以太坊3.0：Beam Chain计划

近期结束的2024 Devcon大会吸引了以太坊生态的广泛关注。会上，多个项目发布了最新进展，引发了全球Web3界的热烈讨论。

其中最引人注目的是以太坊基金会研究员Justin Drake提出的"以太坊3.0"升级计划，即Beam Chain提案。该提案的核心理念是利用零知识证明技术来降低验证者的计算和通信负担，从而降低成为验证者的门槛。这将有助于吸引更多验证者加入网络，提升安全性，减少冗余计算，并提高整体效率。Drake还希望借此机会解决Beacon链中的技术债务，并为未来的抗量子安全需求做好准备。

这一提案与Vitalik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挑战，需要持续优化。Beam Chain提案可以视为对这一挑战的回应。

Beam Chain主要聚焦于共识层的改造。具体而言，只需将状态转换函数Snark化即可，这正是零知识证明技术的优势所在。共识层的状态转换函数包括per-slot、per-block和per-epoch三个部分，涉及共识算法执行、区块提议、执行层结果验证、Merkle Tree Root验证、共识签名验证/聚合、哈希计算以及质押和赎回操作等。

值得注意的是，以太坊在推进共识层Snark化的过程中，仍然将去中心化和多样性作为首要目标。因此，不会强制要求使用特定的零知识算法和协议，而是允许提议者自行选择。

实现Beam Chain构想的核心难点在于如何将目前需要数十甚至上百秒的证明时间压缩到秒级。Justin在今年9月的ZK Workshop II上提出了使用ASIC加速方法的解决方案，建议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，有望在未来几年内将证明生成时间提升十倍以上。

多个机构和团队正在为提升零知识证明技术的性能和应用做出努力。他们利用GPU、FPGA、ASIC等硬件平台对ZK证明进行加速，涉及Polygon ZKEVM Prover、Stone Prover、Halo2和Plonky2等多种ZK系统。部分核心算子已实现百倍以上的加速比。

在AI+ZK方向，一些团队在大模型可验证计算上取得了显著进展。通过自主设计的矩阵乘法Folding、Sumcheck协议的GPU+CPU协同优化、椭圆曲线高效实现等技术，将zkLLM的首token生成时间从4小时缩短到约18分钟。

此外，为应对量子计算机的潜在威胁，一些团队基于OpenSSL改造了支持多个NIST标准后量子算法的密码库。通过优化共识流程和低延迟内存读取，使抗量子区块链TPS可达原链的50%左右。

这些技术探索已在一些软硬一体加速方案中得到应用，如针对零知识证明常用算子进行优化的Power Zebra。该方案在多个关键组件上实现了显著的性能提升。

长期以来，以太坊社区主要关注执行层的优化，如提高BlockGasLimit和发展L2等。而执行层的Snark化已在"Rollup Centric"路线图中通过L2基本完成。Beam Chain的提出开启了共识层Snark化的新篇章，有望激发更多创新想法。

可以预见，随着共识层和执行层的Snark化，以太坊的Snark化蓝图将逐步完成，为其扩展性和去中心化带来重大突破。基于零知识证明技术的虚拟机将在以太坊生态中发挥核心作用。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时间，Beam Chain有望为以太坊带来更强的去中心化和更高的性能。