Quand la blockchain consomme plus d'énergie que certains pays...

Daniel Guinier est Expert de justice honoraire et ancien Expert près la Cour Pénale Internationale de La Haye.

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Les livres-registres sont indispensables pour la consignation et la validation des transactions et des actes. Avec la dématérialisation, ils nécessitaient des calculs et des vérifications centralisés et le recours à un tiers de confiance, puis ont évolué au gré de systèmes à présent distribués. La désintermédiation repose alors sur la confiance partagée par un consensus formellement établi. La croyance en un tel protocole vient de la conviction que les règles reposant sur des algorithmes et des données, sans aucun intermédiaire ni tiers de confiance, ne peuvent être transgressées. Celles classiquement édictées pour être exécutées par des interactions humaines sont définies en amont, sous forme de lignes de code, pour être automatiquement exécutées de façon décentralisée et autonome.

C'est dans le contexte de la crise financière de 2008, engendrant une crise de confiance, qu'est apparue la cryptomonnaie Bitcoin, comme premier système de paiement basé sur le concept de blockchain. Il s'agit d'une évolution majeure vers un livre-registre infalsifiable de l'historique de faits synchronisés répliqué en nombre suffisant dans un réseau pair-à-pair. La technologie s'inscrit dans un écosystème complexe et relève d'une rupture fondée sur un changement radical de la notion de confiance. Actuellement, la plupart des 1500 cryptomonnaies connues se fondent sur cette base pour leurs transactions et il existe de fortes demandes pour intégrer une blockchain dans des produits et services, notamment dans des contrats dits "intelligents". Les initiatives sont nombreuses et dispersées dont certaines sont prématurées ou en attente de preuve de concept, tandis que de nouveaux protocoles de consensus distribués émergent.

L'intention de l'auteur est de montrer que la blockchain liée à Bitcoin est très consommatrice d'énergie et que d'autres schémas de consensus moins énergivores sont envisageables tout en préservant les propriétés de désintermédiation, de résilience, de traçabilité et la sécurité.

La blockchain en général et son fonctionnement 

Une blockchain est implémentée sous forme de blocs chaînés représentant des données qui contiennent l’historique de tous les faits depuis sa création. Elle est partagée par l'ensemble des utilisateurs sans aucun intermédiaire, de façon à ce que chacun soit en mesure de vérifier librement la validité des informations associées aux "faits" numériques : transactions, documents (pièces d’identité, dossiers médicaux, diplômes, contrats, actes, données de traçabilité, etc.). On pourrait ainsi définir la blockchain comme un livre-registre anonyme et infalsifiable de l'historique des faits synchronisés et répliqués sur divers points d'un réseau pair-à-pair, dénommés "nœuds", en nombre suffisant pour rendre le système résilient.

Un mécanisme automatisé fixe la façon dont les blocs doivent être vérifiés et garantit que les nœuds participants s'entendent pour que seules des transactions authentiques puissent être ajoutées. Il décide parmi les participants lequel crée le prochain bloc validé de la chaîne et le schéma de consensus, soutenu par des algorithmes, est différent selon le type de blockchain. En conséquence, le délai de création d'un nouveau bloc est variable. Pour Bitcoin, il est de l'ordre de dix minutes et beaucoup moins pour d'autres. Aux mécanismes de consensus sont associés des moyens de preuves pour éviter les actes frauduleux.

Difficultés associées à la preuve de travail 

Pour la blockchain Bitcoin (BTC) mais aussi Ethereum, Litecoin, Monero, etc., il est exigé une preuve de travail (PoW, pour Proof of Work) pour chaque ajout de transaction. Cet effort, connu sous le nom de "minage", est très exigeant en calculs mathématiques. Aussi, le créateur d'un bloc valide est récompensé par un montant établi en cryptomonnaie, laquelle est divisée par deux tous les quatre ans environ. Ainsi, de 50,0 BTC par bloc en 2012, elle est passée à 6,25 BTC en 2020. De plus, les mineurs étant en concurrence, le minage de Bitcoin n’est plus une activité rentable pour les particuliers. Seuls des sites industriels peuvent encore en tirer profit. Par ailleurs, la difficulté augmente tous les 2016 blocs, de façon à ce que le temps de génération de 2016 nouveaux blocs reste constamment fixé à 14 jours, indépendamment de la puissance de calcul fournie. Il est rajouté une difficulté adaptable en fonction de la puissance totale de calcul du réseau aux fins d’ajuster le temps moyen de création d’un bloc à environ 10 minutes.

