並行EVM技術の探求：ブロックチェーンのスケーラビリティのボトルネックを突破する

イーサリアム仮想マシンEVM

EVMとSolidityの関係

スマートコントラクトの開発は、ブロックチェーンエンジニアの基本的なスキルです。開発者は通常、Solidityまたはその他の高級言語を使用してビジネスロジックを実装します。しかし、EVMはSolidityコードを直接解釈することができず、それを仮想マシンが実行できる低級言語（オペコード/バイトコード）にコンパイルする必要があります。市場にはこの変換プロセスを自動的に完了するツールがあり、開発者がコンパイルの詳細を理解する負担を軽減しています。

変換には追加のオーバーヘッドが伴うが、低レベルのコーディングに精通したエンジニアは、最高の効率を達成し、ガス消費を削減するためにSolidity内でオペレーションコードを直接使用してプログラムロジックを書くことができる。例えば、ある有名なNFT取引プラットフォームのプロトコルは、ユーザーのガスコストを最小化するためにインラインアセンブリを広く使用している。

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EVM 性能のばらつき: 標準と実装

EVM、または「実行層」とも呼ばれるのは、コンパイル後のスマートコントラクトのオペコードが最終的に計算され処理される場所です。EVMが定義するバイトコードは業界標準です。イーサリアムLayer 2ネットワークであれ、他の独立したブロックチェーンであれ、EVM標準との互換性により、開発者は複数のネットワークでスマートコントラクトを効率的に展開できます。

EVMバイトコード標準に準拠することが仮想マシンをEVMにしますが、実装方法には大きな違いがあります。たとえば、イーサリアムのクライアントはGo言語でEVM標準を実装しており、イーサリアム財団の別のチームはC++実装を維持しています。この多様性は、異なるエンジニアリング最適化やカスタマイズ実装を可能にします。

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パラレル EVM テクノロジー

歴史的に、ブロックチェーンコミュニティは主にコンセンサスアルゴリズムの革新に注目してきました。一部の有名なプロジェクトは、そのコンセンサスメカニズムによって知られ、実行層ではなくなっています。これらのプロジェクトは実行層にも革新をもたらしましたが、その性能はしばしばコンセンサスアルゴリズムだけに起因するものと誤解されています。

実際、高性能ブロックチェーンには革新的なコンセンサスアルゴリズムと最適化された実行層が必要であり、「木桶理論」に似ています。コンセンサスアルゴリズムを改善するだけのEVMブロックチェーンの場合、パフォーマンスを向上させるには、より強力なノードが必要です。例えば、ある有名なスマートチェーンは2000 TPSのガス制限でブロックを処理するために、イーサリアムのフルノードよりも数倍のマシンを設定する必要があります。別の有名なLayer 2ソリューションは理論上1000 TPSをサポートしていますが、その実際のパフォーマンスはしばしば期待に及びません。

並列処理の必要性

ほとんどのブロックチェーンシステムでは、取引は順番に実行されており、シングルコアCPUに似ています。次の計算は現在の計算が完了してから始まります。この方法はシンプルでシステムの複雑性が低いものの、インターネット規模のユーザーベースにスケールするのは難しいです。マルチコアCPUの並列仮想マシンに移行することで、同時に複数の取引を処理できるようになり、スループットが大幅に向上します。

並行実行は、同じスマートコントラクトに対する同時取引の書き込みを処理する場合など、工学的な課題をもたらします。これらの競合を解決するために新しいメカニズムを設計する必要があります。無関係なスマートコントラクトの並行実行は、並行処理スレッド数に比例してスループットを向上させることができます。

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パラレルEVMの革新

並行EVMは、ブロックチェーンシステムの実行層を最適化することを目的とした一連の革新を表しています。ある新興プロジェクトを例に取ると、その重要な革新には以下が含まれます：

• 並行取引実行：楽観的並行実行アルゴリズムを採用し、複数の取引を同時に処理できる。この方法は同じ初期状態から取引を開始し、それらの入力と出力を追跡し、各取引の一時結果を生成する。次の取引の入力が現在処理中の取引の出力と関連しているかどうかを確認することで、次の取引を実行するかどうかを決定する。関連がある場合、次の取引は現在の取引が完了するのを待つ。関連がない場合、システムは元の順序で次の取引を処理する。この方法は取引処理性能を大幅に向上させ、システムの遅延を減少させる。

