Beam Chain : Éther, l'aube d'une nouvelle ère pour Ethereum

Le 2024 Devcon, qui vient de se terminer, s'est tenu à Bangkok et a attiré une large attention de l'écosystème Ethereum. Une série des dernières avancées et dynamiques annoncées lors de la conférence a insufflé une nouvelle vitalité à l'industrie Web3 mondiale.

Parmi les propositions les plus remarquables, il y a celle de Justin Drake, chercheur à la fondation Ethereum, concernant la mise à niveau de la couche de consensus appelée Beam Chain. Ce plan, surnommé "Ethereum 3.0" par la communauté, vise à réduire la charge de calcul et de communication pour les validateurs grâce à la technologie des preuves à divulgation nulle de connaissance, abaissant ainsi le seuil pour devenir validateur. Cela contribuera à attirer plus de validateurs sur le réseau, à améliorer la sécurité, à réduire le calcul redondant et à augmenter l'efficacité globale du réseau. De plus, cette proposition s'engage également à résoudre la dette technique héritée de la chaîne Beacon en raison de raisons historiques et à se préparer aux besoins potentiels de sécurité post-quantique à l'avenir.

Cette proposition s'aligne sur le travail de Snarkification (SNARKification) d'Ethereum dans la feuille de route The Verge précédemment proposée par Vitalik. La Snarkification implique une transformation de la couche de consensus et de la couche d'exécution par des preuves à divulgation nulle de connaissance. Vitalik a reconnu dans sa dernière interprétation que la transformation de la couche de consensus est une tâche difficile qui nécessite des optimisations continues dans le développement ultérieur. La proposition de Beam Chain peut être considérée comme une réponse concrète de Vitalik sur la manière de Snarkifier la couche de consensus.

Beam Chain se concentre principalement sur la transformation de la couche de consensus. Rendre la couche de consensus Snark ne signifie pas que toutes les parties doivent être modifiées, mais vise principalement le cœur de la blockchain : la fonction de transition d'état (State Transition Function). Pour la couche de consensus, la fonction de transition d'état comprend principalement la fonction de transition par slot, la fonction de transition par bloc et la fonction de transition par époque. Ces fonctions couvrent l'exécution de l'algorithme de consensus et de la logique de Staking, la proposition de blocs, la vérification de l'exactitude des résultats de la couche d'exécution, la vérification de la racine de l'arbre Merkle, la vérification/agrégation des signatures de consensus, le calcul des fonctions de hachage, ainsi que les opérations de mise en jeu et de rachat impliquant l'accès à l'état de stockage des comptes.

Il est important de noter que, lors du processus de Snarkisation de la couche de consensus, Ethereum maintient la décentralisation et la diversité comme objectifs primordiaux. Par conséquent, il n'est pas requis d'utiliser des algorithmes et des protocoles ZK spécifiques, mais c'est à l'initiative des proposeurs de faire leur choix.

Le principal défi pour réaliser le concept de Beam Chain réside dans la manière de réduire le temps de preuve, qui nécessite actuellement des dizaines voire des centaines de secondes, à un niveau de seconde. Pour résoudre ce goulet d'étranglement en termes de performance, la communauté explore l'utilisation de méthodes d'accélération ASIC, dans l'espoir de mener à bien l'ensemble du processus de génération de preuves à partir de la génération de preuves jusqu'à la preuve sur une machine virtuelle de preuve à connaissance nulle sur puce, afin d'augmenter le temps de génération de preuves par plus de dix fois dans les prochaines années et d'atteindre une véritable preuve en temps réel (Realtime Proving).

Certain instituts de recherche ont déjà réalisé des progrès significatifs dans l'accélération des preuves ZK en utilisant des plateformes matérielles telles que GPU, FPGA et ASIC. Par exemple, pour l'accélération de divers systèmes ZK tels que Polygon ZKEVM Prover, Stone Prover, Halo2 et Plonky2, certains opérateurs clés ont atteint un rapport d'accélération supérieur à cent fois.

De plus, dans le domaine des grands modèles de calcul vérifiable AI+ZK, certaines réalisations ont réussi à réduire le temps de génération du premier token de zkLLM de 4 heures à environ 18 minutes grâce à des technologies telles que le Folding de multiplication de matrices conçu de manière autonome, l'optimisation collaborative GPU+CPU du protocole Sumcheck, et une mise en œuvre efficace des courbes elliptiques.

Face à la menace potentielle des ordinateurs quantiques, l'industrie explore activement des solutions de cryptographie post-quantique. Par exemple, une bibliothèque de cryptographie post-quantique basée sur une version modifiée d'OpenSSL prend déjà en charge plusieurs algorithmes post-quantique normalisés par le NIST. De plus, pour le problème de l'augmentation de stockage des signatures post-quantique de plus de 40 fois par rapport à l'ECDSA, l'optimisation du processus de consensus et la lecture de mémoire à faible latence permettent d'atteindre un TPS d'environ 50 % de celui de la chaîne d'origine pour la blockchain résistante aux quantiques.

La proposition de Beam Chain ouvre une nouvelle direction pour la Snarkisation de la couche de consensus. Avec l'approfondissement de cette idée, il est prévu qu'elle suscite davantage d'idées innovantes de la part de la communauté concernant la transformation de la couche de consensus. La Snarkisation conjointe de la couche de consensus et de la couche d'exécution complétera le puzzle final de la Snarkisation d'Ethereum, contribuant ainsi de manière significative à l'évolutivité et à la décentralisation d'Ethereum.

À l'avenir, les machines virtuelles basées sur la technologie des preuves à divulgation nulle de connaissance devraient jouer un rôle central dans l'écosystème Ethereum. En introduisant des preuves SNARK et la cryptographie post-quantique, combinées à un seuil de mise plus bas et des temps de confirmation de bloc plus rapides, Beam Chain apportera un décentralisation plus forte et des performances supérieures à Ethereum, ouvrant une nouvelle ère de développement pour Ethereum.