Como o ETH 3.0 resolve o problema de desempenho? Este artigo revela o avanço da tecnologia ZK e o plano de atualização por trás dele

Beam Chain: “ETH坊 3.0 ”

A conferência Devcon 2024, que acabou de ocorrer, foi animada e reuniu toda a comunidade da Ethereum em Bangkok. Durante este período, a Ethereum e projetos relacionados apresentaram importantes avanços e novidades, que trouxeram novas perspectivas, tendências e planos para o mundo do Web3.

Particularmente impressionante é a proposta do pesquisador da Fundação Ethereum, Justin Drake, para o plano ETH 3.0.

Ele apresentou uma proposta de atualização da camada Consenso, chamada pela comunidade de ‘Ethereum 3.0’, – Beam Chain [1]. O ponto central é: diminuir o fardo de cálculo e comunicação dos Validadores usando zk-SNARKs, reduzindo a barreira de entrada para os Validadores, permitindo que mais deles se juntem à rede para aumentar a segurança, reduzir a redundância de cálculo e aumentar a eficiência geral da rede. Além disso, Justin quer aproveitar a oportunidade da transformação da camada de Consenso em Snark para resolver as dívidas técnicas deixadas pelas restrições de tempo na cadeia Beacon e preparar-se para futuras demandas de segurança quântica.

No roteiro de Vitalik no The Verge, a SNARKificação do ETH é um dos trabalhos importantes, que inclui a transformação da camada de consenso e da camada de execução em zk-SNARKs. Na interpretação mais recente de Vitalik [2], ele admite que o trabalho de transformação da camada de consenso é um desafio e precisa ser continuamente considerado e otimizado no trabalho subsequente. A proposta da Beam Chain pode ser vista como uma resposta de Vitalik sobre como realizar a SNARKificação da camada de consenso.

Beam Chain apenas segue a camada de consenso. No entanto, a Snarkização da camada de consenso não significa que todas as partes sejam modificadas. O núcleo da cadeia de blocos é a função de transição de estado (State Transition Function), portanto, a modificação requer apenas a Snarkização da função de transição de estado, que é exatamente a especialidade do ZK. Na camada de consenso, a função de transição de estado possui três partes principais: função de transição por slot, função de transição por bloco e função de transição por época. Essas três funções de transição de estado incluem a execução de algoritmos de consenso e lógica de stake, propostas de bloco, verificação de correção dos resultados da camada de execução, verificação da raiz da árvore de Merkle, verificação/agregação de assinaturas de consenso, cálculo de funções de hash, operações de stake e resgate que envolvem o acesso ao estado da conta, etc. Snarkizar a camada de consenso, na verdade, é Snarkizar as operações mencionadas acima. Vale ressaltar que, na abordagem de Snarkização da camada de consenso, o Ethereum ainda prioriza os objetivos de descentralização e diversidade, portanto, não exige obrigatoriamente algoritmos e protocolos ZK, mas deixa a escolha para o Proposer.

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Pontos-chave: Realtime Proving

Para realizar a visão da Beam Chain, o maior desafio é a melhoria da eficiência da prova, isto é, como comprimir o tempo de prova atual de dezenas ou até centenas de segundos para segundos. No ZK Workshop II [3] realizado em conjunto por AntChain OpenLabs, ZAN e Pharos em 24 de setembro deste ano, o palestrante Justin compartilhou um relatório intitulado “Prova em tempo real”, no qual ele apresentou um ponto de vista central que está alinhado com a ideia de “ETH 3.0”, propondo uma solução para os gargalos de desempenho. Ele incentivou a comunidade a utilizar um método de aceleração ASIC para concluir o processo completo de geração de prova de conhecimento zeroMáquina virtual desde a geração de evidências até a prova, o que, nos próximos anos, aumentará em mais de dez vezes o tempo de geração de prova, permitindo assim a realização real da Prova em tempo real.

Desempenho e aplicação da tecnologia de prova de conhecimento zero: estamos sempre em movimento

A AntChain OpenLabs tem-se dedicado a acelerar as provas de conhecimento-zero (ZK) utilizando plataformas de hardware como GPU, FPGA e ASIC. Isso acelerou diversos sistemas ZK, incluindo Polygon ZKEVM Prover, Stone Prover, Halo 2 e Plonky 2, resultando em várias soluções de aceleração de FPGA IP e GPU. Alguns operadores-chave alcançaram uma aceleração de mais de cem vezes.

