イーサリアムのアップグレードの道を一文で理解する
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イーサリアムのアップグレードの道を一文で理解する
イーサリアム2.0アップグレードのロードマップ。イーサリアムのマージは目前に迫っている。アップグレード計画は何度か変更されたものの、現時点ではおおむね順調に進展している。
Web3業界の深掘り報道に専念し潮流を洞察執筆：きのこ
イーサリアムは「世界コンピュータ」を目標としており、この目標を達成するために、開発者は誕生当初からフロンティア（Frontier）、ホームステッド（Homestead）、メトロポリス（Metropolis）、セレニティ（Serenity）という4段階のアップグレード経路を策定しました。
現在、ネットワーク全体はすでに第3段階まで到達しており、最初の3つの段階はすべてイーサリアム1.0に該当します。最後の段階であるセレニティが、よく耳にするイーサリアム2.0です（誤解を招く可能性があるため、イーサリアム公式では「イーサリアム2.0」という表現を廃止していますが、本稿では便宜上この呼称を維持します）。
イーサリアム2.0のアップグレードは、ネットワークの発展に伴って生じたいくつかの制約を解決することを主な目的としています。主に以下の3点です。
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まず、マイニングによる高エネルギー消費です。 イーサリアムは合意形成メカニズムとしてPoW（Proof of Work：作業量証明）を採用しており、ノードが計算能力を提供してマイニングを行う必要があります。この過程で多大な電力を消費するため、環境への配慮が不十分だという批判を受けてきました。
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次に、パフォーマンスの問題です。 現在のイーサリアムチェーンのブロック生成速度は約12〜15秒ごとに1ブロックであり、TPS（Transaction per second：1秒あたりの取引処理数）は約15程度です。これは一般の商業アプリケーションを支えるには不十分な速度であり、ネットワークの混雑もしばしば発生し、これが発展の妨げとなっています。
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第三に、利用手数料の問題です。 イーサリアムネットワークを利用するには、ネットワークを維持するマイナーにガス代（gas fee）を支払う必要があります。通常は数ドルから数十ドルですが、ネットワークの混雑状況により数百ドルに達することもあります。この高いガス代が原因で、一部のプロトコルはソラナ（Solana）やニア（Near）などの競合チェーンへ移行しています。
これらの問題に対処するため、開発者コミュニティはイーサリアム2.0のアップグレードのためにいくつかのステップを計画しています。以下にそのロードマップを紹介します。
イーサリアム2.0ロードマップ
イーサリアム2.0のロードマップは、主に「パラレルチェーン（ビーコンチェーン）」「マージ（Merge）」「シャーディング（分片）」の3つのステップから構成されています。最初の2つは、ネットワークの合意形成メカニズムをPoWからPoS（Proof of Stake：権益証明）へ移行することを目的としており、最後のステップはネットワーク全体のパフォーマンスと拡張性を向上させることを目的としています。
1．パラレルチェーン――ビーコンチェーン
合意形成メカニズムの円滑な移行を実現するため、2020年12月1日に、既存のPoWメインネットと並行して、新たなチェーン「ビーコンチェーン（Beacon Chain）」が立ち上げられました。ビーコンチェーンはPoSを合意形成メカニズムとし、メインネットとは独立して動作します。参加者は32ETHを特定のスマートコントラクトに預けることで「ステーキング」を行い、審査を経て検証者（バリデーター）として登録されます。これにより、従来のマイナーに代わって、検証者がブロック生成の主体となります。
PoWではノードが計算競争によって次のブロックを生成しますが、PoSのビーコンチェーンでは、次のブロックの生成者が検証者たちによってランダムに選ばれます。このプロセスは中央集権的ではなく、分散化の特徴を示しています。検証者が誠実に行動すれば報酬を得られますが、悪意ある行為を行えば、預けた32ETHの一部が没収されます。預けられたETHが16未満になると、検証者リストから除外されます。