• 遅延実行：コンセンサス機構において、ノードはマスターノードまたはバリデーターノードがこれらのトランザクションを実行する必要がない場合に、トランザクションの正式な順序に合意します。最初に、マスターノードがトランザクションを順序付け、ノード間でその順序について合意します。トランザクションを即座に実行するのではなく、実行を独立したチャネルに遅延させ、ブロック時間を最大限に利用し、全体的な実行効率を向上させます。

• カスタムステータスデータベース：MerkleツリーをSSDに直接保存することで、ステータスの保存とアクセスを最適化します。この直接保存方法は読み取り拡大効果を最小限に抑え、ステータスアクセス速度を向上させ、スマートコントラクトの実行をより速く、より効率的にします。従来のデータベースの非効率を減らすことで、並行取引実行中にステータス変数を迅速に取得できることを保証します。

• 高性能コンセンサスメカニズム：HotStuffコンセンサスメカニズムを基にした改良版で、数百のグローバルに分散したノード間の同期をサポートし、線形の通信複雑性を持っています。パイプライン投票段階を使用して、投票プロセスの異なる段階が重なり合って実行できるようにし、遅延を減少させ、コンセンサス効率を向上させます。この修正により、ネットワークが大規模分散操作を処理する能力が大幅に向上しました。

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チャレンジ

パラレルEVMの技術的課題

順序取引の実行のボトルネックは、CPUと状態の読み書きプロセスに関連しています。この方法はシンプルで信頼性がありますが、並行実行は潜在的な状態の競合を引き起こすため、実行前または実行後に競合チェックを行う必要があります。例えば、ある仮想マシンが4つの並行スレッドをサポートしており、各スレッドが1つの取引を処理する場合、すべての取引が同じDEXプールと相互作用すると競合が発生します。このような状況では、効率的な並行処理を確保するために、慎重な競合検出と解決メカニズムが必要です。

並行EVMの技術的な違いを実現することに加えて、各チームは通常、状態データベースの読み取り/書き込み性能を再設計し、強化し、互換性のあるコンセンサスアルゴリズムを開発します。

課題と考慮事項

並行EVMの2つの主要な課題は、イーサリアムの長期的なエンジニアリング価値の獲得とノードの集中化です。現在の開発段階は、知的財産を保護するために完全にはオープンソース化されていませんが、これらの詳細は最終的にテストネットとメインネットの立ち上げ時に明らかにされ、イーサリアムや他のブロックチェーンに吸収されるリスクに直面します。迅速なエコシステムの発展は、競争優位性を維持するための鍵となるでしょう。

ノードの集中化はすべての高性能ブロックチェーンにとっての課題であり、"ブロックチェーンの三大難題"、すなわち許可不要、信頼不要の操作と高性能の要求の間でバランスを取る必要があります。"ハードウェア要件あたりのTPS"のような指標は、特定のハードウェア条件下でのブロックチェーンの効率を比較するのに役立ちます。なぜなら、低いハードウェア要件はより多くの分散化されたノードを可能にするからです。

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並行EVMのパターン

並行EVM構造には、複数のプロジェクトやソリューションが含まれています。その中にはLayer 1ブロックチェーンもあり、他にはLayer 2ソリューションもあります。一部のプロジェクトは既存のネットワーク、例えば特定のブロックチェーンネットワークに基づいていますが、他のいくつかはオープンソースのクライアントや独立して開発されたソリューションです。

並行EVMの主な条件はEVM互換ネットワークです。いくつかの非EVMネットワークも並行実行を採用していますが、それらは並行EVMプロジェクトとは見なされません。

現在の並行EVMネットワークは、3つのタイプに分けることができます：

• パラレル実行技術でアップグレードされたEVM互換Layer 1ネットワーク：これらのネットワークは最初はパラレル実行を採用しておらず、技術のイテレーションによってパラレルEVMをサポートするようにアップグレードされました。

