ETH 3.0如何破局性能難題？一文揭秘背後的ZK技術突破與升級方案

Beam Chain: “以太坊3.0 ”

剛結束的2024 Devcon 大會，熱鬧非凡，以太坊生態齊聚曼谷，以太坊及相關生態項目在此期間重磅發布最新進展及動態，一系列的新觀點、新趨勢、新計劃點燃全球Web3。

尤其令人印象深刻的，屬於以太坊基金會研究員Justin Drake 發布的「以太坊3.0 」提案計畫。

他提出了一個被社群稱為「以太坊3.0 」的共識層升級提案-- Beam Chain [ 1 ]。其核心觀點是：用零知識證明減少Validator 的運算和通訊負擔，降低成為Validator 所需的門檻，使得更多的Validator 可以加入網路以增加安全性、減少運算的冗餘、提高網路整體的效率。此外，Justin 也想要藉著共識層Snark 化改造的機會，解決Beacon 鏈中由於時代限制留下的技術債，並為未來的抗量子安全需求做準備。

在Vitalik 的The Verge 路線圖裡，將以太坊Snark 化（SNARKification）本來就是其中一項重要工作，其包含對共識層和執行層進行零知識證明改造。 在Vitalik 最新的解讀裡[ 2 ]，Vitalik 坦言對共識層的改造工作是一個挑戰，需要在後續工作中持續地考慮並優化。 Beam Chain 的提議，正好可以看作是Vitalik 對共識層如何Snark 化的一個回應。

Beam Chain 僅關注共識層。但將共識層Snark 化並不代表將所有部分都進行改造。區塊鏈的核心是狀態轉換函數（State Transition Function），所以對其改造僅需將狀態轉換函數Snark 化即可，這也剛好是ZK 所擅長的地方。對於共識層，狀態轉換函數主要包含三個部分，分別是per-slot transition function、per-block transition function 和per-epoch transition function。在這三個狀態轉換函數中，包含共識演算法和Staking 邏輯的執行、區塊提議、執行層結果正確性的驗證、Merkle Tree Root 驗證、共識簽章的驗證/ 聚合、雜湊函數的計算、涉及到帳戶儲存狀態存取的質押和贖回操作等。要將共識層Snark 化，其實就是將如上操作Snark 化。值得注意的是，在將共識層Snark 化的路線中，以太坊仍將去中心化和多樣性的目標放在首位，所以並不會強制要求ZK 演算法和協議，而是由Proposer 自己選擇。

圖片來源：https://www.youtube.com/watch?v=rGE_RDumZGg&t=8257s

核心困難：Realtime Proving

要實現Beam Chain 的構想，最核心的困難就是證明效率的提升，既如何將目前幾十甚至上百秒的證明時間壓縮到秒級。在今年9 月24 日由AntChain OpenLabs、ZAN 和Pharos 共同舉辦的ZK Workshop II [ 3 ]上，嘉賓Justin 分享了題為“Realtime Proving”的報告，彼時他提出的核心觀點與“以太坊3.0 ”設想一脈相承，提出了解決效能瓶頸的解決方案。其鼓勵社群使用ASIC 加速方法，在晶片上完成零知識證明虛擬機器從證據生成到證明的全流程，在未來幾年內將證明生成的時間提升十倍以上，真正能夠實現Realtime Proving。

為零知識證明技術的性能與應用助力：我們一直在路上

AntChain OpenLabs 一直致力於利用GPU、FPGA、ASIC 等硬體平台對ZK 證明進行加速，加速了包括Polygon ZKEVM Prover、Stone Prover、Halo 2 和Plonky 2 在內的多種ZK 系統，形成了多個FPGA IP 和GPU 加速解決方案，部分核心算符達到超過一百倍加速比。

AntChain OpenLabs 基於CUDA 加速的部分算子的相對CPU 所獲得的加速比，如表( 一)。

( 表一)

AntChain OpenLabs 實現的GPU 加速的MSM 與開源ICICLE 的效能比較（皆為409 0G PU），如表（二）。

( 表二)

AntChain OpenLabs 實現的GPU 加速的Circle FFT 與在16 核心CPU 上開源Stwo Prover 的效能對比，如表（三）。

( 表三)

此外，AntChain OpenLabs 也致力於零知識證明的應用探索，在AI+ZK 方向的大模型可驗證計算上，使用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，在4 個GPU 下將zkLLM [ 4 ][ 5 ]（原實現不包括承諾和打開，性能為加入承諾和打開之後測試，針對LLama-7 B模型）的首token 生成時間由4 小時降低至約18 分鐘。

AntChain OpenLabs 基於GPU 方面的累積不斷優化大模型可驗證計算的性能和可用性，並在承諾方案替換和優化、多實例Folding、多token 證明生成方面持續發力，目標構建一個高效、易用、AI 生態友善的可驗證計算服務，為零知識證明技術的大規模應用探明可能方向，建構Web3 和AI 應用連結的橋樑。

同時面對量子電腦的威脅，AntChain OpenLabs 也進行了積極探索，基於OpenSSL [ 6 ]改造了一個後量子版本密碼庫，支援多個NIST 標準後量子演算法。同時面對後量子簽章較ECDSA 有40 倍以上儲存膨脹的問題，透過共識流程以及低延遲記憶體讀取優化，使得抗量子區塊鏈TPS 可達原鏈的50% 左右。

值得注意的是，上述技術探索已在ZAN 推出的軟硬一體加速方案－Power Zebra ( https://zan.top/home/power-zebra?chInfo=ch_WZ ) 中應用落地，該方案針對零知識證明常用的算符進行加速和最佳化，包括多標量點乘MSM、數論變換NTT、H 多項式求解、多項式開啟證明等多個關鍵元件，充分利用了GPU 的運算資源、儲存頻寬和PCIe頻寬，使得運算效率顯著提升。先前zkWASM 開源社群Delphinus Lab 在引進ZAN 的軟硬一體加速方案Power Zebra 後，GPU 運算效能提升超20% ，創造社群同類服務最高紀錄。

預見

長久以來，以太坊社群主要聚焦於執行層的各項優化，包括提高BlockGasLimit、L2s 等策略。在這其中，執行層的Snark 化早已在「Rollup Centric」的路線圖中藉助L2 完成了大部分工作，收穫豐富。 Beam Chain 的想法，則打開了共識層Snark 化的大門。相信隨著Beam Chain 的提出，將引導並激發社區將目光投入共識層的改造中，帶來更多令人興奮的想法。

可以預想到，共識層和執行層的Snark 化，將一起完成Ethereum Snark 化的最終拼圖，為以太坊的擴展性、去中心化作出巨大貢獻。同時，隨著Beam Chain 提案的推進，基於零知識證明技術的虛擬機器將在以太坊生態中扮演核心角色。透過引入SNARK 證明和後量子密碼學，結合更低的質押門檻以及更快的區塊確認時間，Beam Chain 將為以太坊帶來更強的去中心化和更高的性能。

參考文獻

[ 1 ] https://www.youtube.com/watch?v=rGE_RDumZGg

[2] https://vitalik.eth.limo/general/2024/10/23/futures4.html

[3] https://x.com/zan_team/status/1844947080642539752

[4] https://github.com/jvhs0706/zkllm-ccs2024

[5] https://arxiv.org/abs/2404.16109

[6] https://www.openssl.org/