ETH 3.0 Como superar os desafios de desempenho? Um artigo revela as quebras e atualizações por trás da tecnologia ZK

Escrito por: ZAN

Beam Chain: “Ethereum 3.0”

A conferência Devcon 2024 recém-encerrada foi muito animada, com a ecologia do Ethereum se reunindo em Bangcoc. Durante este tempo, o Ethereum e projetos relacionados lançaram grandes avanços e dinâmicas, uma série de novas perspectivas, tendências e planos estão impulsionando o Web3 global.

Especialmente impressionante é o plano de proposta “Ethereum 3.0” do pesquisador da Fundação Ethereum, Justin Drake.

Ele propôs uma atualização de camada de consenso chamada pela comunidade de “ETH 3.0” - Beam Chain[1]。 A ideia central é reduzir a carga computacional e de comunicação dos validadores com provas de conhecimento zero, diminuir o limiar necessário para se tornarem validadores e permitir que mais validadores se juntem à rede para aumentar a segurança, reduzir a redundância computacional e melhorar a eficiência geral da rede. Além disso, Justin também quer aproveitar a oportunidade de Snarkizing a camada de consenso para resolver a dívida técnica deixada pela cadeia Beacon devido às limitações dos tempos, e se preparar para as necessidades futuras de segurança resistente ao quântico.

No mapa de estrada de Vitalik para The Verge, a Snarkificação da ETH é um dos trabalhos importantes, que inclui a transformação de prova de conhecimento zero da camada de consenso e camada de execução. Na interpretação mais recente de Vitalik.[2]，Vitalik admitiu que a reforma da camada de consenso é um desafio, que precisa ser continuamente considerado e otimizado no trabalho subsequente. A proposta da Beam Chain pode ser vista como uma resposta de Vitalik sobre como tornar a camada de consenso mais Snark.

O Beam Chain opera apenas no nível de Consenso. No entanto, a Snarkização do nível de Consenso não implica a remodelação de todas as partes. O núcleo da cadeia de blocos é a função de transição de estado, portanto, a Snarkização da função de transição de estado é suficiente, o que é exatamente o que ZK faz de melhor. Para o nível de Consenso, a função de transição de estado consiste principalmente em três partes: função de transição por slot, função de transição por bloco e função de transição por época. Nestas três funções de transição de estado, estão incluídas a execução do Algoritmo de Consenso, a lógica de Staking, a proposta de bloco, a verificação da correção dos resultados da camada de execução, a verificação da raiz da árvore de Merkle, a verificação / agregação do Consenso, o cálculo da função de hash, operações de stake e resgate de contas, etc. A Snarkização do nível de Consenso, na verdade, é apenas a Snarkização das operações acima. Vale ressaltar que, no caminho de Snarkização do nível de Consenso, o Ethereum ainda prioriza a Descentralização e a diversidade, portanto, não exigirá Algoritmos e protocolos ZK, mas deixará a escolha para o Proposer.

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Pontos-chave: Realtime Proving

Para realizar a visão da Beam Chain, o desafio mais crucial é aumentar a eficiência de prova, ou seja, como comprimir o tempo de prova atual de dezenas ou até centenas de segundos para segundos. No ZK Workshop II realizado em 24 de setembro deste ano, organizado conjuntamente pela AntChain OpenLabs, ZAN e Pharos,[3]No evento, o convidado Justin compartilhou um relatório intitulado ‘Realtime Proving’, no qual ele apresentou pontos de vista semelhantes à visão do ‘Ethereum 3.0’ e propôs uma solução para os gargalos de desempenho. Ele incentivou a comunidade a utilizar o método de aceleração ASIC para concluir o processo completo de geração de prova de conhecimento zero na máquina virtual de prova, desde a geração de evidências até a prova, e espera-se que o tempo de geração de prova seja aumentado em mais de dez vezes nos próximos anos, alcançando assim o verdadeiro Realtime Proving.

Para o desempenho e aplicação da tecnologia zk-SNARKs: estamos sempre a caminho

A AntChain OpenLabs tem se dedicado a acelerar as provas ZK utilizando plataformas de hardware como GPU, FPGA, ASIC, entre outras. Isso acelerou vários sistemas ZK, incluindo Polygon ZKEVM Prover, Stone Prover, Halo2 e Plonky2, criando várias soluções de aceleração de IP FPGA e GPU, com alguns operadores centrais tendo uma taxa de aceleração de mais de cem vezes.