マージ以前、つまり現時点では、イーサリアムはPoWとPoSが並行して稼働する状態にあります。あらかじめPoSのパラレルチェーンを起動した理由は二つあります。第一に、現在稼働中のPoWチェーンへの影響を最小限に抑え、合意形成の変更によるネットワークへの衝撃を軽減するため。第二に、新しいPoSネットワークが十分なETHをステーキングで集め、安全性を確保できるようにするためです。
2．マージ（Merge）
イーサリアム2.0について語られる際によく登場する「マージ（Merge）」とは、PoWのメインネット（イーサリアムでは取引処理を行う「実行層」）と、PoSのビーコンチェーン（公式では「合意層」と呼ぶ）を統合することを指します。このマージはまずテストネットで試験的に実施され、問題が見つかれば修正が行われます。
現在、イーサリアムのテストネットRopstenおよびSepoliaは、それぞれ6月9日と7月6日にマージを完了しました。残るGoerliテストネットも近日中にマージを実施する予定です。順調に進めば、イーサリアムのメインネットは9月中下旬にマージを終了します。その後、PoWメカニズムは完全に廃止され、ネットワーク全体がPoSによって新たなブロックを生成するようになります。
合意形成の切り替えを確実に成功させるため、イーサリアム開発チームは「難易度爆弾（difficulty bomb）」の導入を提案しています。難易度爆弾は2015年にイーサリアムコードに組み込まれており、特定のブロック番号に達すると、PoWアルゴリズムにおける謎の難易度を増加させ、ブロック生成にかかる時間を長くすることで、マイニングを困難にし、報酬を減らす仕組みです。これによりマイナーの利益が消失し、従来のPoWネットワークは自然に停止します。
3．シャーディング（分片）
合意形成メカニズムの変更だけでは、イーサリアムのパフォーマンス向上は実現できません。性能改善には「シャーディング」が必要です。
シャーディングはデータベースの分割技術であり、ストレージの最適化と高速処理を可能にします。ネットワークを複数の小さなパーティションに分け、データベースを水平方向に分割して負荷を分散させます。各シャードは独自のデータを持ち、複数のシャードが並列処理を行うことで、ネットワークの混雑を緩和し、TPSを増加させて拡張性を実現します。
初期のイーサリアムのシャーディング計画では、メインネットを64のシャードに分割し、各シャードに独立したブロック提案者と委員会を設置するというものでした。ブロック提案者と委員会はランダムに選出・割り当てられ、提案者はトランザクションプールからブロックに含める取引を選択し、委員会の3分の2以上の承認を得た後、ブロックがチェーンに追加されます。
この初期のシャーディング計画は、イーサリアムメインチェーンのパフォーマンス拡張を目指したものでしたが、実装が非常に複雑でした。また、ここ数年の間にLayer2技術が急速に発展し、特にRollupが多様に登場したこともあり、ヴィタリック・ブテリンを中心とするイーサリアム開発チームは、従来の計画を見直し、新たな技術方針へと移行しました。つまり、メインチェーン上で直接シャーディングを行い多数の取引を処理するのではなく、「Rollup中心」のアプローチに転換し、Rollupが取引処理の拡張を担い、メインチェーンはRollupに対してデータ可用性を提供する基盤レイヤーとなるというロードマップです。
新計画において、イーサリアムの役割は「拡張可能なデータ可用性層」となり、最終的な決済と帳簿記録の機能を果たします。メインチェーンの拡張は、オンチェーンの計算効率の向上ではなく、ブロック内のデータ容量の拡大に焦点を当てます。つまり、イーサリアムのシャーディングは、Rollupを支援するためにより多くのデータblob（バイナリ大規模オブジェクト）スペースを提供することを目指しており、イーサリアム自体はこれらのデータを解釈せず、Rollupからの計算結果と証明のみを収集し、データの可用性を保証します。一方、取引の実行と有効性の検証は、Layer2のRollupが担当します。具体的には、Rollupが取引の計算と検証を行い、複数の取引と証明結果を1つのパッケージにまとめ、メインチェーンのブロックはこのパッケージのみを記録します。
