以太坊3.0：Beam Chain提案引领共识层零知识证明革新

近日举行的2024 Devcon大会吸引了以太坊生态界的广泛关注。会上，以太坊基金会研究员Justin Drake提出了一项被称为"以太坊3.0"的共识层升级提案——Beam Chain。该提案旨在通过零知识证明技术降低验证者的计算和通信成本，从而降低成为验证者的门槛，吸引更多参与者加入网络，提升安全性并优化整体效率。此外，Drake还希望借此机会解决Beacon链中的历史遗留问题，并为未来可能面临的量子计算威胁做好准备。

这一提案与以太坊联合创始人Vitalik Buterin此前提出的The Verge路线图中关于以太坊Snark化的设想不谋而合。Vitalik曾指出，对共识层进行改造是一项具有挑战性的工作，需要持续优化。Beam Chain提案可视为对这一挑战的积极回应。

Beam Chain主要聚焦于共识层的改造。具体而言，它将对状态转换函数进行Snark化处理，这包括每个时隙、每个区块和每个epoch的状态转换函数。这一过程涉及共识算法和质押逻辑的执行、区块提议、执行层结果验证、Merkle树根验证、共识签名验证与聚合、哈希计算以及涉及账户存储状态访问的质押和赎回操作等。值得注意的是，为了保持去中心化和多样性，以太坊不会强制要求使用特定的零知识证明算法和协议，而是由提议者自主选择。

实现Beam Chain构想的核心挑战在于如何将目前需要几十甚至上百秒的证明时间压缩到秒级。Drake在今年9月的一次研讨会上提出了使用ASIC加速方法的解决方案，即在芯片上完成零知识证明虚拟机从证据生成到证明的全流程，以期在未来几年内将证明生成时间提升十倍以上，实现实时证明。

多个研究团队正在积极探索利用GPU、FPGA、ASIC等硬件平台加速零知识证明过程。他们已经在多种零知识证明系统上取得了显著进展，部分核心算子的加速比达到了百倍以上。这些技术成果已经在一些软硬一体加速方案中得到应用，显著提升了运算效率。

除了性能优化，研究人员还在探索零知识证明技术的广泛应用。在AI与零知识证明结合的领域，他们通过一系列技术创新，大幅缩短了大语言模型首个token生成的证明时间。此外，为应对量子计算带来的潜在威胁，研究人员还开发了支持多个NIST标准后量子算法的密码库，并通过优化共识流程和内存读取，使抗量子区块链的交易处理能力达到传统链的约50%。

Beam Chain提案的提出，标志着以太坊社区开始将注意力转向共识层的改造。这一举措与执行层的优化相结合，有望完成以太坊Snark化的最终拼图，为提升其可扩展性和去中心化程度做出重大贡献。随着提案的推进，基于零知识证明技术的虚拟机将在以太坊生态系统中扮演越来越重要的角色。通过引入SNARK证明和后量子密码学，结合更低的质押门槛和更快的区块确认速度，Beam Chain有望为以太坊带来更强的去中心化特性和更高的性能表现。