世界のスーパーコンピュータへの一歩：超大規模分散実行の新しいパラダイム
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世界のスーパーコンピュータへの一歩：超大規模分散実行の新しいパラダイム
非中央集権を実現するため、暗号技術が持つ本質的な信頼不要性、MEVの自然な経済インセンティブ、大規模採用の推進、ZK技術の潜在能力、および機械学習を含む非中央集権型汎用コンピューティングの必要性に応えるべく、世界スーパーコンピュータの出現は必然となった。
Web3業界の深掘り報道に専念し潮流を洞察執筆：msfew、Kartin、Xiaohang Yu、Qi Zhou
編集・翻訳：TechFlow
*注：本稿はスタンフォードブロックチェーンレビューからの転載です。TechFlowはスタンフォードブロックチェーンレビューのパートナーであり、編集・翻訳および独占的転載の許可を得ています。
はじめに
イーサリアムが「世界のスーパーコンピュータ」として完成するまで、あとどれくらいでしょうか？
ビットコインのP2P合意アルゴリズムからイーサリアムのEVM、そしてネットワーク国家の概念へと至るまで、ブロックチェーンコミュニティの長年の目標の一つは、「分散化され、検閲耐性があり、信頼不要でスケーラブルな統一状態機械」、つまり世界規模のスーパーコンピュータを構築することでした。
理論的にはこれが可能であることは早くから認識されていましたが、これまでの取り組みの大半は断片的であり、重大なトレードオフや制限を伴ってきました。
本稿では、現行の「世界コンピュータ」構築アプローチにおけるトレードオフと制限について考察し、そのようなマシンに必要な構成要素を分析した上で、新たな世界スーパーコンピュータアーキテクチャを提案します。
これは我々が知るべき新しい可能性です。
1. 現行アプローチの限界
a） イーサリアムとL2 Rollups
イーサリアムは世界のスーパーコンピュータを構築するための最初の真剣な試みであり、最も成功した試みとも言えるでしょう。しかし発展過程において、イーサリアムはスケーラビリティやパフォーマンスよりも、分散化とセキュリティを優先しました。そのため、確かに信頼性は高いものの、標準的なイーサリアムは「世界のスーパーコンピュータ」としてはまったくスケーラブルではありません。
現在の解決策として、L2 Rollupsが広く採用されています。これはイーサリアムベースの追加レイヤーであり、「グローバルコンピュータ」のパフォーマンスを大幅に向上させる拡張ソリューションとして、コミュニティの支持も得ています。
L2 Rollupには複数の定義がありますが、一般的には次の二つの特徴を持つネットワークを指します。すなわち、イーサリアムまたは他の基盤ネットワーク上でのオンチェーンデータ可用性と、オフチェーンでのトランザクション実行です。基本的には、履歴状態や入力トランザクションデータが公開され、イーサリアム上でコミットメントの検証が行われますが、個々のトランザクションと状態遷移はメインネットから外されます。
L2 Rollupsは確かにこれらの「グローバルコンピュータ」のパフォーマンスを大きく向上させますが、多くの場合、システム全体に中央集権的なリスクを孕んでいます。これは、ブロックチェーンが分散型ネットワークであるという原則を根本的に損なうものです。なぜなら、オフチェーン実行には単なる状態変更だけでなく、トランザクションの順序付けやバッチ処理も含まれるためです。ほとんどの場合、L2のソーター（sequencer）が順序付けを行い、L2のバリデーターが新規状態を計算します。しかし、この順序付け能力をL2ソーターに委ねることは中央集権化のリスクを生じます。中央集権化されたソーターは権力を濫用し、任意にトランザクションを検閲したり、ネットワークの活力を損ない、MEV（最大抽出価値）から利益を得ることが可能です。
L2の中央集権リスクを低減する方法についてはすでに多くの議論があります。例えば、共有・外部委託・ソーター依存型ソリューション、あるいはPoA、PoSリーダー選出、MEVオークション、PoEなどによる分散型ソーターの導入などが挙げられます。しかしこれらの多くはまだ概念設計段階にあり、問題解決の万能薬とは程遠いのが現状です。さらに、多くのL2プロジェクトは分散型ソーターの導入に対して消極的です。たとえばArbitrumは、分散型ソーターをオプション機能として位置づけています。ソーターの中央集権化以外にも、フルノードのハードウェア要件、ガバナンスリスク、アプリケーション固有Rollupの傾向といった、L2 Rollupにおける他の中央集権化の問題も存在します。