1つのブロックに複数のRollupによるパッケージを含めることができるため、今後イーサリアム上にはさまざまなRollupが共存し、ネットワーク全体のスケーリングを実現します。現在主流なのはzkRollupとOptimistic Rollupであり、それぞれ有効性証明（validity proof）と詐欺証明（fraud proof）という異なる検証方式に対応しています。
イーサリアム2.0アップグレードの影響
エネルギー消費の削減
PoSへの移行後、ネットワークは大量の電力を消費するマイナーに依存しなくなるため、環境への配慮が大幅に進みます。PoSにおけるノードのエネルギー効率はPoWに比べて99%以上向上するため、ネットワーク全体のエネルギー効率が飛躍的に高まります。PoW時代には、マイナーは強力で高消費電力のハードウェアを使用して複雑な数学計算を行い、最初に計算を完了した者がブロック生成権と報酬を得ていました。そのため、マイナーは最大利益を得るために24時間フル稼働を余儀なくされ、こうした高エネルギー消費デバイスによる電力需要は極めて大きかったのです。
一方、PoSネットワークではブロックの提案者がランダムに選ばれるため、多数のマイニング機器による出塊権の競争が不要となり、巨大な電力消費も不要になります。
ETHの発行量
PoWからPoSへの移行後、イーサリアムはマイナー報酬を発行しなくなり、代わりにステーキング報酬が支払われます。これにより、ETHの発行率は約90%減少します。これを一部では「トリプル半減（Triple Halvening）」と呼び、まるでビットコインの半減期が同時に3回起こったようなものだと表現されています。ETHの発行量が瞬時に削減されるだけでなく、ステーキングされたETHが市場に供給されなくなるため、ETHは事実上の通貨緊縮状態に入ると考えられます。
ETHのステーキング
マージ完了後、より多くのユーザーがETHをステーキングするようになるでしょう。なぜなら、ほぼリスクフリーの利回りが得られるからです。推定では、ステーキングによるETHの年利回りは約4%です。Krakenが発表した『2022年第1四半期 ステーキング状況報告』では、マージ後の年利回りが8.5%～11.5%に達すると予測しています。
また、ステーキング需要の増加に伴い、ステーキングサービス市場も大きく成長すると見込まれます。現在、ビーコンチェーンには1300万ETH以上がステーキングされており、総供給量の10%を超えています。参加している検証者は41万人に達しています。
ただし、ステーキングには最低32ETHの預入が必要であり、ノードの運営には一定の技術的・資金的ハードルがあるため、個人でステーキングを行うよりも、ステーキングサービスプロバイダーを利用することが有利です。現在、流動性ステーキング市場で圧倒的シェアを持つLido（前掲記事stETHの割引価格について――stETHの価格形成、流動性、リスク参照）は、すでに90%以上の市場シェアを占めています。
マイナーの行方
イーサリアムのマージ後、旧来のPoWチェーンは徐々に廃止され、それに伴いマイナーの去就も注目されています。暗号資産界で2番目に大きなマイニングエコシステムを持つ彼らは、どのように対応するのでしょうか？ 既存チェーンのフォークを選ぶのか、それともETC（イーサリアムクラシック）に移行して引き続きマイニングを行うのか？ ETCはイーサリアムのフォークチェーンであり、イーサリアムのマイニング機器を使用できますが、受け入れ可能なハッシュパワーには限界があります。まずETCの価格が低いため、マイニングのコストとリターンのバランスが取りづらく、さらにマージ後に大量のハッシュパワーが流入すれば競争が激化し、マイナーの収益はさらに圧迫されます。一方、オリジナルチェーンのフォーク案も、難易度爆弾の設計上、実現が難しいと考えられています。
おわりに
イーサリアムのマージは目前に迫っています。アップグレード計画は何度も変更されてきましたが、現時点でその進捗は概ね順調です。ブロックチェーン業界で最も影響力が大きく、最多の開発者が参画するパブリックチェーンであるイーサリアムのアップグレードは、間違いなく大きな波紋を広げることでしょう。イーサリアム2.0の到来により、長年ユーザーを悩ませてきた低パフォーマンス、高手数料、高エネルギー消費といった課題が、一連のアップグレードを通じて解決されることが期待されます。これから起こることに、私たちは大きな期待を寄せています。
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