イーサリアム仮想マシンEVM

EVMとの比較 硬度

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など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、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。既存のツールはこの変換プロセスを自動で行うことができ、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。

コンパイルにはいくつかの追加コストがかかるものの、低レベルのコーディングに精通したエンジニアは、Solidity内でオペコードを使用してプログラムロジックを書くことで、最高の効率を得てガス消費を減らすことができます。例えば、ある有名なNFT取引プラットフォームの取引プロトコルは、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大量に使用しています。

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EVM 性能のばらつき: 標準と実装

EVMは「実行層」として、コンパイルされたスマートコントラクトのオペコードが最終的に実行される場所です。EVMが定義したバイトコードは業界標準となっています。イーサリアムLayer 2ネットワークやその他の独立したブロックチェーンに使用されるかどうかにかかわらず、EVM標準との互換性により、開発者は複数のネットワーク上で効率的にスマートコントラクトを展開することができます。

EVMバイトコード標準に準拠することで仮想マシンはEVMと呼ばれますが、具体的な実装方法には顕著な違いがある場合があります。例えば、イーサリアムのあるクライアントは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、さまざまなエンジニアリングの最適化とカスタマイズされた実装のための余地を提供します。

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パラレルEVM技術

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焦点を当てており、いくつかの著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ていますが、実行レイヤーによってではありません。これらのプロジェクトは実行レイヤーでも革新を遂げていますが、それらの性能はしばしばそのコンセンサスアルゴリズムにのみ起因すると誤解されがちです。

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の組み合わせが必要であり、木桶の理論に似ています。コンセンサスアルゴリズムのみを改善した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ためには、より強力なノード構成が必要です。例えば、ある有名なスマートチェーンは2000 TPSのガス制限下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ハードウェア構成が必要です。別の有名なLayer 2ネットワークは理論的には最大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通常期待を下回ります。

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、トランザクションは順番に実行されます。これは単一コアCPUに似ており、次の計算は現在の計算が完了するまで開始できません。この方法はシンプルでシステムの複雑さが低いですが、大量のユーザーをサポートするために拡張するのが難しいです。マルチコアCPUの並列仮想マシンモードに移行することで、同時に複数のトランザクション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、同一のスマートコントラクトへの並行取引の書き込み処理など、エンジニアリング上の課題をもたらします。これには、潜在的な競合を解決するための新しいメカニズムの設計が必要です。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応じてほぼ線形のスループット向上を実現できます。

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代表しています。ある新興プロジェクトの例を挙げると、その重要な革新には以下のものが含まれます：

• 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ようにします。同じ初期状態から取引を開始し、入力と出力を追跡し、各取引の一時的な結果を生成します。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します。

• 遅延実行：コンセンサスメカニズムにおいて、ノードはマスターノードまたはバリデータノードがトランザクションを実行することなく、トランザクションの正式な順序を達成できます。最初はマスターノードがトランザクションを順序付け、ノード間で合意を得ますが、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延期します。

• カスタム状態データベース：Merkleツリーを直接SSDに保存することで、状態の保存とアクセスを最適化します。この方法は、読み取り拡大効果を最小化し、状態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。

• 高性能コンセンサス機構：HotStuffコンセンサス機構の改良版で、数百の世界中に分散したノード間での同期をサポートし、線形通信の複雑さを持っています。パイプライン投票フェーズを採用し、投票プロセスの異なる段階を重ねて実施することで、遅延を減少させ、コンセンサスの効率を向上させます。

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チャレンジ

並列EVMの技術的課題

順序取引の実行のボトルネックは主にCPUと状態の読み書きプロセスに関連しています。並行実行は潜在的な状態の競合を引き起こし、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、4つの並行スレッドが処理する取引がすべて同じDEXプールと相互作用する場合、競合が発生します。このような状況では、高効率の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実装の技術的差異に加えて、各チームは通常、状態データベースの読み書き性能を再設計し強化する必要があり、互換性のあるコンセンサスアルゴリズムを開発する必要があります。