b） L2 Rollupsと「世界コンピュータ三難問題」
イーサリアムの拡張にL2 Rollupsに依存することで生じるこれらすべての中央集権的問題は、「世界コンピュータ三難問題」と呼ばれる根本的な課題を浮き彫りにしています。これは古典的なブロックチェーン「スケーラビリティ三難問題」から派生したものですが、次のように表現できます：
この三難問題における異なる優先順位は、以下のようなトレードオフを生み出します：
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強力な合意帳簿：繰り返しのストレージと計算が必要となるため、ストレージや計算の拡張に向かない。
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強力な計算能力：大量の計算や証明タスクを実行する際に合意を繰り返す必要があるため、大規模ストレージに向かない。
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強力なストレージ能力：頻繁なランダムサンプリング空間証明の実行時に合意を繰り返す必要があるため、計算に向かない。
従来のL2アプローチは、実質的にモジュラー方式で世界コンピュータを構築しています。しかし、上記の優先順位に基づいて異なる機能を分割していないため、拡張しても依然としてイーサリアムのオリジナルホストアーキテクチャを維持しています。このアーキテクチャでは、分散化やパフォーマンスといった他の要件を満たせず、「世界コンピュータ三難問題」を解決できません。
言い換えれば、L2 Rollupsは実際に以下の機能を実現しています：
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世界コンピュータのモジュール化（コンセンサス層での実験増加、中央集権化ソーターによる外部信頼）；
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世界コンピュータのスループット向上（厳密な意味での「拡張」ではない）；
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世界コンピュータのオープンイノベーション。
しかし、L2 Rollupsは以下の点を提供していません：
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世界コンピュータの分散化；
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世界コンピュータのパフォーマンス向上（Rollupの最大TPSを合計しても不十分であり、L2がL1より速い最終性を持つことは不可能）；
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世界コンピュータの計算（取引処理を超えた計算、例：機械学習やオラクル）。
世界コンピュータアーキテクチャはL2やモジュラーブロックチェーンを含むことができますが、根本的な問題を解決しているわけではありません。L2はブロックチェーン三難問題を解決できても、世界コンピュータ自体の三難問題は解決できません。したがって、私たちが見る通り、現行のアプローチでは、イーサリアムが当初描いた分散型の世界スーパーコンピュータを真に実現することはできません。我々が求めるのは「パフォーマンス拡張＋徐々な分散化」ではなく、「パフォーマンス拡張＋完全な分散化」なのです。
2. 世界スーパーコンピュータの設計目標
そこで我々は、汎用的な高負荷計算（特に機械学習やオラクル）を処理できる一方で、基盤レイヤーブロックチェーンの完全な分散化を保持するネットワークが必要となります。さらに、このネットワークが機械学習（ML）のような高強度計算を直接実行し、最終的にブロックチェーン上で検証できるようにしなければなりません。また、既存の世界コンピュータ実装を超える十分なストレージと計算能力を提供する必要があります。その目標と設計アプローチは以下の通りです：
a） 計算ニーズ
世界コンピュータの目的と要求を満たすために、イーサリアムが提唱した「世界コンピュータ」の概念を拡張し、「世界スーパーコンピュータ」の実現を目指します。
まず第一に、世界スーパーコンピュータは、現在および将来のコンピュータが行えるすべてのタスクを分散型の形で遂行できる必要があります。大規模採用に備え、開発者たちは分散型機械学習の開発と普及を加速するために、モデル推論と検証を実行可能な世界スーパーコンピュータを必要としています。