Un logiciel approprié effectue automatiquement les calculs de façon à constituer la preuve de travail. Il s'agit de rechercher une valeur dénommée nonce, à partir d'un nombre pseudo-aléatoire et de la concaténation avec les autres éléments de l’en-tête du bloc candidat pour aboutir, après deux tours d’une fonction cryptographique de hachage irréversible (SHA256), à un résultat d’une valeur inférieure à un certain seuil établi en fonction de la difficulté retenue par le réseau. Plus cette dernière est élevée, plus le résultat devra commencer par un nombre important de zéros. Tant que le résultat obtenu ne débute pas par ce nombre minimum de zéros, l'opération est réexécutée. Le challenge est engagé pour les opérateurs actifs situés au niveau d'un nœud du réseau, lesquels disposent du bloc courant de 1MB où sont groupés les faits à valider[1]. Ils vérifient d'abord que les signatures numériques sont correctes et que les conditions liées à chaque transaction sont réunies. Le premier d'entre eux à trouver un tel résultat en fait l'annonce aux autres et, après vérification, il acquiert le droit d’ajouter le bloc afférent à la version locale de la blockchain enregistrée sur son ordinateur et de réclamer la récompense. Les unités de Bitcoin nouvellement générées viendront s’ajouter à celles en circulation. Cette version actualisée de la blockchain sera ensuite dupliquée sur l'ensemble du réseau.

Conséquences énergétiques liées à la preuve de travail 

Pour satisfaire la difficulté de la montée en puissance de calcul, les unités centrales (CPU) ont dû faire place à des cartes graphiques (GPU), puis à des cartes électroniques composées de circuits logiques programmables. Ensuite, la technologie des circuits intégrés spécifiques ASIC a été utilisée pour former des modules "extracteurs" d'une plus grande puissance. Enfin, des "fermes" regroupant un grand nombre de modules ont vu le jour, équipées pour délivrer une puissance plus considérable. En fait, dès le début, la difficulté du minage est en croissance exponentielle, passant ainsi à plus de 3TeraHashs/s dès 2018. La situation a obligé des investissements encore plus importants ou de conclure des contrats de services avec des sociétés de minage, ou pour le moins la coopération étroite entre mineurs.

Dans ce temps, la cybercriminalité, bénéficiant déjà de Bitcoin pour monnayer ses activités, s'est développée en direction du détournement frauduleux de la capacité de calcul d'un grand nombre d'ordinateurs tiers. A l'insu de l'utilisateur légitime dont le système est compromis par un logiciel malveillant, un programme installé discrètement participe au minage qui fonctionne en réseau sur la base de "botnets", rendant le minage très rentable du fait de sa quasi-gratuité et du gain en récompense en cas de succès. C'est cela vouloir "le beurre et l’argent du beurre".

Il s'ensuit une consommation d'énergie électrique moyenne pour le réseau Bitcoin estimée à une centaine de TWh par an pour 2021[2], selon le Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index d'avril 2021, ce qui avoisine 1 % de la consommation mondiale et plus ou moins celle de certains pays tels que la Suisse, la Norvège, la Belgique, la Finlande, l'Irlande, les Pays-Bas, l'Argentine, etc., et un cinquième de celle de la France qui oscille autour de 480 TWh par an. À titre informatif, un centre VISA procédant à 20 millions de transactions par jour n'exigerait que 2 % de la consommation de Bitcoin pour seulement 350 000 transactions par jour.

