以太坊3.0：Beam Chain提案引領共識層零知識證明革新

近日舉行的2024 Devcon大會吸引了以太坊生態界的廣泛關注。會上，以太坊基金會研究員Justin Drake提出了一項被稱爲"以太坊3.0"的共識層升級提案——Beam Chain。該提案旨在通過零知識證明技術降低驗證者的計算和通信成本，從而降低成爲驗證者的門檻，吸引更多參與者加入網路，提升安全性並優化整體效率。此外，Drake還希望借此機會解決Beacon鏈中的歷史遺留問題，並爲未來可能面臨的量子計算威脅做好準備。

這一提案與以太坊聯合創始人Vitalik Buterin此前提出的The Verge路線圖中關於以太坊Snark化的設想不謀而合。Vitalik曾指出，對共識層進行改造是一項具有挑戰性的工作，需要持續優化。Beam Chain提案可視爲對這一挑戰的積極回應。

Beam Chain主要聚焦於共識層的改造。具體而言，它將對狀態轉換函數進行Snark化處理，這包括每個時隙、每個區塊和每個epoch的狀態轉換函數。這一過程涉及共識算法和質押邏輯的執行、區塊提議、執行層結果驗證、Merkle樹根驗證、共識籤名驗證與聚合、哈希計算以及涉及帳戶存儲狀態訪問的質押和贖回操作等。值得注意的是，爲了保持去中心化和多樣性，以太坊不會強制要求使用特定的零知識證明算法和協議，而是由提議者自主選擇。

實現Beam Chain構想的核心挑戰在於如何將目前需要幾十甚至上百秒的證明時間壓縮到秒級。Drake在今年9月的一次研討會上提出了使用ASIC加速方法的解決方案，即在芯片上完成零知識證明虛擬機從證據生成到證明的全流程，以期在未來幾年內將證明生成時間提升十倍以上，實現實時證明。

多個研究團隊正在積極探索利用GPU、FPGA、ASIC等硬件平台加速零知識證明過程。他們已經在多種零知識證明系統上取得了顯著進展，部分核心算子的加速比達到了百倍以上。這些技術成果已經在一些軟硬一體加速方案中得到應用，顯著提升了運算效率。

除了性能優化，研究人員還在探索零知識證明技術的廣泛應用。在AI與零知識證明結合的領域，他們通過一系列技術創新，大幅縮短了大語言模型首個token生成的證明時間。此外，爲應對量子計算帶來的潛在威脅，研究人員還開發了支持多個NIST標準後量子算法的密碼庫，並通過優化共識流程和內存讀取，使抗量子區塊鏈的交易處理能力達到傳統鏈的約50%。

Beam Chain提案的提出，標志着以太坊社區開始將注意力轉向共識層的改造。這一舉措與執行層的優化相結合，有望完成以太坊Snark化的最終拼圖，爲提升其可擴展性和去中心化程度做出重大貢獻。隨着提案的推進，基於零知識證明技術的虛擬機將在以太坊生態系統中扮演越來越重要的角色。通過引入SNARK證明和後量子密碼學，結合更低的質押門檻和更快的區塊確認速度，Beam Chain有望爲以太坊帶來更強的去中心化特性和更高的性能表現。