Beam Chain: 以太坊新时代的曙光

刚刚落幕的2024 Devcon大会在曼谷举行，吸引了以太坊生态系统的广泛关注。会上发布的一系列最新进展和动态，为全球Web3行业注入了新的活力。

其中最引人注目的是以太坊基金会研究员Justin Drake提出的共识层升级提案Beam Chain。这一被社区称为"以太坊3.0"的计划旨在通过零知识证明技术降低验证者的计算和通信负担，从而降低成为验证者的门槛。这将有助于吸引更多验证者加入网络，提高安全性，减少冗余计算，并提升网络整体效率。此外，该提案还致力于解决Beacon链中由于历史原因遗留的技术债务，并为未来可能出现的抗量子安全需求做好准备。

这一提案与Vitalik此前提出的The Verge路线图中的以太坊Snark化（SNARKification）工作不谋而合。Snark化涉及对共识层和执行层进行零知识证明改造。Vitalik在最新的解读中承认，对共识层的改造是一项具有挑战性的工作，需要在后续开发中不断优化。Beam Chain的提议可以视为对Vitalik关于如何Snark化共识层的一个具体回应。

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都进行改造，而是主要针对区块链的核心——状态转换函数（State Transition Function）。对于共识层来说，状态转换函数主要包括per-slot transition function、per-block transition function和per-epoch transition function。这些函数涵盖了共识算法和Staking逻辑的执行、区块提议、执行层结果正确性验证、Merkle Tree Root验证、共识签名的验证/聚合、哈希函数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，在将共识层Snark化的过程中，以太坊仍然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，而是由提议者自行选择。

实现Beam Chain构想的核心难点在于如何将目前需要几十甚至上百秒的证明时间压缩到秒级。为解决这一性能瓶颈，社区正在探索使用ASIC加速方法，希望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，以期在未来几年内将证明生成时间提升十倍以上，实现真正的实时证明（Realtime Proving）。

一些研究机构已经在利用GPU、FPGA、ASIC等硬件平台对ZK证明进行加速方面取得了显著进展。例如，针对Polygon ZKEVM Prover、Stone Prover、Halo2和Plonky2等多种ZK系统的加速，部分核心算子已达到百倍以上的加速比。

此外，在AI+ZK方向的大模型可验证计算上，通过自主设计的矩阵乘法Folding、Sumcheck协议的GPU+CPU协同优化、椭圆曲线高效实现等技术，某些实现已将zkLLM的首token生成时间从4小时缩短到约18分钟。

面对量子计算机的潜在威胁，业界也在积极探索后量子密码学解决方案。例如，基于OpenSSL改造的后量子版本密码库已经支持多个NIST标准后量子算法。同时，针对后量子签名较ECDSA存储膨胀40倍以上的问题，通过优化共识流程和低延迟内存读取，使得抗量子区块链的TPS可达原链的50%左右。

Beam Chain的提出为共识层Snark化开辟了新的方向。随着这一想法的深入，预计将会激发社区更多关于共识层改造的创新思路。共识层和执行层的Snark化共同推进，将完成以太坊Snark化的最终拼图，为以太坊的扩展性和去中心化做出重大贡献。

未来，基于零知识证明技术的虚拟机有望在以太坊生态中扮演核心角色。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将为以太坊带来更强的去中心化和更高的性能，开启以太坊发展的新纪元。