L'incidence énergétique pour la Chine a également été estimée à 46,04 %, dont 54,37 % pour la province du Xinjiang et 16,35 % pour le Sichuan. Il faut noter que la facture environnementale n'est pas anodine puisqu'une grande partie de l'électricité chinoise est produite par des centrales au charbon. À ce rythme, le minage risquerait de compromettre son objectif ambitieux d'atteindre la neutralité carbone d'ici 2060[3]. De ce fait, le minage est suspendu depuis peu dans les provinces du Sichuan et du Xinjiang. Pour cela, certaines entreprises de minage seraient à même d'envisager la délocalisation de leurs activités à l'étranger.

La consommation électrique excessive et en forte augmentation, résultant de ce schéma de consensus le plus utilisé, justifie pleinement que d'autres mécanismes soient recherchés et mis en œuvre d'urgence pour répondre à ce défit énergétique majeur.

Autres schémas de consensus existants

Un des défauts du schéma de consensus par la preuve de travail (PoW) précédemment examinée, à l'exemple de Bitcoin, d'Ethereum, etc., est que les calculs cryptographiques exigés sont extrêmement coûteux en investissements et en consommation électrique, alors qu'en même temps la vérification des transactions est lente. Par ailleurs, si un pays ou une organisation était en mesure de contrôler plus de la moitié de la puissance de calcul total du réseau, il le dominerait pour la validation des blocs. On parle alors d'attaque des 51 % à laquelle les chaînes les moins développées sont sensibles et en cas d'une faible participation au réseau.

D'autres schémas et leurs variantes sont apparus avec des avantages et des inconvénients en cherchant un compromis entre différents critères, concernant notamment la sécurité et la rapidité d'exécution. Quelques-uns sont ici brièvement exposés dans leurs principes.

La preuve de capacité (PoC, pour Proof of Capacity), à l'exemple de Burst, est une alternative à la preuve de travail fondée, non pas sur la puissance de calcul délivrée mais sur la capacité totale de stockage des réponses potentielles au niveau d'un nœud, pour pouvoir ainsi être le premier à en extraire la bonne réponse pour valider le bloc. Elle en possède les mêmes avantages tout en étant moins énergivore et les mêmes inconvénients concernant l'attaque des 51 % en cas de faible participation au réseau. Accessoirement, un recours massif pourrait entraîner une augmentation du prix des mémoires volatiles et non volatiles (ex : disques SSD).

La preuve d'enjeu (PoS, pour Proof of Stake), à l'exemple de Peercoin, Gridcoin, etc., est fondée sur la mise en gage d’une certaine quantité de cryptomonnaie détenue. Plus cette quantité est grande à un nœud, plus il aura de chances d’être sélectionné pour valider le bloc. Les quantités sous séquestre sont récupérables. Il n’y a donc pas de pénurie permanente sur le marché car ces quantités ne sont retirées de la circulation que pendant un certain temps. En outre, la mise en gage rend l'attaque des 51 % beaucoup plus coûteuse, puisqu'elle nécessiterait de détenir au moins 51 % du total des cryptoactifs existants pour être réussie.

La preuve de destruction (PoB, pour Proof of Burn), à l'exemple de Counterparty, consiste à transmettre une certaine quantité de cryptomonnaie détenue par le participant d'un nœud à une adresse publique vérifiable générée de manière aléatoire et sans qu’aucune clé privée ne soit récupérable, entraînant la perte définitive de cette quantité transmise. Plus cette dernière est grande à un nœud, plus il aura de chances d’être sélectionné pour valider le bloc. Ceci entraîne naturellement une pénurie sur le marché car ces quantités sont définitivement retirées de la circulation.

La preuve du temps écoulé (PoET, pour Proof of Elasped Time), à l'exemple d'Hyperledger, est basée sur une loterie où chaque nœud se voit attribuer une durée aléatoire. Pour cela, les participants téléchargent un code exécutable stocké dans une enclave[4] garantissant l’intégrité du contenu et l'absence d'interaction avec d'autres espaces et attestant que ce code est identique à celui utilisé par tous les membres du réseau. Le nœud dont le compte à rebours se termine en premier en envoie la preuve aux autres participants du réseau, pour lui permettre de valider le bloc. 

