イーサリアム仮想マシンEVM

EVM vs 堅牢性

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コードを直接実行できず、仮想マシンが解釈可能な低級言語（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的に完了できるため、開発者がコンパイルの詳細に気を使う必要が軽減されます。

コンパイルプロセスにはいくつかの追加オーバーヘッドが発生しますが、低レベルのコーディングに慣れたエンジニアは、Solidityでオペコードを直接使用してプログラムロジックを書くことで、最高の効率を実現し、ガス消費を削減できます。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限に抑えるために、インラインアセンブリを広く採用しています。

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EVM 性能のばらつき: 標準と実装

EVM、つまり「実行レイヤー」は、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、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となっています。イーサリアム Layer 2 ネットワークや他の独立したブロックチェーンにおいて、EVM標準との互換性が開発者に複数のネットワークで効率的にスマートコントラクトを展開することを可能にします。

EVM バイトコード標準に準拠することは、仮想マシンが EVM と呼ばれる基盤ですが、実際の実装方法は大きく異なる可能性があります。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、異なるエンジニアリングの最適化やカスタム実装の可能性を提供します。

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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、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ていますが、実行層によるものではありません。これらのプロジェクトは実行層においても革新をもたらしていますが、それらの性能はしばしばコンセンサスアルゴリズムにのみ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、これは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のガス制限の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強力なマシン構成が必要です。別の有名な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しばしば期待に及びません。

並列処理の必要性

大多数ブロックチェーンシステムにおいて、取引は順番に実行され、単一コアのCPUのように、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さが低いですが、大規模なユーザーベースをサポートするのは難しいです。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、同時に複数の取引を処理でき、スループットを大幅に向上させることができます。

並行実行は、同一のスマートコントラクトへの同時トランザクションの処理など、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を並行実行することで、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。

パラレルEVMのイノベーション

並行EVMは、ブロックチェーンシステムの実行レイヤー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。あるプロジェクトを例に挙げると、その主要な革新には以下が含まれます：

• 並行取引の実行：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。この方法では、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ーノードによる取引の実行なしに、取引の正式な順序を達成することができます。最初は、マスターノードが取引を順序付け、ノード間でコンセンサスを達成します。取引の実行は独立したチャネルに遅延され、ブロック時間の最大活用を図り、全体的な実行効率を向上させます。

• カスタムステートデータベース：MerkleツリーをSSDに直接保存することで、ステートの保存とアクセスを最適化します。このアプローチは、読み取り増幅効果を最小限に抑え、ステート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迅速かつ効率的にします。

• 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の改良版に基づいており、数百の世界中に分散したノード間の同期をサポートし、線形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複して行えるようにし、遅延を減少させ、コンセンサス効率を向上させます。

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チャレンジ

パラレルEVMの技術的課題

順序取引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の競合チェックが必要です。例えば、4つの並行スレッドが同時に同じDeFiプールと相互作用する取引を処理する場合、競合が発生する可能性があります。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の技術的差異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捕獲とノードの集中化です。現在の開発段階では、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、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、「ブロックチェーンの三難困境」—無許可、信頼不要な操作、高性能のニーズ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、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の実現に寄与します。

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パラレルEVMの構図

並行EVM構造にはいくつかのプロジェクトが含まれており、いくつかはLayer 1ブロックチェーンであり、他はLayer 2ソリューションの可能性があります。また、他のネットワークに基づくEVM互換ソリューションやオープンソースクライアントもあります。

現在、既存の並行EVMネットワークは三つのカテゴリに分けることができます：

1. 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いませんでしたが、技術の反復によりパラレルEVMをサポートするようにアップグレードされました。

2. 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ました。

3. 非EVM並列実行技術を採用したLayer 2ネットワーク：これには拡張指向の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"を選択できるようにし、並列能力を実現します。

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プロジェクト紹介

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の問題を解決することを目的としており、10,000 TPSを達成することを目指しています。プロジェクトは大規模な資金調達を完了しており、創設チームには著名な取引機関からのメンバーが含まれています。内部テストネットはすでに開始されており、近いうちに一般に公開される予定です。

プロジェクトB：並列EVMネットワークを展開

このプロジェクトはもともと取引に特化したLayer 1ネットワークで、高度な取引アプリケーションのインフラを提供しています。最近、全面的なアップグレードを発表し、高性能の並列EVMとなり、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ローンチされる予定です。

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。パブリックテストネットが立ち上がり、エコシステムインセンティブプログラムも開始されました。

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、並行実行EVM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：特定のネットワークにおけるEVM互換性ソリューション

このプロジェクトは、ある高性能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互換性ソリューションです。SolidityとVyperのEVM開発者がワンクリックでDAppをデプロイし、高いスループットと低いガス料金を享受できることをサポートしています。

プロジェクトF：特定のVMをイーサリアムに導入する

これは、特定の仮想マシンによってサポートされたRollup Layer 2のモジュラー汎用ソリューションです。イーサリアム上で取引データを決済し、ガスとしてETHを使用しますが、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、メインネットは間もなく開発者に開放される予定です。

プロジェクトG：モジュラーVM Layer 2

このプロジェクトは特定の技術スタックに基づいて構築されており、モジュラーVM Layer 2ネットワークです。これは、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列実行を行うことができます。

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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に不可欠です。並列EVMなどの革新は、スループットと効率を向上させるための有望な解決策を提供し、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施は、ブロックチェーンエコシステムの未来を形成し、この分野のさらなる進展と応用を推進します。

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