前のブロックへの参照、取引の要約、タイムスタンプ、ナンスと呼ばれるフィールドが含まれます。
3. 3ハッシュ計算を繰り返す。 マイナーはヘッダーをハッシュ関数（Bitcoinの場合はSHA-256を2回）にかけ、試行のたびにナンスやその他のフィールドを変更します。
4. 4ターゲットを確認する。 得られたハッシュがネットワークの難易度ターゲットを下回っていれば、パズルは解けたことになります。そうでなければ、もう一度試します。
5. 5ブロックをブロードキャストする。 勝ったマイナーがブロックを共有します。ほかのノードはそれを一瞬で検証します。
6. 6報酬を受け取る。 マイナーはブロック補助金（新たに発行されたコイン）と取引手数料を受け取ります。

ハッシュの出力は予測できないため、有効なハッシュを見つける唯一の方法は総当たりで推測することです。Bitcoinマイニングのガイドでは、ハードウェアと経済性について解説しています。

難易度調整

マイナーが増えればブロックは早く見つかり、マイナーが減れば遅くなります。一定のペースを保つため、プルーフ・オブ・ワークのネットワークは難易度を自動的に調整します。

Bitcoinは2,016ブロックごと、つまりおよそ2週間ごとに難易度を再計算し、平均10分に1ブロックを目指しています。ほかのネットワークはもっと頻繁に調整します。このフィードバックループにより、大きな割合のマイナーが突然停止しても、ネットワークは動き続けます。あわせて読みたい：暗号資産とは？初心者向けのわかりやすいガイド。

セキュリティ：51%攻撃

プルーフ・オブ・ワークのセキュリティは、過半数のハッシュパワーを手に入れるためのコストに支えられています。その半分以上を握った攻撃者は、次のことができます。

• 直近の取引を並べ替えたり、除外したりする。
• 承認済みの取引を置き換えて、自分のコインを二重に使う。

一方で、ほかの人のアドレスからコインを盗んだり、プロトコルのルールを超えてコインを作り出したりすることはできません。すべてのノードが引き続き署名とルールを確認しているからです。

Bitcoinでは、こうした攻撃のコストは莫大です。小規模なプルーフ・オブ・ワークのチェーンでは事情が異なり、たとえばEthereum Classicは2019年と2020年に何度か51%攻撃を受けました。51%攻撃とは何かの解説記事でさらに詳しく取り上げています。

プルーフ・オブ・ワークとプルーフ・オブ・ステークの比較

Ethereumは2022年9月にプルーフ・オブ・ワークからプルーフ・オブ・ステークへ移行しました。詳しい比較はPoWとPoSの違いをご覧ください。記事MoneroとBitcoinの比較でもこの点を掘り下げています。

マイニングアルゴリズムの違い

すべてのプルーフ・オブ・ワークのコインが同じパズルを使っているわけではありません。

• SHA-256 — BitcoinとBitcoin Cash。ASICと呼ばれる専用マシンが主流です。
• Scrypt — LitecoinとDogecoin。この2つはマージマイニングで同時に採掘できます。
• RandomX — Monero。一般的なCPUに有利になり、ASICに対抗するよう設計されています。
• Etchash — Ethereum Classic。

どのアルゴリズムを選ぶかによって、誰が利益を出してマイニングできるか、マイニングがどれほど集中するかが変わります。あわせて読みたい：メンプールとは？

批判とリスク

• エネルギー消費。 Bitcoinのマイニングは大量の電力を使います。支持者は、余剰電力や行き場のないエネルギーの活用が増えていると主張し、批判者はいずれにせよ無駄だと主張しています。
• マイニングプールへの集中。 個人マイナーの多くは、報酬を平準化するためにプールに参加します。少数の大規模プールがハッシュパワーの大きな割合を握ることがありますが、個々のマイナーはプールを乗り換えることができます。
• ハードウェアの集中化。 ASICの製造は少数の企業に集中しています。
• 長期的なセキュリティ予算。 Bitcoinのブロック補助金はおよそ4年ごとに半減するため、マイナーの収入に占める手数料の割合を高める必要があります。
• 小規模チェーンの脆弱性。 ハッシュパワーの小さいコインは、レンタルした計算能力で攻撃される可能性があります。

まとめ

プルーフ・オブ・ワークは、ブロックの生成を高コストに、検証を低コストにすることでブロックチェーンを守ります。Bitcoinでは比類のない実績を持つ一方、かなりのエネルギーを消費し、そのセキュリティはネットワークの規模に大きく左右されます。プルーフ・オブ・ワークのコインを評価するときは、どれだけのハッシュパワーがそれを守っているか、マイニングがどれほど集中しているか、そしてネットワークが長期的にセキュリティの費用をどう賄うのかを確認しましょう。