Mining mit Grafikkarten: Ethereum schürfen im Selbstversuch

Johannes Kneussel et al. 451 Kommentare
Mining mit Grafikkarten: Ethereum schürfen im Selbstversuch

tl;dr: Seit Anfang Juni ist das Thema „Mining mit Grafikkarten“ erneut in aller Munde, denn zur Computex war bekannt geworden, dass AMDs Polaris-GPUs deshalb kaum zu bekommen sind. Was hinter dem Schürfen der virtuellen Währungen wie Bitcoin und Ethereum steckt, hat ComputerBase im Selbstversuch mit bis zu sieben GPUs erfahren.

Mining im Selbstversuch: Von der Idee bis zur Überweisung

Wer sich im Zuge der Berichterstattung zur Knappheit von Polaris-GPUs durch Mining-Farmen auf ComputerBase weiterführend zum Thema Mining informieren wollte, der fand sich schnell einem fast unüberschaubaren Wust an Informationen, Programmen, Tipps und Tricks gegenüber. Der Redaktion ging es ähnlich.

Erschwerend kommt hinzu: Viele der über Google sofort auffindbaren Anleitungen sind entweder veraltet, lassen wesentliche Informationen aus oder betrachten nur einen Teilaspekt wie die Nutzung der Software zum Minen, nicht aber die richtige Hardware-Auswahl oder den Rattenschwanz „Zahlungsmodalitäten“.

Ether-Mining im Selbstversuch

Um diese Wissenslücken zu füllen, hat sich die Redaktion von ComputerBase über die letzte Woche selbst im Minen von Ethereum versucht, knapp 0,3 Ether (Kurswert ca. 85 US-Dollar) wurden geschürft. Doch bis es so weit war, ist ComputerBase immer wieder auf neue Fragestellungen und Hürden gestoßen – so einfach ist das mit dem Mining am Ende nämlich doch nicht.

Dieser Artikel klärt deshalb nicht nur, was hinter den virtuellen Kryptowährungen steckt, sondern auch, welche Software- und Hardware-Voraussetzungen es gibt und wie die Installation und die Zahlungsabwicklung vonstatten gehen. Benchmarks zu über einem Dutzend Grafikkarten inklusive Messung des Stromverbrauchs und einen Erfahrungsbericht zum Minen mit parallel sieben GPUs über ein Wochenende gibt es auch.

Ausgesuchte Komponenten für einen Mining-PC mit drei GPUs
Ausgesuchte Komponenten für einen Mining-PC mit drei GPUs

Grundsätzlich gilt es dabei die besondere Ausgangssituation der Redaktion für diesen Versuch zu bedenken: Investitionen in Hardware mussten nicht getätigt werden, alle verwendeten Komponenten lagen aus Teststellungen für ältere Artikel bereits vor. Es einfach einmal auszuprobieren, war damit lediglich eine Frage der Motivation und der zur Verfügung gestellten Zeit.

Update 14.07.2017 10:30 Uhr

Inzwischen ist das von der Redaktion vor zwei Wochen geschürfte Ether in Euro auf einem deutschen SEPA-Konto eingetroffen. Der Artikel wurde um einen Abschnitt zum Ablauf der Auszahlung, den damit verbundenen potentiellen Fallstricken sowie einem Überblick der anfallenden Gebühren ergänzt.

Nicht angepasst wurden die im Artikel auf Basis des Kurses von Ether erstellten Beispielrechnungen, da der Kurs täglichen Schwankungen unterliegt. Erstleser sollten die deutlich negative Kursentwicklung von Ethereum der letzten drei Wochen allerdings zwingend berücksichtigen. Auf der Kostenseite hat es hingegen bisher nur wenig Entspannung gegeben: Die am 3. Juli von der Redaktion ermittelten Preise für Grafikkarten in Folge von Mining werden mittlerweile zwar leicht unterboten und auch gebrauchte Modelle auf eBay kosten weniger Geld, das Niveau bleibt allerdings absurd hoch und die Verfügbarkeit schlecht.

