Beam Chain: 以太坊新時代的曙光

剛剛落幕的2024 Devcon大會在曼谷舉行，吸引了以太坊生態系統的廣泛關注。會上發布的一系列最新進展和動態，爲全球Web3行業注入了新的活力。

其中最引人注目的是以太坊基金會研究員Justin Drake提出的共識層升級提案Beam Chain。這一被社區稱爲"以太坊3.0"的計劃旨在通過零知識證明技術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，提高安全性，減少冗餘計算，並提升網路整體效率。此外，該提案還致力於解決Beacon鏈中由於歷史原因遺留的技術債務，並爲未來可能出現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路線圖中的以太坊Snark化（SNARKification）工作不謀而合。Snark化涉及對共識層和執行層進行零知識證明改造。Vitalik在最新的解讀中承認，對共識層的改造是一項具有挑戰性的工作，需要在後續開發中不斷優化。Beam Chain的提議可以視爲對Vitalik關於如何Snark化共識層的一個具體回應。

Beam Chain主要聚焦於共識層的改造。將共識層Snark化並不意味着對所有部分都進行改造，而是主要針對區塊鏈的核心——狀態轉換函數（State Transition Function）。對於共識層來說，狀態轉換函數主要包括per-slot transition function、per-block transition function和per-epoch transition function。這些函數涵蓋了共識算法和Staking邏輯的執行、區塊提議、執行層結果正確性驗證、Merkle Tree Root驗證、共識籤名的驗證/聚合、哈希函數計算以及涉及帳戶存儲狀態訪問的質押和贖回操作等。

值得注意的是，在將共識層Snark化的過程中，以太坊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ZK算法和協議，而是由提議者自行選擇。

實現Beam Chain構想的核心難點在於如何將目前需要幾十甚至上百秒的證明時間壓縮到秒級。爲解決這一性能瓶頸，社區正在探索使用ASIC加速方法，希望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，以期在未來幾年內將證明生成時間提升十倍以上，實現真正的實時證明（Realtime Proving）。

一些研究機構已經在利用GPU、FPGA、ASIC等硬件平台對ZK證明進行加速方面取得了顯著進展。例如，針對Polygon ZKEVM Prover、Stone Prover、Halo2和Plonky2等多種ZK系統的加速，部分核心算子已達到百倍以上的加速比。

此外，在AI+ZK方向的大模型可驗證計算上，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，某些實現已將zkLLM的首token生成時間從4小時縮短到約18分鍾。

面對量子計算機的潛在威脅，業界也在積極探索後量子密碼學解決方案。例如，基於OpenSSL改造的後量子版本密碼庫已經支持多個NIST標準後量子算法。同時，針對後量子籤名較ECDSA存儲膨脹40倍以上的問題，通過優化共識流程和低延遲內存讀取，使得抗量子區塊鏈的TPS可達原鏈的50%左右。

Beam Chain的提出爲共識層Snark化開闢了新的方向。隨着這一想法的深入，預計將會激發社區更多關於共識層改造的創新思路。共識層和執行層的Snark化共同推進，將完成以太坊Snark化的最終拼圖，爲以太坊的擴展性和去中心化做出重大貢獻。

未來，基於零知識證明技術的虛擬機有望在以太坊生態中扮演核心角色。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將爲以太坊帶來更強的去中心化和更高的性能，開啓以太坊發展的新紀元。