機械学習のような計算資源を大量に消費するタスクでは、ゼロ知識証明（ZKP）などの信頼最小化計算技術に加え、分散ネットワーク上のより大きなデータ容量が必要です。これらは単一のP2Pネットワーク（従来のブロックチェーン）では実現できません。
b） パフォーマンスボトルネックの解決
コンピュータの初期発展期において、先駆者たちは計算能力とストレージ容量の間でトレードオフを迫られ、同様のパフォーマンスボトルネックに直面しました。回路の最小構成要素を例にとりましょう。
計算量を電球／トランジスタに、ストレージ量をコンデンサに比喩できます。回路内では、電球は光を発するために電流を必要とし、計算タスクが計算量を必要とするのに似ています。一方、コンデンサは電荷を蓄えるもので、ストレージがデータを保存するのに似ています。
同じ電圧・電流条件下では、電球とコンデンサの間でエネルギー分配にトレードオフが生じます。通常、高い計算量には計算タスク実行のためにより多くの電流が必要となり、結果としてコンデンサに蓄えられるエネルギーが少なくなります。大きなコンデンサは多くのエネルギーを蓄えられますが、高計算量下では計算性能が低下する可能性があります。このトレードオフにより、ある条件下では計算とストレージを同時に最適化することが困難になります。
フォン・ノイマン型コンピュータアーキテクチャは、記憶装置と中央処理装置（CPU）を分離する概念を示唆しています。電球とコンデンサを分けることに類似し、これにより世界スーパーコンピュータシステムのパフォーマンスボトルネックを解決できます。
さらに、従来の高性能分散データベースは、ストレージと計算を分離する設計を採用しています。このアプローチは、世界スーパーコンピュータの特性と完全に互換性があるため採用されているのです。
c） 新しいアーキテクチャトポロジー
モジュラーブロックチェーン（L2 Rollupsを含む）と世界コンピュータアーキテクチャの主な違いは、その目的にあります：
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モジュラーブロックチェーン：モジュール（合意、データ可用性層DA、決済、実行）を選択し、それらを組み合わせて新しいブロックチェーンを作成することを目的とする。
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世界スーパーコンピュータ：ネットワーク（基盤層ブロックチェーン、ストレージネットワーク、計算ネットワーク）を組み合わせて、グローバルな分散コンピュータ／ネットワークを構築することを目的とする。
我々は別の選択肢を提案します。最終的な世界スーパーコンピュータは、ゼロ知識証明技術などの信頼不要バス（接続器）によって接続された、3つのトポロジー的に異種なP2Pネットワーク――合意台帳、計算ネットワーク、ストレージネットワーク――から構成されるべきです。この基本構成により、特定アプリケーションのニーズに応じて他のコンポーネントを追加しながら、世界コンピュータ三難問題を解決できます。
ここで言うトポロジー的異種性とは、アーキテクチャや構造の差異だけでなく、トポロジー形式そのものの根本的な相違を意味します。たとえば、イーサリアムとCosmosはネットワーク層や相互接続において異種ですが、トポロジー的には（ブロックチェーンとして）等価です。
世界スーパーコンピュータ内では、合意台帳ブロックチェーンはブロックチェーン形式を取り、ノードは完全グラフを形成します。一方、Hyper OracleのzkOracleネットワークは台帳を持たないネットワークであり、ノードは循環グラフを形成します。ストレージRollupのネットワーク構造はさらに別の変種で、パーティションがサブネットを形成します。
ゼロ知識証明をデータバスとして用いることで、3つのトポロジー的に異種なP2Pネットワークを接続し、完全に分散化され、検閲耐性があり、許可不要かつスケーラブルな世界スーパーコンピュータを実現できます。
3. 世界スーパーコンピュータアーキテクチャ
物理コンピュータを構築するのと同様に、前述の合意ネットワーク、計算ネットワーク、ストレージネットワークを世界スーパーコンピュータとして統合する必要があります。
各コンポーネントを適切に選択・接続することで、合意台帳、計算能力、ストレージ容量の三難問題のバランスを取ることができ、最終的に世界スーパーコンピュータの分散化、高性能、セキュリティを確保できます。
機能別に見た世界スーパーコンピュータのアーキテクチャは以下の通りです：
合意・計算・ストレージネットワークを持つ世界スーパーコンピュータのノード構造は、次のようになります：