Wie funktionieren Bitcoin- und Ethereum-Mining?

Bitcoin und Ethereum sind virtuelle Währungen, deren Zahlungssystem dezentral ausgelegt ist. Das heißt, die Verwaltung des gesamten Systems wird von keiner klassischen zentralen Institution wie einer Bank übernommen, sondern von einer beliebig großen Anzahl an Teilnehmern. Sie verifizieren Überweisungen (Transaktionen) und führen darüber Protokoll, abgelegt in der sogenannten Blockchain, die alle jemals getätigten Transaktionen in chronologischer Reihenfolge in aneinander gereihten Blöcken enthält. Und zwar nach einem ganz bestimmten System. Die dafür genutzten Algorithmen sind bewusst rechenintensiv. Erstens, weil sie zur Absicherung gegen Betrug auf Kryptografie setzen. Und zweitens, weil der Rechenaufwand für sich genommen ein weiterer Schutz gegen Manipulation ist. Einen echten inhaltlichen Grund für den hohen Aufwand gibt es hingegen nicht.

Mining durch das Berechnen von Blocks der Blockchain

Blocks sind Datenmengen, die eine oder mehrere Transaktionen beinhalten. Diese Blocks sind mit einer Prüfsumme versehen. Auf den ersten Block mit einem bestimmten Hashwert folgt der zweite Block, der den Hashwert des ersten Blocks wiederum selbst enthält. Der dritte Block enthält nun selbst wieder den Hash des zweiten Blocks in der eigenen Prüfsumme usw. Dadurch entsteht eine eindeutige Reihenfolge. Würde nun ein potenzieller Angreifer einen Wert modifizieren, würde sich nicht nur der Hash eines Blocks ändern, sondern die komplette nachfolgende Blockchain.

Als weitere Sicherheitsmaßnahme kommt die benötigte Rechenleistung hinzu. Durch die aufwendigen kryptografischen Rechenaufgaben und den damit verbundenen Proof of Work soll sichergestellt werden, dass eine nachträgliche Manipulation in der Praxis nicht lohnenswert ist, da ein Angreifer für die Etablierung eines modifizierten Blocks mehr Rechenleistung aufbringen müsste, als alle ehrlichen Teilnehmer zusammen.

Der Ablauf bei einer Transaktion im Netzwerk ist der folgende:

  • Neue Transaktionen werden an alle Teilnehmer versandt. Das können einzelne Systeme sein, auf denen die Software läuft, oder sogenannte Pools, in denen tausende Rechner zusammenarbeiten.
  • Jeder Teilnehmer bzw. Pool erstellt aus neuen Transaktionen einen Block.
  • Jeder Teilnehmer sucht nach einer Proof-of-Work-Lösung.
  • Ist eine Lösung gefunden, wird diese wiederum an alle Teilnehmer geschickt.
  • Der Block wird anschließend, wenn er gültig ist, von anderen Teilnehmern validiert.
  • Teilnehmer akzeptieren den Block dadurch, dass sie mit der Arbeit am nächsten, auf dem akzeptierten Block basierenden Block beginnen.

Wer eine Transaktion absichert, wird belohnt

Für das Erstellen eines neuen Blocks erhält der Miner oder sein Pool eine Belohnung von 5 Ether-Token (Ethers) plus die für die Transaktionen bezahlten Gebühren. Die Gebühren zahlt der, der im Netzwerk überwiesen hat (je schneller das gehen soll, desto höher muss die Gebühr ausfallen), die 5 Ether werden hingegen neu geschaffen. Deshalb wird dieser Prozess auch als „Mining“ bezeichnet. Auch Anwender, die mit ihrem Block nicht erfolgreich waren, erhalten als Ausgleich „manchmal“ einen Betrag von 2 oder 3 Ether („uncle/aunt reward“).

