以太坊 3.0：Beam Chain 提案引領新一輪技術革新

2024 Devcon 大會在曼谷圓滿結束，會議期間以太坊生態項目齊聚一堂，共同探討最新進展和未來發展方向，爲全球 Web3 領域注入了新的活力。

其中，以太坊基金會研究員 Justin Drake 提出的"以太坊 3.0"提案計劃 Beam Chain 格外引人注目。該提案旨在通過零知識證明技術減輕驗證節點的計算和通信負擔，降低成爲驗證節點的門檻，從而吸引更多參與者加入網路，提高安全性並優化整體效率。Drake 還希望借此機會解決 Beacon 鏈中的歷史技術債務，同時爲未來可能出現的量子計算威脅做好準備。

Beam Chain 提案與以太坊聯合創始人 Vitalik Buterin 此前提出的 The Verge 路線圖不謀而合。The Verge 路線圖中將以太坊 Snark 化（SNARKification）列爲重要任務之一，包括對共識層和執行層進行零知識證明改造。Vitalik 最近承認，共識層的改造工作仍面臨挑戰，需要在後續工作中持續優化。Beam Chain 提案恰好可以視爲對這一挑戰的回應。

Beam Chain 主要聚焦於共識層的改造。將共識層 Snark 化並不意味着對所有部分進行全面改造，而是將核心的狀態轉換函數（State Transition Function）Snark 化。對於共識層而言，狀態轉換函數主要包括每時隙轉換函數、每區塊轉換函數和每紀元轉換函數。這些函數涵蓋了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、共識籤名驗證與聚合、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 ZK 算法和協議，而是允許區塊提議者自主選擇。

實現 Beam Chain 構想的核心難點在於如何提升證明效率，將目前需要幾十甚至上百秒的證明時間壓縮到秒級。Justin 在今年 9 月的 ZK Workshop II 上提出了使用 ASIC 加速方法的解決方案，建議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，預計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）。

業界已經在零知識證明技術的性能提升和應用拓展方面取得了顯著進展。一些研究團隊致力於利用 GPU、FPGA、ASIC 等硬件平台對 ZK 證明進行加速，涵蓋了多種 ZK 系統，部分核心算子達到了百倍以上的加速比。在 AI+ZK 方向上，針對大模型可驗證計算的優化也取得了突破性進展，大幅降低了首個 token 的生成時間。

面對量子計算機可能帶來的威脅，一些團隊還改造了支持多個 NIST 標準後量子算法的密碼庫。通過共識流程和低延遲內存讀取優化，使得抗量子區塊鏈的 TPS 可以達到原鏈的約 50%。

這些技術探索已經在一些商業解決方案中得到應用，如針對零知識證明常用算子進行加速和優化的軟硬一體加速方案，顯著提升了運算效率。

長期以來，以太坊社區主要關注執行層的優化，包括提高 BlockGasLimit 和發展 L2 等策略。執行層的 Snark 化已經在"以卷疊爲中心"的路線圖中通過 L2 完成了大部分工作。Beam Chain 的提出開啓了共識層 Snark 化的新篇章，預計將引導社區更多關注共識層的改造，激發更多創新想法。

可以預見，隨着共識層和執行層的 Snark 化不斷推進，以太坊的 Snark 化藍圖將逐步完善，爲提升可擴展性和去中心化程度做出重要貢獻。同時，基於零知識證明技術的虛擬機將在以太坊生態中扮演越來越重要的角色。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特性和更高的性能表現。