以太坊3.0：Beam Chain提案引领共识层变革

近期结束的2024 Devcon大会在曼谷举行，汇聚了以太坊生态的众多参与者。会议期间，多个项目发布了最新进展和计划，为全球Web3领域带来了新的发展动力。

其中，以太坊基金会研究员Justin Drake提出的"以太坊3.0"升级方案尤为引人注目。这项被称为Beam Chain的共识层升级提案，旨在通过零知识证明技术降低验证者的计算和通信负担，从而降低成为验证者的门槛。这将有助于吸引更多验证者加入网络，提高安全性，减少冗余计算，并提升整体网络效率。此外，该提案还计划借此机会解决Beacon链中的历史遗留问题，并为未来可能出现的抗量子安全需求做好准备。

Beam Chain提案可以看作是对Vitalik此前提出的The Verge路线图中以太坊Snark化（SNARKification）工作的一个具体回应。Vitalik曾表示，对共识层的改造是一个具有挑战性的工作，需要持续优化。

Beam Chain主要聚焦于共识层的改造。其核心是将状态转换函数Snark化，这恰好是零知识证明技术的优势所在。共识层的状态转换函数包括每个时隙、每个区块和每个纪元的转换函数。这些函数涉及共识算法和质押逻辑的执行、区块提议、执行层结果验证、Merkle树根验证、共识签名验证和聚合、哈希计算以及涉及账户存储状态访问的质押和赎回操作等。

值得注意的是，以太坊在推进共识层Snark化的过程中，仍然将去中心化和多样性作为首要目标。因此，不会强制要求使用特定的零知识证明算法和协议，而是允许提议者自行选择。

实现Beam Chain构想的核心挑战在于如何将目前需要几十甚至上百秒的证明时间压缩到秒级。为此，Justin鼓励社区采用ASIC加速方法，在芯片上完成零知识证明虚拟机从证据生成到证明的全流程，以期在未来几年内将证明生成时间提升十倍以上，实现实时证明（Realtime Proving）。

一些研究机构正在积极探索利用GPU、FPGA、ASIC等硬件平台对零知识证明进行加速。他们已经成功加速了多种零知识证明系统，如Polygon ZKEVM Prover、Stone Prover、Halo2和Plonky2等，并开发了多个FPGA IP和GPU加速解决方案，部分核心算子的加速比达到了百倍以上。

在AI+ZK方向的大模型可验证计算领域，通过自主设计的矩阵乘法Folding、Sumcheck协议的GPU+CPU协同优化、椭圆曲线高效实现等技术，某些机构已经将zkLLM的首token生成时间从4小时缩短到约18分钟。

此外，为应对量子计算机的潜在威胁，一些机构基于OpenSSL改造了支持多个NIST标准后量子算法的密码库。他们还通过优化共识流程和低延迟内存读取，使得抗量子区块链的TPS可以达到原链的50%左右。

随着Beam Chain提案的提出，预计会引导社区将更多注意力投入到共识层的改造中，带来更多创新想法。共识层和执行层的Snark化将共同完成以太坊Snark化的最终蓝图，为以太坊的扩展性和去中心化做出重大贡献。同时，基于零知识证明技术的虚拟机有望在以太坊生态中扮演核心角色。通过引入SNARK证明和后量子密码学，结合更低的质押门槛和更快的区块确认时间，Beam Chain有望为以太坊带来更强的去中心化和更高的性能。