Conclusion

Les technologies numériques émergeantes disruptives exploitées de façon massive sont en mesure de remettre profondément en cause le fonctionnement de nos sociétés. C'est le cas des blockchains qui se présentent comme un système de contrôle décentralisé basé sur un protocole de désintermédiation, contrairement aux systèmes centralisés qui nécessitent un tiers de confiance. En contrepartie, un schéma de consensus de preuve est nécessaire. Certains d'entres-eux sont très énergivores, d'autres moins. En rappelant que la technologie blockchain est récente, il est difficile de dire quel consensus est le plus performant ou le plus sûr, mais seulement de considérer celui qui paraît le plus adapté aux besoins en constatant ses avantages et ses inconvénients. En tout état de cause, des tests supplémentaires sont attendus pour en confirmer l'efficacité et la sécurité. De façon plus globale, si les perspectives paraissent considérables, il s'agit aussi d'en connaître les  limites. 

Des recherches sont souhaitables sur les modèles économiques sous-jacents, les règles de gouvernance assujetties à la réglementation (ex : RGPD) et aux relations contractuelles, sur la sécurité des schémas et algorithmes de consensus selon le type de blockchain : publique, de consortium, privée, et sur la volumétrie des chaînes et la capacité d'évolution. Un tel effort est indispensable pour disposer au plus tôt de solutions pertinentes et pérennes avec une garantie de souveraineté, quitte à mettre en cause certaines orientations.

En acceptant le recours massif à des moyens très énergivores, la facture environnementale pourrait bien aller au-delà de la seule consommation électrique. Quand l'empreinte carbone d'une seule transaction Bitcoin correspond à plus de 120 Kg de dioxyde de carbone, et celle du total annuel à plusieurs dizaines de mégatonnes, l'expression : "notre maison brûle et nous regardons ailleurs"[5] prend ici tout son sens et attend une réponse aux excès énergétiques qui, pour l'instant, s'additionnent en multipliant les impacts environnementaux. En outre, il serait naïf de songer à délocaliser les opérations de minage à l'étranger, interdites çà et là, alors que la maison concernée est la terre entière !

Daniel Guinier

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Bibliographie sélective

Faure-Muntian V. et de Ganay C., députés, Le Gleut  R., sénateur (2018) : Comprendre les blockchains : fonctionnement et enjeux de ces nouvelles technologies. Rapport de l’Office Parlementaire d'évaluation des choix scientifiques et technologiques, n°584, juin, 209 pages.

Guinier D. (2015) : Monnaies virtuelles - Le cas Bitcoin - Pourquoi tant d'emballement ? La Revue du GRASCO, le Groupe de recherches actions sur la criminalité organisée, Doctrine Sciences criminelles, n°12, avril, pp. 37-52.

Guinier D. (2018) : La technologie "blockchain" et sa place dans un écosystème de confiance. Expertises, n°433, mars, pp. 104-110.

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[1] La taille du bloc définit notamment le nombre maximum de transactions pouvant être traitées par seconde. La taille actuelle fixée à 1MB permet entre 2 et 7 transactions validées par seconde avec la blockchain de Bitcoin.

[2] À cette consommation mondiale annuelle liée au réseau Bitcoin s'ajoutent notamment celles de l'ensemble des centres de données, estimée à 200 TWh, et des réseaux numériques, pour 250 TWh.

[3] En 2020, la production d'électricité de la Chine a augmenté de 2,7 % et la consommation de 3,1 %, en même temps la croissance de la production de charbon aurait été de 0,9 %, selon le Bureau national chinois des statistiques.

[4] Pour cela, Intel a développé Software Guard Extension (SGX), qui est en mesure de créer des zones sécurisées dénommées "enclaves".

[5] Phrase liminaire du discours du Président de la République Jacques Chirac lors de l'Assemblée plénière du 4ème Sommet mondial sur le développement durable à Johannesburg, le 2 septembre 2002.