• 最初から並行実行技術を採用したEVM互換のLayer 1ネットワーク：いくつかの新興プロジェクトは、設計の初めから並行実行を考慮している。

• EVM非対応の並列実行技術を採用したLayer 2ネットワーク：これには、スケーラビリティ指向のLayer 2 EVM互換チェーンが含まれます。これらのネットワークはEVMをプラグイン可能な実行モジュールに抽象化し、必要に応じて最適な"VM実行層"を選択することを可能にし、並列能力を実現します。

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プロジェクト

プロジェクトA: 先進的な並列EVM

このプロジェクトは、EVMの並行実行とパイプラインアーキテクチャを最適化することによって、従来のEVMのスケーラビリティ問題を解決することを目的としており、目標は10,000 TPSに達することです。最近、大規模な資金調達を完了し、これまでで最も資金調達が多く、評価が最も高い並行EVMプロジェクトとなりました。創設チームのメンバーには、著名なフィンテック企業の専門家が含まれています。内部テストネットが開始され、数ヶ月内に一般に公開される予定です。

プロジェクトB：並列EVMネットワークを立ち上げる

このプロジェクトは最初、取引に特化したLayer 1ネットワークで、高度な取引アプリケーションインフラを提供していました。最近、全面的なアップグレードを発表し、高性能の並列EVMに移行し、TPSを大幅に向上させました。並列EVMテストネットがオンラインになり、EVMアプリケーションのワンクリック移行をサポートしています。メインネットは今年の上半期に上线する予定です。

プロジェクトC：双仮想マシンによる実行層の強化

このプロジェクトは、EVMのサポートを拡張し、並行実行を可能にすることでLayer 1ネットワークのスケーラビリティを向上させることを目指しています。二重仮想マシンシステムを構築することで、EVMブロックチェーンの性能とネットワークの実行効率を向上させることを目指しています。コアチームのメンバーは、著名なブロックチェーンプロジェクト出身です。パブリックテストネットはすでにオンラインで、エコシステムインセンティブプログラムが開始されました。

プロジェクトD：並行EVM技術の導入

これは、特定のブロックチェーン開発フレームワークに基づいて構築されたEVM互換のLayer 1ネットワークで、DeFiアプリケーションのために設計されています。最近、ネットワーク性能を向上させるためにEVM並行実行技術を導入することを目的とした開発計画が発表されました。

プロジェクトE：特定のブロックチェーンのEVM互換ソリューション

このプロジェクトは、ある高性能ブロックチェーンネットワーク上に構築された並列EVMであり、そのネットワークの最初のEVM互換ソリューションでもあります。SolidityとVyper EVM開発者がワンクリックでDAppをデプロイできることをサポートし、高いスループットと低いガス料金を享受できます。このプロジェクトは、EVMネットワークのトランザクションを特定の形式にパッケージ化して実行することにより、トランザクション速度を向上させ、TPSは2,000を超えます。

プロジェクトF：特定の仮想マシンをイーサリアムに導入する

これは、ある有名なブロックチェーン仮想マシンがサポートするRollup Layer 2モジュラー汎用ソリューションです。それはイーサリアム上で取引データを決済し、ETHをガスとして使用しますが、その実行層は特定のVM環境で動作します。最近、大規模な資金調達を完了し、メインネットは近日中に開発者に公開される予定です。

プロジェクトG：モジュラーVM Layer 2

このプロジェクトは、あるLayer 2拡張ソリューションに基づいて構築された、モジュール化されたVM Layer 2ネットワークです。高性能な仮想マシンを既存の主要なイーサリアムおよびビットコインLayer 2ネットワークに導入することを目的としています。イーサリアムまたはビットコインを決済層として使用することをサポートし、実行層は複数の仮想マシンを使用して並行実行できるようになっています。

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) まとめ

ブロックチェーン技術の発展に伴い、実行層とコンセンサスアルゴリズムへの関心も同様に重要であり、高性能を実現するためのものです。並列EVMなどの革新は、スループットと効率を向上させ、ブロックチェーンのスケーラビリティを高め、広範なユーザー群をサポートできる有望な解決策を提供します。これらの技術の発展と実装は、ブロックチェーンエコシステムの未来を形作り、この分野のさらなる進歩と応用を促進します。

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