イーサリアム3.0：ビームチェーン計画

最近終了した2024 Devcon大会は、イーサリアムエコシステムの広範な関心を引きました。会議では、複数のプロジェクトが最新の進展を発表し、世界中のWeb3界で熱烈な議論を引き起こしました。

その中で最も注目されるのは、イーサリアム財団の研究者Justin Drakeが提案した「イーサリアム3.0」アップグレード計画、すなわちBeam Chain提案です。この提案の核心理念は、ゼロ知識証明技術を利用して、バリデーターの計算および通信の負担を軽減し、バリデーターになるためのハードルを下げることです。これにより、より多くのバリデーターがネットワークに参加しやすくなり、安全性が向上し、冗長な計算が減少し、全体的な効率が向上します。Drakeはまた、この機会を利用してBeaconチェーンの技術的負債を解消し、将来の量子耐性の需要に備えたいと考えています。

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この提案は、Vitalikが以前に提案したThe VergeロードマップにおけるイーサリアムのSnark化の構想と一致しています。Vitalikは、コンセンサス層の改造が課題であり、継続的な最適化が必要であると指摘しました。Beam Chain提案は、この課題への応答と見ることができます。

Beam Chainは主にコンセンサス層の改造に焦点を当てています。具体的には、状態遷移関数をSnark化するだけで済み、これがゼロ知識証明技術の利点です。コンセンサス層の状態遷移関数は、per-slot、per-block、およびper-epochの3つの部分で構成され、コンセンサスアルゴリズムの実行、ブロック提案、実行層の結果検証、Merkle Tree Rootの検証、コンセンサス署名の検証/集約、ハッシュ計算、およびステーキングと解約操作などが含まれます。

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注目すべきは、イーサリアムがコンセンサス層のSnark化を進める過程で、依然として分散化と多様性を最優先の目標とすることです。したがって、特定のゼロ知識アルゴリズムやプロトコルの使用を強制することはなく、提案者が自ら選択することを許可しています。

Beam Chainの構想を実現する上での核心的な難点は、現在数十秒から百秒以上かかる証明時間を秒レベルに圧縮することです。Justinは今年9月のZK Workshop IIでASIC加速方法を用いた解決策を提案し、チップ上でゼロ知識証明仮想マシンを証拠生成から証明までの全プロセスを完了させることを推奨しました。これにより、今後数年内に証明生成時間を10倍以上向上させることが期待されています。

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複数の機関とチームが、ゼロ知識証明技術の性能と応用を向上させるために努力しています。彼らはGPU、FPGA、ASICなどのハードウェアプラットフォームを利用してZK証明を加速しており、Polygon ZKEVM Prover、Stone Prover、Halo2、Plonky2などのさまざまなZKシステムが含まれています。一部のコアオペレーターは、百倍以上の加速比を実現しています。

AI+ZKの分野では、一部のチームが大規模モデルの検証可能な計算において顕著な進展を遂げました。自社設計の行列乗算Folding、SumcheckプロトコルのGPU+CPU協調最適化、楕円曲線の効率的な実装などの技術を通じて、zkLLMの最初のトークン生成時間を4時間から約18分に短縮しました。

さらに、量子コンピュータの潜在的な脅威に対処するために、いくつかのチームはOpenSSLを基にした、複数のNIST標準のポスト量子アルゴリズムをサポートする暗号ライブラリを改造しました。コンセンサスプロセスの最適化と低遅延メモリ読み込みを通じて、量子耐性ブロックチェーンのTPSは元のチェーンの約50%に達することができます。

これらの技術探求は、ゼロ知識証明に一般的に使用されるオペレーターの最適化を行ったPower Zebraのような、いくつかのソフトウェアとハードウェアの統合アクセラレーションソリューションにおいて適用されています。このソリューションは、複数の重要なコンポーネントにおいて顕著な性能向上を実現しました。

長い間、イーサリアムコミュニティは主に実行層の最適化に焦点を当ててきました。例えば、BlockGasLimitの引き上げやL2の発展などです。そして、実行層のSnark化は「Rollup Centric」ロードマップにおいてL2によって基本的に完了しました。Beam Chainの提案は、コンセンサス層のSnark化の新たな章を開き、より多くの革新的なアイデアを刺激することが期待されます。

予見されるように、コンセンサスレイヤーと実行レイヤーのSnark化に伴い、イーサリアムのSnark化ブループリントは徐々に完成し、その拡張性と分散化に重大なブレークスルーをもたらします。ゼロ知識証明技術に基づく仮想マシンは、イーサリアムエコシステムで中心的な役割を果たします。SNARK証明とポスト量子暗号を導入し、より低いステーキング閾値とより速いブロック確認時間を組み合わせることで、Beam Chainはイーサリアムにより強い分散化とより高いパフォーマンスをもたらすことが期待されています。

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