ネットワークの起動時、世界スーパーコンピュータのノードはイーサリアムの分散型インフラを基盤とします。計算性能の高いノードはzkOracleの計算ネットワークに参加し、汎用計算や機械学習のための証明を生成できます。ストレージ容量の高いノードはEthStorageのストレージネットワークに参加できます。
上記の例は、イーサリアムと計算／ストレージネットワークを同時に実行するノードを示しています。計算／ストレージネットワークのみを実行するノードの場合、ゼロ知識証明技術（例：zkPoS、zkNoSQL）を介して、信頼なしにイーサリアムの最新ブロックやストレージデータの可用性証明にアクセスできます。
a） イーサリアム合意
現時点では、世界スーパーコンピュータの合意ネットワークは専らイーサリアムを使用しています。イーサリアムは強固な社会的合意とネットワークレベルのセキュリティを備えており、分散型合意を保証します。
世界スーパーコンピュータは、合意台帳を中心としたアーキテクチャの上に構築されます。合意台帳には主に2つの役割があります：
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全システムに合意を提供する；
-
ブロック間隔によってCPUクロック周期を定義する。
計算ネットワークやストレージネットワークと比較して、イーサリアムは大量の計算タスクを同時処理したり、大量の汎用データを保存したりできません。
世界スーパーコンピュータ内では、イーサリアムはL2 Rollupのデータを格納する合意ネットワークとして機能し、計算ネットワークとストレージネットワークの合意を確立し、重要なデータをロードすることで、計算ネットワークがさらなるオフチェーン計算を実行できるようにします。
b） ストレージRollup
イーサリアムのProto-dankshardingおよびDankshardingは、本質的に合意ネットワークを拡張する手法です。世界スーパーコンピュータに必要なストレージ容量を実現するには、イーサリアムに原生的でありながら大量のデータを永続保存できるソリューションが必要です。
EthStorageのようなストレージRollupは、大規模ストレージ向けにイーサリアムを拡張するものです。さらに、機械学習のような計算リソースを大量に消費するアプリケーションは、物理コンピュータ上で動作するために大量のメモリを必要とします。ここで注意すべきは、イーサリアムの「メモリ」は過度に拡張できないことです。計算集中型タスクを実行するための世界スーパーコンピュータにとって、「スワップ」機能を可能にするストレージRollupは不可欠です。
さらに、EthStorageはweb3://アクセスプロトコル（ERC-4804）を提供し、世界スーパーコンピュータのネイティブURIやストレージリソースアドレッシングとして機能します。
c） zkOracle計算ネットワーク
計算ネットワークは、全体のパフォーマンスを決定するため、世界スーパーコンピュータの最も重要な要素です。オラクルや機械学習のような複雑な計算を処理でき、合意ネットワークやストレージネットワークよりもデータへのアクセスと処理が高速である必要があります。
zkOracleネットワークは、任意の計算を処理可能な、分散型かつ信頼最小化の計算ネットワークです。実行されるすべてのプログラムはZK証明を生成し、イーサリアムなどの合意レイヤーや他のコンポーネントによって容易に検証できます。
Hyper Oracleは、zkWASMとEZKLによって駆動されるzkOracleネットワークであり、実行トレース証明を用いて任意の計算を実行できます。
zkOracleネットワークは台帳を持たない（グローバル状態がない）ネットワークであり、元のブロックチェーン（イーサリアム）のチェーン構造に従いますが、台帳を持たない計算ネットワークとして動作します。zkOracleネットワークは、従来のブロックチェーンのように再実行によって計算の正当性を保証するのではなく、生成された証明によって計算の検証可能性を提供します。台帳を持たない設計と、計算専用のノード構成により、zkOracleネットワーク（例：Hyper Oracle）は高性能かつ信頼最小化の計算に集中できます。計算結果は新たな合意を生じることなく、直接合意ネットワークに出力されます。
zkOracleの計算ネットワーク内では、各計算ユニットまたは実行可能ファイルはzkGraphによって表現されます。これらのzkGraphは、計算と証明生成の挙動を定義するもので、ちょうどスマートコントラクトが合意ネットワークの計算を定義するのと同じです。
I. 汎用オフチェーン計算