チャレンジと考慮

並行EVMが直面する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キャプチャとノードの集中化です。現在の開発段階では知的財産権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公開される予定であり、他のブロックチェーンに吸収されるリスクに直面しています。迅速なエコシステムの発展が競争優位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が直面する課題であり、非中央集権、安全性、高性能の間でバランスを取る必要があります。"各ハードウェア要件のTPS"などの指標は、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、より多くの非中央集権のノードをサポートできるからです。

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パラレルEVMランドスケープ

並行EVMの構造には、複数のプロジェクトとソリューションが含まれています。一部はLayer 1ブロックチェーンであり、他はLayer 2ソリューションである可能性があります。いくつかは既存のネットワークに基づいており、他はいくつかはオープンソースのクライアントです。

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、これらは並行EVMプロジェクトとは見なされません。

現在、既存の並列EVMネットワークは三つのカテゴリに分けられます：

1. 並行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当初、並行実行を採用しておらず、技術のイテレーションによって並行EVMをサポートするようにアップグレードされました。

2. 最初から並行実行技術を採用したEVM互換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ました。

3. 非EVM並行実行技術を採用したLayer 2ネットワーク：これらの拡張指向のLayer 2 EVM互換チェーンは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」を選択できるようにし、並行能力を実現します。

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プロジェクト概要

プロジェクトA：先進的な並列EVM

このプロジェクトは、従来のEVMのスケーラビリティの問題を解決するために、EVMの並列実行とパイプラインアーキテクチャの最適化を目指しており、目標は10,000 TPSに達することです。最近、大規模な資金調達が完了し、これまでで最も資金を調達し、評価額が最高の並列EVMプロジェクトとなりました。創業チームのメンバーは著名な量的取引会社から来ています。内部テストネットはすでに開始されており、近く一般公開される予定です。

プロジェクトB：並行EVMネットワークの導入

最初は取引に特化したLayer 1ネットワークでしたが、現在は高性能な並列EVMにアップグレードされ、TPSを12,500に引き上げました。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上半期にオンラインになる予定です。最近、オープンソースフレームワークを立ち上げ、Layer 2およびRollupネットワークの並列処理技術の採用をサポートしています。

プロジェクトC：ダブル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、並列実行を実現することで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的としています。EVM++ (EVM + WASM)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国内の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：並列EVM技術の導入

Cosmos SDK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、ネットワークのパフォーマンスを向上させるために、EVM技術の並行実行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：EVM互換性ソリューションの非EVMネットワーク

特定の高性能ネットワーク上に構築された並列EVMは、そのネットワークの最初のEVM互換ソリューションです。SolidityとVyperのEVM開発者がDAppをワンクリックでデプロイでき、高いスループットと低いガス料金を享受します。EVMネットワークに類似した取引を基盤ネットワークの取引としてパッケージ化して実行し、取引速度を向上させ、TPSは2,000を超えます。

プロジェクトF：非EVM仮想マシンをイーサリアムに導入する

EVM非対応の仮想マシンをサポートするRollup Layer 2モジュラー汎用ソリューション。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EVM環境外で動作します。最近、大規模な資金調達を完了し、メインネットはまもなく開発者に開放されます。

プロジェクトG：モジュール式VM Layer 2

OP Stackに基づいて構築されたモジュラーVM Layer 2ネットワークであり、ある拡張エコシステムの一部でもあります。高性能の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、実行層はさまざまな仮想マシンを使用して並列実行が可能です。

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まとめ

ブロックチェーン技術の進歩に伴い、実行層とコンセンサスアルゴリズムへの関心が同じくらい重要になっており、高性能を実現しています。並列EVMなどの革新は、スループットと効率を向上させるための有望なソリューションを提供し、ブロックチェーンのスケーラビリティを高め、より広範なユーザー層をサポートできるようにします。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展と応用を促進します。

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