ETH 3.0はどのようにパフォーマンスの難題を打破するのか？ZK技術の突破とアップグレード計画の裏にあるものを暴露する

ビームチェーン:「イーサリアム3.0」

終わったばかりの2024 Devcon会議は、非常に盛況であり、ETHエコシステムがバンコクで集まり、ETHエコシステムおよび関連プロジェクトが最新の進展と動向を発表し、一連の新しい視点、新しいトレンド、新しい計画がグローバルなWeb3を活性化させました。

特に印象的なのは、ETHファンド財団の研究員であるジャスティン・ドレイクが発表した「ETH 3.0」提案です。

彼はBEAMチェーン[1]と呼ばれるコンセンサスレイヤーアップグレード提案「ETHファング3.0」をコミュニティに提案しました。その核心は、ゼロ知識証明を使用して、バリデータの計算および通信負荷を削減し、ドロップをバリデータの必要条件とし、より多くのバリデータがネットワークに参加してセキュリティを高め、計算の冗長性を減らし、ネットワーク全体の効率を向上させることです。さらに、Justinは、コンセンサスレイヤーをSnark化する機会を利用して、ビーコンチェーンでの時代制限による技術的負債を解決し、将来の量子耐性要件に備えたいと考えています。

VitalikのThe Vergeのロードマップでは、ETHブロックチェーンをSNARK化することが重要なタスクの1つであり、共識層と実行層に対するゼロ知識証明の改造が含まれています。 Vitalikの最新の解釈[2]では、共識層の改造は課題であり、引き続き検討および最適化を行う必要があります。Beam Chainの提案は、共識層をどのようにSNARK化するかに対するVitalikの回答と見なすことができます。

Beam Chainは、コンセンサスレイヤーのみをフォローしています。しかし、コンセンサスレイヤーをSnark化するだけで、すべての部分を改造する必要はありません。ブロックチェーンの核心は状態遷移関数であり、状態遷移関数をSnark化するだけで改造できます。これは、ZKが得意なことでもあります。コンセンサスレイヤーでは、状態遷移関数には、スロットごとの遷移関数、ブロックごとの遷移関数、エポックごとの遷移関数の3つの部分が含まれています。これらの状態遷移関数には、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、実行レイヤーの結果の正当性の検証、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、アカウントストアの状態アクセスに関連するステークとリデンプション操作が含まれます。コンセンサスレイヤーをSnark化するには、上記の操作をすべてSnark化することです。注意すべきは、イーサリアムは分散性と多様性を目標としており、ZKアルゴリズムとプロトコルを強制することはなく、プロポーザーが自分で選択することです。

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コアの難点：リアルタイムプルーフ

Beam Chainの構想を実現するためには、証明の効率を向上させることが最も重要な課題であり、現在数十秒または数百秒かかる証明時間を秒単位に圧縮する方法が求められます。今年9月24日にアントチェーンオープンラボ、ZAN、ファロスの共同主催で開催されたZKワークショップII [3]で、ゲストのジャスティンが「リアルタイムプルーフ」と題した報告を行い、彼の提案は「ETH坊3.0」の概念と一致し、パフォーマンスの制約を解決する解決策を提案しました。彼はコミュニティがASICアクセラレーション手法を使用し、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プロセスを完了することを推奨し、将来数年間で証拠生成の時間を10倍以上短縮し、本当にリアルタイムプルーフを実現することを目指しています。

ゼロ知識証明技術のパフォーマンスと応用のサポート：私たちは常に進化しています

AntChain OpenLabsは、GPU、FPGA、ASICなどのハードウェアプラットフォームを活用して、ZKプルーフを加速化することに取り組んでおり、Polygon ZKEVM Prover、Stone Prover、Halo 2、Plonky 2などの複数のZKシステムを含む、さまざまなZKシステムを加速化しています。また、複数のFPGA IPとGPUアクセラレーションソリューションを構築し、一部のコアオペレータは100倍以上の加速率を実現しています。

AntChain OpenLabsがCPUに対してCUDAで高速化した部分演算子に基づいて得られた高速化率を表(1)に示します。

(表1)