Die Geldmenge im Netzwerk wächst stetig

Ein neuer Block wird zum aktuellen Zeitpunkt durchschnittlich alle zwölf Sekunden erzeugt. Und das ist kein Zufall. Die Entstehung neuer Blocks wird durch einen automatisierten Schwierigkeitsgrad geregelt, um der sich verändernden Rechenkapazität im gesamten Netzwerk Rechnung zu tragen. Werden Blocks häufiger als alle 12 Sekunden erzeugt, wird die Schwierigkeit erhöht. Sollte die Erstellung mehr als 12 Sekunden dauern, wird die Schwierigkeit entsprechend reduziert.

Ethereum können auch GPUs noch schürfen

Ethereum ist hinter Bitcoin die aktuell am häufigsten verbreitete Kryptowährung. Das Mining funktioniert zwar grundsätzlich auf die gleiche Art und Weise, dennoch gibt es einen wesentlichen Unterschied: Die bei Ethereum erforderlichen Berechnungen profitieren zumindest derzeit noch zu stark von hohen Speicherbandbreiten und benötigen mindestens 2 GB Speicherkapazität, was den Einsatz von spezialisierten „Application Specific Integrated Circuits“ (ASICs) bisher nicht möglich gemacht hat.

Die effizienteste Berechnung im Ethereum-Netzwerk findet deshalb aktuell auf GPUs statt, das beste Verhältnis aus Preis und Leistung findet sich bei Grafikkarten von AMD. Warum das so ist, zeigen die folgenden Benchmarks und Messungen der Leistungsaufnahme.

Heiß begehrt: AMD RX 580 für Mining gut geeignet
Heiß begehrt: AMD RX 580 für Mining gut geeignet

15 Grafikkarten im Mining-Benchmark

Die Teilnahme am Ethereum-Netzwerk setzt einen PC mit Windows, Linux oder Mac OS und mindestens einer ausreichend energieeffizienten und leistungsstarken GPU voraus. Wer alleine und nicht im Pool schürft, benötigt darüber hinaus schnell über 100 GB Speicherplatz, um die komplette Blockchain lokal spiegeln zu können. Lädt man nicht die komplette Blockchain, sondern nur die Header, sind es trotzdem noch zahlreiche Daten, die gespeichert werden müssen.

Leistung in MH/s

Die nachfolgenden Benchmarks wurden mit dem Programm ETHMiner (Download) in der Version 0.10.0 durchgeführt. Alle Grafikkarten von AMD nutzten die API OpenCL, die von Nvidia dagegen CUDA. CUDA liefert auf einer GeForce-Grafikkarte minimal bessere Werte als mit OpenCL ab. Als Treiber waren der GeForce 382.53 beziehungsweise der Crimson 17.6.2 installiert. Das Testsystem basierte auf einem Intel Core i7-4770K (4C/8T) und einem acht Gigabyte großen Arbeitsspeicher.

AMD ist beim Mining stark

Die Rangordnung beim Mining von Ethereum ist anders als von Spielen bekannt. Die schnellste Grafikkarte für die Ethereum-Währung ist mit etwa 31,7 MH/s (Mega-Hashes per Second) zwar ebenfalls die GeForce GTX 1080 Ti, doch ist die Konkurrenz deutlich näher dran: Schon auf Platz 2 liegt die Radeon R9 Fury X von AMD, die dank der hohen theoretischen Rechenleistung und der sehr hohen HBM-Speicherbandbreite auf 28,3 MH/s kommt und damit nur 11 Prozent langsamer als Nvidias Flaggschiff ist. Auf dem dritten Platz liegt die Radeon R9 390 mit 27,2 MH/s. Knapp dahinter landet auf dem vierten Platz die GeForce GTX 1070 mit 26,6 MH/s.