A relação de aceleração obtida pela AntChain OpenLabs em relação ao CPU para alguns operadores acelerados por CUDA, conforme mostrado na tabela (1).

( Tabela 1 )

Comparação de desempenho do MSM acelerado por GPU implementado pelo AntChain OpenLabs e ICICLE de código aberto (ambos com 4090GPU), conforme a tabela (dois).

( Tabela 2 )

AntChain OpenLabs 实现的 GPU 加速的 Circle FFT 与在 16 核 CPU 上Código aberto Stwo Prover 的性能对比，如表（三）。

(Tabela 3)

Além disso, o AntChain OpenLabs está empenhado em explorar a aplicação de provas de conhecimento zero, na direção de AI+ZK, em cálculos verificáveis de grandes modelos, utilizando tecnologias como multiplicação de matrizes Folding, otimização colaborativa de GPU+CPU com o protocolo de verificação de somas, implementação eficiente de curvas elípticas, etc., com 4 GPUs.[4][5]O tempo de geração do primeiro token do (originalmente sem compromisso e abertura, desempenho testado após a adição de compromisso e abertura, para o modelo LLama-7B) foi reduzido de 4 horas para cerca de 18 minutos.

AntChain OpenLabs continua a otimizar o desempenho e a disponibilidade de cálculos verificáveis de grandes modelos, com base na acumulação de conhecimentos em GPU, e continua a esforçar-se na substituição e otimização de propostas de compromisso, no Folding de múltiplas instâncias, e na geração de provas de múltiplos tokens. O objetivo é construir um serviço de cálculo verificável eficiente, fácil de usar e amigável ao ecossistema de IA, para explorar possíveis direções de aplicação em larga escala da tecnologia de Prova de Conhecimento Zero e construir uma ponte entre Web3 e aplicativos de IA.

Ao mesmo tempo, enfrentando a ameaça do Computador quântico, a AntChain OpenLabs também realizou explorações ativas, com base no OpenSSL[6]Foi reestruturada uma biblioteca de criptografia pós-quântica que suporta vários algoritmos pós-quânticos NIST. Enfrentando o problema do aumento de armazenamento de mais de 40 vezes em comparação com o ECDSA, a assinatura pós-quântica, por meio do processo de consenso e otimização de leitura de memória de baixa latência, permite que o TPS da blockchain resistente a quantidades quânticas atinja cerca de 50% da cadeia original.

Vale a pena seguir, a exploração tecnológica acima mencionada já foi implementada no esquema de aceleração de software e hardware Power Zebra lançado pela ZAN, que acelera e otimiza os operadores comumente usados em prova de conhecimento zero, incluindo múltiplas multiplicação escalar MSM, transformação de número teórico NTT, resolução de polinômios H, prova de abertura de polinômios e outros componentes-chave, aproveitando totalmente os recursos de computação, largura de banda de armazenamento e largura de banda PCIe da GPU, melhorando significativamente a eficiência do cálculo. Anteriormente, após a introdução do esquema de aceleração de software e hardware Power Zebra da ZAN pela comunidade zkWASM Código aberto, o desempenho de computação da GPU aumentou mais de 20%, estabelecendo o recorde mais alto de serviços semelhantes na comunidade.

Antecipar

Ao longo dos anos, a comunidade Ethereum tem se concentrado principalmente em otimizações na camada de execução, incluindo estratégias como o aumento do BlockGasLimit e L2s. Entre elas, a Snarkização da camada de execução já foi amplamente explorada na rota da ‘Rollup Centric’, com a conclusão de grande parte do trabalho por meio do L2, obtendo resultados significativos. A ideia do Beam Chain, por outro lado, abre as portas para a Snarkização da camada Consenso. Acredita-se que, com a introdução do Beam Chain, a comunidade será incentivada e inspirada a direcionar seus esforços para a transformação da camada Consenso, trazendo ideias ainda mais empolgantes.

Pode-se antecipar que a Snarkização das camadas de consenso e execução completará o quebra-cabeça final da Snarkização do Ethereum, contribuindo enormemente para a escalabilidade e descentralização do ETH. Ao mesmo tempo, com o avanço da proposta da Beam Chain, a Máquina Virtual baseada na tecnologia zk-SNARKs desempenhará um papel fundamental no ecossistema do ETH. Ao introduzir provas SNARK e criptografia pós-quântica, juntamente com um limite de participação mais baixo e tempos de confirmação de bloco mais rápidos, a Beam Chain trará maior descentralização e desempenho melhorado para o ETH.

Referências

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