AntChain OpenLabs baseia-se na aceleração de parte dos operadores com CUDA em comparação com a aceleração obtida pela CPU, conforme mostrado na Tabela (1).

( Tabela 1 )

Comparação de desempenho da MSM acelerada por GPU implementada pelo AntChain OpenLabs com o ICICLE de Código aberto (ambos 409 0G PU), conforme tabela (dois).

(Tabela 2)

Comparação de desempenho do Circle FFT acelerado por GPU implementado pelo AntChain OpenLabs com o Stwo Prover em um CPU de 16 núcleos, como mostrado na tabela (três).

( Tabela Três )

Além disso, a AntChain OpenLabs está empenhada na exploração de aplicações de prova de conhecimento zero, na direção AI+ZK, em grandes modelos verificáveis de cálculo, utilizando tecnologias como Folding de multiplicação de matriz, protocolo Sumcheck, otimização colaborativa GPU+CPU e implementação eficiente de curvas elípticas. Em 4 GPUs, o tempo de geração do primeiro token do zkLLM [4][5] (a implementação original não inclui compromissos e aberturas, o desempenho é testado após a inclusão de compromissos e aberturas, para o modelo LLama-7 B) foi reduzido de 4 horas para aproximadamente 18 minutos.

AntChain OpenLabs baseia-se na acumulação de GPU para otimizar continuamente o desempenho e a disponibilidade de cálculos verificáveis de grandes modelos, e continua a se esforçar na substituição e otimização de esquemas de compromisso, folding de múltiplas instâncias, geração de prova de múltiplos tokens, com o objetivo de construir um serviço de cálculo verificável eficiente, fácil de usar e amigável ao ecossistema de IA, explorando possíveis direções para a aplicação em larga escala da tecnologia de conhecimento zero, e construindo uma ponte entre Web3 e a ligação de aplicações de IA.

Ao mesmo tempo que enfrenta a ameaça do Computador quântico, a AntChain OpenLabs também realizou explorações ativas, transformando uma biblioteca de criptografia em uma versão pós-quântica baseada no OpenSSL [6], que suporta vários Algoritmo Quântico padrões do NIST. Ao mesmo tempo, diante do problema de inflação de armazenamento mais de 40 vezes maior do que o ECDSA com assinatura pós-quântica, o TPS da cadeia de blocos resistente a quantidades quânticas pode atingir cerca de 50% da cadeia original, através do processo de Consenso e otimização de leitura de memória de baixa latência.

Vale a pena seguir que as tecnologias mencionadas acima já foram implementadas no Power Zebra (), uma solução de aceleração de hardware e software lançada pela ZAN. Essa solução acelera e otimiza os operadores comumente usados em Prova de conhecimento zero, incluindo multiplicação de pontos em múltiplas escalares MSM, transformação numérica NTT, resolução de polinômios H e prova aberta de polinômios, entre outros componentes-chave. Ela aproveita ao máximo os recursos de computação, largura de banda de armazenamento e largura de banda PCIe da GPU, resultando em uma melhoria significativa na eficiência computacional. Anteriormente, a comunidade Delphinus Lab do zkWASM Código aberto alcançou um aumento de desempenho de GPU de mais de 20% após a implementação do Power Zebra, estabelecendo um novo recorde na comunidade para serviços semelhantes.

Prever

Ao longo do tempo, a comunidade Ethereum tem se concentrado principalmente na otimização da camada de execução, incluindo estratégias como aumentar o BlockGasLimit e L2s. Nesse contexto, a Snarkificação da camada de execução já fez a maior parte do trabalho no roadmap “Rollup Centric” por meio da L2, colhendo benefícios significativos. A ideia da Beam Chain, por sua vez, abriu as portas para a Snarkificação na camada de Consenso. Acredito que, com a proposta da Beam Chain, irá guiar e inspirar a comunidade a focar na transformação da camada de Consenso, trazendo mais ideias empolgantes.

Pode-se antecipar que a Snarkificação das camadas de consenso e execução, juntamente com a Snarkificação do Ethereum, completará o quebra-cabeça final da escalabilidade e da Descentralização do Ethereum, contribuindo enormemente para a ETH. Ao mesmo tempo, com o avanço da proposta da Beam Chain, a Máquina virtual baseada na tecnologia de Prova de conhecimento zero desempenhará um papel central no ecossistema da ETH. Ao introduzir provas SNARK e pós-criptografia quântica, combinadas com um limite de stake mais baixo e tempos de confirmação de Bloco mais rápidos, a Beam Chain trará uma Descentralização mais forte e melhor desempenho para a ETH.

Referências

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