Ethereum-Mining – Performance
Angaben in Mhash/s
  • OpenCL (AMD), CUDA (Nvidia):
    • Nvidia GeForce GTX 1080 Ti
      31,7
    • AMD Radeon R9 Fury X
      28,3
    • AMD Radeon R9 390
      27,2
    • Nvidia GeForce GTX 1070
      26,6
    • AMD Radeon RX 580
      24,1
    • AMD Radeon RX 480
      23,8
    • AMD Radeon RX 570
      22
    • Nvidia GeForce GTX 1080
      21
    • AMD Radeon RX 470
      20,5
    • Nvidia GeForce GTX 1060
      18,9
    • AMD Radeon R9 380
      18,2
    • Nvidia GeForce GTX 1050 Ti
      11,5
    • AMD Radeon RX 460
      10,9
    • Nvidia GeForce GTX 970
      3
    • Nvidia GeForce GTX 960
      2,3

Und wo ist die GeForce GTX 1080? Sie kommt bei Ethereum nur auf 21 MH/s und ist damit 21 Prozent langsamer als die eigentlich schwächere GeForce GTX 1070. Der Grund dafür ist im GDDR5X-Speicher zu finden, der den Programmen zum Minen mit seinen Latenzen derzeit noch Probleme bereitet. Dies ist auch der Grund für den geringen Unterschied von der GeForce GTX 1070 mit GDDR5 zur GeForce GTX 1080 Ti mit GDDR5X, der nur 19 Prozent beträgt.

Die Polaris-Beschleuniger sind durch die Bank schnell

Eine hohe Performance liefert auch die Polaris-Generation von AMD ab. Die Radeon RX 580 kommt auf 24,1 MH/s und liegt damit nur 9 Prozent hinter der GeForce GTX 1070 zurück. Sie ist 28 Prozent schneller als die in Spielen konkurrierende GeForce GTX 1060. Auch die Radeon RX 470 ist mit 20,5 MH/s noch schneller unterwegs.

Keine Chance hat Nvidias Maxwell-Generation im Test: Mit gerade einmal 2,3 (GTX 960) und 3,0 MH/s (GTX 970) sind beide Grafikkarten extrem langsam unterwegs. Das ist allerdings nicht immer der Fall, hier scheint der verwendete Treiber oder die Kombination mit dem Testsystem aktuell Probleme zu bereiten.

Leistungsaufnahme und Effizienz

Die pure Leistung ist beim Mining allerdings nur eine der drei wesentlichen Variablen, die Anschaffungskosten und – insbesondere in Ländern mit hohen Energiekosten – der Stromverbrauch sind zwei weitere. Und in der Kombination dieser Aspekte findet sich dann auch der Grund für die hohe Nachfrage nach AMD Polaris.

Grundsätzlich liegt die Leistungsaufnahme bei allen Modellen ein gutes Stück unter den Messwerten im Spielebetrieb. So benötigt zum Beispiel die Radeon RX 580 beim Spielen im Schnitt 188 Watt, beim Mining sind es dagegen etwas geringere 160 Watt. Und die GeForce GTX 1060 kommt beim Gaming auf 111 Watt, bei Ethereum dagegen auf 92 Watt. Die Abstände der AMD- und der Nvidia-Grafikkarten zueinander sind dagegen in den meisten Fällen sehr ähnlich.

Im Gesamtsystem rücken AMD und Nvidia zusammen

Die Messung des Gesamtsystems lässt die Abstände dann deutlich schrumpfen. Zum einen, weil die anderen Komponenten die relativen Abweichungen dämpfen. Zum anderen, weil deren Auslastung zwischen AMD und Nvidia beim Mining offenbar nicht identisch ist. Offensichtlich verbraucht der Rest des Rechners mit Grafikkarten von AMD weniger Strom, so dass diese Systeme auf Rechner mit GeForce aufholen können.

Beim wesentlichen Verhältnis aus Leistungsaufnahme in Watt pro MH/s Leistung liegen Grafikkarten mit GPUs vom Typ Pascal, Polaris und Fiji bei Betrachtung des Stromverbrauchs des Gesamtsystems fast gleichauf, Hawaii fällt leicht zurück. Zusammen mit dem deutlich geringeren Anschaffungspreis für AMDs Mittelklasse-Grafikkarten mit Polaris-GPU ist damit die Nachfrage nach diesen Grafikkarten sehr eindrucksvoll erklärt. Der nachfolgende Abschnitt macht es aber noch deutlicher.

