以太坊3.0：Beam Chain提案引領共識層變革

近期結束的2024 Devcon大會在曼谷舉行，匯聚了以太坊生態的衆多參與者。會議期間，多個項目發布了最新進展和計劃，爲全球Web3領域帶來了新的發展動力。

其中，以太坊基金會研究員Justin Drake提出的"以太坊3.0"升級方案尤爲引人注目。這項被稱爲Beam Chain的共識層升級提案，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，並提升整體網路效率。此外，該提案還計劃借此機會解決Beacon鏈中的歷史遺留問題，並爲未來可能出現的抗量子安全需求做好準備。

Beam Chain提案可以看作是對Vitalik此前提出的The Verge路線圖中以太坊Snark化（SNARKification）工作的一個具體回應。Vitalik曾表示，對共識層的改造是一個具有挑戰性的工作，需要持續優化。

Beam Chain主要聚焦於共識層的改造。其核心是將狀態轉換函數Snark化，這恰好是零知識證明技術的優勢所在。共識層的狀態轉換函數包括每個時隙、每個區塊和每個紀元的轉換函數。這些函數涉及共識算法和質押邏輯的執行、區塊提議、執行層結果驗證、Merkle樹根驗證、共識籤名驗證和聚合、哈希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，以太坊在推進共識層Snark化的過程中，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零知識證明算法和協議，而是允許提議者自行選擇。

實現Beam Chain構想的核心挑戰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。爲此，Justin鼓勵社區採用ASIC加速方法，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，實現實時證明（Realtime Proving）。

一些研究機構正在積極探索利用GPU、FPGA、ASIC等硬件平台對零知識證明進行加速。他們已經成功加速了多種零知識證明系統，如Polygon ZKEVM Prover、Stone Prover、Halo2和Plonky2等，並開發了多個FPGA IP和GPU加速解決方案，部分核心算子的加速比達到了百倍以上。

在AI+ZK方向的大模型可驗證計算領域，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，某些機構已經將zkLLM的首token生成時間從4小時縮短到約18分鍾。

此外，爲應對量子計算機的潛在威脅，一些機構基於OpenSSL改造了支持多個NIST標準後量子算法的密碼庫。他們還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可以達到原鏈的50%左右。

隨着Beam Chain提案的提出，預計會引導社區將更多注意力投入到共識層的改造中，帶來更多創新想法。共識層和執行層的Snark化將共同完成以太坊Snark化的最終藍圖，爲以太坊的擴展性和去中心化做出重大貢獻。同時，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有望爲以太坊帶來更強的去中心化和更高的性能。