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以太坊3.0: Beam Chain提案引领共识层革新 提升可扩展性和去中心化
以太坊 3.0：Beam Chain 提案引领新一轮技术革新
2024 Devcon 大会在曼谷圆满结束，会议期间以太坊生态项目齐聚一堂，共同探讨最新进展和未来发展方向，为全球 Web3 领域注入了新的活力。
其中，以太坊基金会研究员 Justin Drake 提出的"以太坊 3.0"提案计划 Beam Chain 格外引人注目。该提案旨在通过零知识证明技术减轻验证节点的计算和通信负担，降低成为验证节点的门槛，从而吸引更多参与者加入网络，提高安全性并优化整体效率。Drake 还希望借此机会解决 Beacon 链中的历史技术债务，同时为未来可能出现的量子计算威胁做好准备。
Beam Chain 提案与以太坊联合创始人 Vitalik Buterin 此前提出的 The Verge 路线图不谋而合。The Verge 路线图中将以太坊 Snark 化（SNARKification）列为重要任务之一，包括对共识层和执行层进行零知识证明改造。Vitalik 最近承认，共识层的改造工作仍面临挑战，需要在后续工作中持续优化。Beam Chain 提案恰好可以视为对这一挑战的回应。
Beam Chain 主要聚焦于共识层的改造。将共识层 Snark 化并不意味着对所有部分进行全面改造，而是将核心的状态转换函数（State Transition Function）Snark 化。对于共识层而言，状态转换函数主要包括每时隙转换函数、每区块转换函数和每纪元转换函数。这些函数涵盖了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、共识签名验证与聚合、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 ZK 算法和协议，而是允许区块提议者自主选择。
实现 Beam Chain 构想的核心难点在于如何提升证明效率，将目前需要几十甚至上百秒的证明时间压缩到秒级。Justin 在今年 9 月的 ZK Workshop II 上提出了使用 ASIC 加速方法的解决方案，建议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，预计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）。
业界已经在零知识证明技术的性能提升和应用拓展方面取得了显著进展。一些研究团队致力于利用 GPU、FPGA、ASIC 等硬件平台对 ZK 证明进行加速，涵盖了多种 ZK 系统，部分核心算子达到了百倍以上的加速比。在 AI+ZK 方向上，针对大模型可验证计算的优化也取得了突破性进展，大幅降低了首个 token 的生成时间。
面对量子计算机可能带来的威胁，一些团队还改造了支持多个 NIST 标准后量子算法的密码库。通过共识流程和低延迟内存读取优化，使得抗量子区块链的 TPS 可以达到原链的约 50%。
这些技术探索已经在一些商业解决方案中得到应用，如针对零知识证明常用算子进行加速和优化的软硬一体加速方案，显著提升了运算效率。
长期以来，以太坊社区主要关注执行层的优化，包括提高 BlockGasLimit 和发展 L2 等策略。执行层的 Snark 化已经在"以卷叠为中心"的路线图中通过 L2 完成了大部分工作。Beam Chain 的提出开启了共识层 Snark 化的新篇章，预计将引导社区更多关注共识层的改造，激发更多创新想法。
可以预见，随着共识层和执行层的 Snark 化不断推进，以太坊的 Snark 化蓝图将逐步完善，为提升可扩展性和去中心化程度做出重要贡献。同时，基于零知识证明技术的虚拟机将在以太坊生态中扮演越来越重要的角色。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特性和更高的性能表现。