ビームチェーン: イーサリアムの新時代の夜明け

先ほど終了した2024 Devcon大会はバンコクで開催され、イーサリアムエコシステムの広範な関心を集めました。会議で発表された一連の最新の進展と動向は、世界のWeb3業界に新たな活力を注入しました。

その中で最も注目されるのは、イーサリアム財団の研究者Justin Drakeが提案したコンセンサスレイヤーのアップグレード案Beam Chainです。このコミュニティによって「イーサリアム3.0」と呼ばれる計画は、ゼロ知識証明技術を通じてバリデーターの計算および通信負担を軽減し、バリデーターになるためのハードルを下げることを目指しています。これにより、より多くのバリデーターがネットワークに参加しやすくなり、安全性が向上し、冗長な計算が減少し、ネットワークの全体的な効率が向上します。さらに、この提案は、Beaconチェーンにおける歴史的理由に起因する技術的負債の解消にも取り組んでおり、将来的に発生する可能性のある量子耐性の要求に備えています。

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この提案は、Vitalikが以前に提案したThe VergeのロードマップにおけるイーサリアムのSnark化（SNARKification）作業と一致しています。Snark化は、コンセンサス層と実行層に対するゼロ知識証明の改造を含みます。Vitalikは最新の解釈で、コンセンサス層の改造が挑戦的な作業であり、今後の開発で継続的に最適化する必要があることを認めました。Beam Chainの提案は、Vitalikがコンセンサス層をどのようにSnark化するかについての具体的な応答と見なすことができます。

Beam Chainは主にコンセンサス層の改造に焦点を当てています。コンセンサス層をSnark化することは、すべての部分を改造することを意味するのではなく、ブロックチェーンのコアである状態遷移関数（State Transition Function）に主に焦点を当てています。コンセンサス層において、状態遷移関数は主にper-slot transition function、per-block transition function、per-epoch transition functionを含みます。これらの関数は、コンセンサスアルゴリズムとステーキングロジックの実行、ブロック提案、実行層の結果の正当性検証、Merkle Tree Rootの検証、コンセンサス署名の検証/集約、ハッシュ関数の計算、アカウントストレージ状態アクセスに関わるステーキングおよび償還操作などをカバーしています。

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注目すべきは、コンセンサスレイヤーをスナーク化する過程において、イーサリアムが依然として分散化と多様性を最優先の目標とすることです。したがって、特定のZKアルゴリズムやプロトコルの使用は強制されず、提案者が自ら選択することになります。

Beam Chain構想の核心的な難点は、現在数十秒から100秒以上かかる証明時間を秒単位に圧縮する方法です。このパフォーマンスボトルネックを解決するために、コミュニティはASIC加速方法の使用を模索しており、チップ上でゼロ知識証明仮想マシンの証拠生成から証明までの全プロセスを完了させることを期待しています。これにより、今後数年以内に証明生成時間を10倍以上に向上させ、真のリアルタイム証明（Realtime Proving）を実現することを目指しています。

いくつかの研究機関は、GPU、FPGA、ASICなどのハードウェアプラットフォームを利用してZK証明の加速において顕著な進展を遂げています。例えば、Polygon ZKEVM Prover、Stone Prover、Halo2、Plonky2などのさまざまなZKシステムに対する加速では、一部のコアオペレーターが百倍以上の加速比に達しています。

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さらに、AI+ZKの方向における大規模モデルの検証可能計算において、自主設計の行列乗法Folding、SumcheckプロトコルのGPU+CPU協調最適化、楕円曲線の効率的な実装などの技術を通じて、いくつかの実装はzkLLMの最初のトークン生成時間を4時間から約18分に短縮しました。

量子コンピュータの潜在的な脅威に直面して、業界は後量子暗号学の解決策を積極的に模索しています。例えば、OpenSSLを基に改造された後量子バージョンの暗号ライブラリは、複数のNIST標準後量子アルゴリズムをサポートしています。同時に、後量子署名がECDSAに比べてストレージが40倍以上膨張する問題に対処するために、コンセンサスプロセスと低遅延メモリ読み取りを最適化することで、量子耐性ブロックチェーンのTPSは元のチェーンの約50%に達することができます。

Beam Chainの提案は、コンセンサス層のSnark化に新しい方向を開きました。このアイデアが深まるにつれて、コミュニティがコンセンサス層の改造に関するさらなる革新的な考えを促進することが期待されています。コンセンサス層と実行層のSnark化が共同で進められることで、イーサリアムのSnark化の最終的なピースが完成し、イーサリアムの拡張性と分散化に大きな貢献をするでしょう。

未来、ゼロ知識証明技術に基づく仮想マシンは、イーサリアムエコシステムにおいて核心的な役割を果たすことが期待されています。SNARK証明とポスト量子暗号を導入し、より低いステーキングのハードルとより速いブロック確認時間を組み合わせることで、Beam Chainはイーサリアムにより強力な分散化とより高いパフォーマンスをもたらし、イーサリアムの新しい発展の時代を切り開くでしょう。