以太坊3.0：Beam Chain計劃

近期結束的2024 Devcon大會吸引了以太坊生態的廣泛關注。會上，多個項目發布了最新進展，引發了全球Web3界的熱烈討論。

其中最引人注目的是以太坊基金會研究員Justin Drake提出的"以太坊3.0"升級計劃，即Beam Chain提案。該提案的核心理念是利用零知識證明技術來降低驗證者的計算和通信負擔，從而降低成爲驗證者的門檻。這將有助於吸引更多驗證者加入網路，提升安全性，減少冗餘計算，並提高整體效率。Drake還希望借此機會解決Beacon鏈中的技術債務，並爲未來的抗量子安全需求做好準備。

這一提案與Vitalik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挑戰，需要持續優化。Beam Chain提案可以視爲對這一挑戰的回應。

Beam Chain主要聚焦於共識層的改造。具體而言，只需將狀態轉換函數Snark化即可，這正是零知識證明技術的優勢所在。共識層的狀態轉換函數包括per-slot、per-block和per-epoch三個部分，涉及共識算法執行、區塊提議、執行層結果驗證、Merkle Tree Root驗證、共識籤名驗證/聚合、哈希計算以及質押和贖回操作等。

值得注意的是，以太坊在推進共識層Snark化的過程中，仍然將去中心化和多樣性作爲首要目標。因此，不會強制要求使用特定的零知識算法和協議，而是允許提議者自行選擇。

實現Beam Chain構想的核心難點在於如何將目前需要數十甚至上百秒的證明時間壓縮到秒級。Justin在今年9月的ZK Workshop II上提出了使用ASIC加速方法的解決方案，建議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，有望在未來幾年內將證明生成時間提升十倍以上。

多個機構和團隊正在爲提升零知識證明技術的性能和應用做出努力。他們利用GPU、FPGA、ASIC等硬件平台對ZK證明進行加速，涉及Polygon ZKEVM Prover、Stone Prover、Halo2和Plonky2等多種ZK系統。部分核心算子已實現百倍以上的加速比。

在AI+ZK方向，一些團隊在大模型可驗證計算上取得了顯著進展。通過自主設計的矩陣乘法Folding、Sumcheck協議的GPU+CPU協同優化、橢圓曲線高效實現等技術，將zkLLM的首token生成時間從4小時縮短到約18分鍾。

此外，爲應對量子計算機的潛在威脅，一些團隊基於OpenSSL改造了支持多個NIST標準後量子算法的密碼庫。通過優化共識流程和低延遲內存讀取，使抗量子區塊鏈TPS可達原鏈的50%左右。

這些技術探索已在一些軟硬一體加速方案中得到應用，如針對零知識證明常用算子進行優化的Power Zebra。該方案在多個關鍵組件上實現了顯著的性能提升。

長期以來，以太坊社區主要關注執行層的優化，如提高BlockGasLimit和發展L2等。而執行層的Snark化已在"Rollup Centric"路線圖中通過L2基本完成。Beam Chain的提出開啓了共識層Snark化的新篇章，有望激發更多創新想法。

可以預見，隨着共識層和執行層的Snark化，以太坊的Snark化藍圖將逐步完成，爲其擴展性和去中心化帶來重大突破。基於零知識證明技術的虛擬機將在以太坊生態中發揮核心作用。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時間，Beam Chain有望爲以太坊帶來更強的去中心化和更高的性能。