AntChain OpenLabsが実現したGPUアクセラレーションMSMとオープンソースICICLEのパフォーマンス比較（両方とも4090 GPU）は、表2に示されています。

( テーブル2 )

AntChain OpenLabs 実装の GPU アクセラレーションされた Circle FFT と 16 コア CPU 上のオープンソース Stwo Prover のパフォーマンス比較は、表（三）に示す通りです。

(表3)

また、AntChain OpenLabsは、ゼロ知識証明の応用研究にも取り組んでおり、AI+ZKの方向で大規模モデルの検証可能計算において、独自設計の行列乗算Folding、SumcheckプロトコルのGPU+CPUの共同最適化、楕円曲線の効率的な実装などの技術を使用して、4つのGPUでzkLLM [ 4 ][ 5 ]（元の実装にはコミットメントとオープンは含まれていないが、パフォーマンスはコミットメントとオープンを追加した後のテスト、LLama-7 Bモデルに対して）の最初のトークンの生成時間を4時間から約18分に短縮しました。

AntChain OpenLabsはGPUの積み重ねに基づいて、大規模なモデルの検証可能な計算のパフォーマンスと利用可能性を継続的に最適化しており、ソリューションの置換と最適化、複数のインスタンスの折りたたみ、複数のトークンの証明生成に取り組んでいます。効率的で使いやすく、AIエコシステムに優しい検証可能な計算サービスを構築し、ゼロ知識証明技術の大規模な応用の可能な方向を探り、Web3とAIアプリケーションのリンクを構築することを目指しています。

同時、量子コンピューターの脅威に直面しながら、AntChain OpenLabs は OpenSSL [ 6 ]をベースに、複数の NIST 標準の後量子アルゴリズムをサポートする後量子バージョンの暗号ライブラリを改造し、積極的に探索を行っています。同時に、ECDSA に比べて後量子署名のストレージ膨張が 40 倍以上になるという問題に対処するため、コンセンサスプロセスと低レイテンシーなメモリアクセスの最適化を通じて、耐量子ブロックチェーンの TPS が元のチェーンの約 50% に達するようになりました。

フォローする価値のあることは、上記の技術探索は、ZANが導入したソフトウェアとハードウェアの一体型アクセラレーションソリューションであるPower Zebra（）に適用されています。このソリューションは、ゼロ知識証明で一般的に使用される演算子の加速と最適化に取り組んでおり、MSMの複数スカラー乗算、NTTの数論変換、H多項式の解決、多項式の開示証明など、複数の重要なコンポーネントに対してGPUの計算リソース、ストレージ帯域、およびPCIe帯域を最大限に活用し、演算効率を大幅に向上させています。以前、zkWASMオープンソースコミュニティのDelphinus Labは、ZANのソフトウェアとハードウェアの一体型アクセラレーションソリューションであるPower Zebraを導入した後、GPUの演算性能が20％以上向上し、コミュニティ内で同様のサービスの最高記録を樹立しました。

先見の明

長らく、ETHコミュニティは主に実行レイヤーのさまざまな最適化に焦点を当てており、BlockGasLimitの向上、L2などの戦略を含んでいます。その中で、実行レイヤーのスナーク化は「Rollup Centric」のロードマップを通じてL2を利用してほとんどの作業が完了し、多くの成果を収めています。Beam Chainのアイデアは、コンセンサスレイヤーのスナーク化の大きな扉を開けています。Beam Chainの提案により、コミュニティがコンセンサスレイヤーの改造に注力し、より多くの興奮をもたらすアイデアを生み出すことを期待しています。

共識層と実行層のSNARK化が完了すると、EthereumのSNARK化の最後のピースが完成し、ETHネットワークのスケーラビリティと分散化に大きな貢献をすることが予想されます。同時に、Beam Chainの提案が進むにつれて、ゼロ知識証明技術に基づく仮想マシンがETHネットワークの中心的な役割を果たすことになるでしょう。SNARK証明と後量子暗号学を導入し、より低いステーク要件とより高速なブロック確認時間を組み合わせたBeam Chainは、ETHネットワークにより強力な分散化と高いパフォーマンスをもたらすことが期待されます。

参照

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