Polaris untertaktet ist unschlagbar

Wer die GPU auf einer Grafikkarte von AMD manuell heruntertaktet (!), kann die Effizienz beim Minen massiv erhöhen. Denn dann verringert sich die Leistungsaufnahme deutlich, während die Hashrate kaum fällt. Ganz anders sieht es dagegen auf einer Nvidia-Grafikkarte aus. Dort ändert sich sowohl an der Leistungsaufnahme als auch an der Geschwindigkeit kaum etwas. Was man dagegen nicht anfassen sollte, ist der Speichertakt: Bereits 100 oder 200 MHz weniger lassen die Hashrate sofort sinken, ohne dass die Leistungsaufnahme signifikant sinkt. Die folgenden Beispiele sollen das verdeutlichen.

Der Verbrauch bei Polaris fällt stärker als die Leistung

Die Radeon RX 580 lässt sich von 1.340 MHz ab Werk um maximal 635 MHz auf 705 MHz untertakten, mehr ist nicht möglich. Mit einem GPU-Takt von nur 705 MHz berechnet die Radeon-Grafikkarte jedoch immer noch hohe 20,4 MH/s, wird also nur um 15 Prozent langsamer. Gleichzeitig benötigt die Grafikkarte jedoch nur noch 90 Watt anstatt 160 Watt – das sind satte 44 Prozent weniger. Der Verbrauch des Gesamtsystems liegt so nur noch bei 167 Watt, anstatt bei 215 Watt.

Wer am GPU-Takt Schritt für Schritt dreht, wird schnell feststellen, dass ein paar MHz mehr oder weniger oft überhaupt keinen Unterschied machen. Ab und zu gibt es jedoch größere Sprünge. Einen schier riesigen Sprung macht die Radeon RX 580 beispielsweise bei 900 MHz, weil sie hier in einen anderen Powerstate mit niedrigerer Spannung wechselt. Die Leistungsaufnahme sinkt von 160 Watt um 42 Watt auf 118 Watt (minus 26 Prozent), die Mining-Leistung aber nur von 24,1 MH/s auf 23,5 MH/s (minus 2,5 Prozent). Bei den deutschen Strompreisen ist dieser Modus dem Werkszustand definitiv vorzuziehen.

Pascal wird mit weniger Takt kaum effizienter

Ganz anders ist das Ergebnis auf einer GeForce GTX 1060, die sich unberührt zeigt. Selbst mit 400 MHz weniger Takt und damit einem Basistakt von 1.106 MHz (weniger ist nicht möglich) sinkt zwar die Hashrate nur um drei Prozent, die Leistungsaufnahme aber auch nur um fünf Prozent.

Die CPU ist nicht von Relevanz

Kaum eine Rolle bei der Berechnung für Ethereum spielen hingegen die CPU und der im System eingesetzte Arbeitsspeicher. Bei der Nutzung von ETHMiner zeigt sich nach einer Stunde unter Windows 10 eine Belegung des Hauptspeichers von unter 3 GB, die Auslastung der CPU (Ryzen 7 1700X) liegt bei einem bis acht Prozent.

CPU und Arbeitsspeicher werden quasi nicht gefordert
CPU und Arbeitsspeicher werden quasi nicht gefordert

Diese Verteilung der Anforderung an die Hardware ist der Grund für die aktuellen Neuvorstellungen der Mainboard-Hersteller, die Platinen mit bis zu zwölf PCIe-x1-Slots präsentieren. Um die Anschaffungskosten und den Stromverbrauch so niedrig wie möglich zu halten, ist die Kombination aus möglichst vielen GPUs und möglichst wenig sonstigen Komponenten wesentlich.

Mining-Mainboard Biostar TB250-BTC PRO
Mining-Mainboard Biostar TB250-BTC PRO
Mining-Mainboard Biostar TB250-BTC PRO
Mining-Mainboard Biostar TB250-BTC PRO (Bild: Biostar)

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