zkOracleのzkGraphプログラムは、外部スタックなしでも以下の主な用途に使用できます：
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インデックス（ブロックチェーンデータへのアクセス）；
-
自動化（スマートコントラクト呼び出しの自動化）；
-
その他のあらゆるオフチェーン計算。
これら二つのケースは、あらゆるスマートコントラクト開発者のミドルウェア・インフラ要件を満たします。つまり、世界スーパーコンピュータの開発者として、オンチェーンのスマートコントラクト（合意ネットワーク上）とオフチェーン計算（計算ネットワーク上）を含むエンドツーエンドの分散型開発プロセスを経験できます。
II. ML / AI 計算
インターネット規模での採用を実現し、あらゆるユースケースをサポートするためには、世界スーパーコンピュータが機械学習計算を分散型の形でサポートする必要があります。
ゼロ知識証明技術を通じて、機械学習とAIは世界スーパーコンピュータに統合され、イーサリアムの合意ネットワーク上で検証されることで、真のオンチェーン計算が実現します。
この場合、zkGraphは外部技術スタックと接続され、zkML自体を世界スーパーコンピュータの計算ネットワークと統合できます。これにより、あらゆるタイプのzkMLアプリケーションが可能になります：
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ユーザーのプライバシー保護型ML/AI；
-
モデルのプライバシー保護型ML/AI；
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計算有効性を持つML/AI。
世界スーパーコンピュータのML/AI計算能力を実現するため、zkGraphは以下の高度なzkML技術スタックと統合され、合意ネットワークおよびストレージネットワークとの直接連携を提供します。
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EZKL：ディープラーニングモデルや他の計算グラフに対するzk-snark上での推論を実行。
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Remainder：Halo2プローバー上で高速な機械学習操作を実行。
-
circomlib-ml：機械学習用のcircom回路ライブラリ。
e） ZKをデータバスとして
ここまでの段階で、世界スーパーコンピュータの基本コンポーネントはすべて揃いました。これらを接続する最後の要素が必要です。各コンポーネント間の通信・調整のため、検証可能かつ信頼最小化のバスが必要です。
イーサリアムを合意ネットワークとする世界スーパーコンピュータでは、Hyper OracleのzkPoSがZKバスの適切な候補です。zkPoSはzkOracleのキーコンポーネントであり、ZKによってイーサリアムの合意を検証することで、いかなる環境でもイーサリアムの合意を伝播・検証可能にします。
分散型かつ信頼最小化のバスとして、zkPoSはZKを用いて世界スーパーコンピュータのすべてのコンポーネントをほぼ計算オーバーヘッドなしに接続できます。zkPoSのようなバスがあれば、データは世界スーパーコンピュータ内で自由に流れます。
イーサリアムの合意がコンセンサス層からバスを介して世界スーパーコンピュータの初期合意データとして伝達されるとき、zkPoSは状態／イベント／トランザクション証明によってそれを検証できます。その後、生成されたデータはzkOracleネットワークの計算ネットワークに渡されます。
また、ストレージネットワーク向けのバスとして、EthStorageはzkNoSQLを開発中であり、データ可用性の証明を実現することで、他のネットワークがBLOBが十分なコピーを持っているかを迅速に検証できるようにします。
f） 別のケース：ビットコインを合意ネットワークとする場合
多くの第二層主権Rollupと同様に、ビットコインのような分散ネットワークも、世界スーパーコンピュータの基盤となる合意ネットワークとして利用可能です。
このような世界スーパーコンピュータをサポートするには、zkPoSバスを置き換える必要があります。なぜなら、ビットコインはPoWメカニズムに基づくブロックチェーンネットワークだからです。
ZeroSyncを用いることで、ビットコイン版世界スーパーコンピュータのバスとしてZKを実装できます。ZeroSyncは「zkPoW」に類似しており、ゼロ知識証明によってビットコインの合意を同期し、任意の計算環境がミリ秒単位で最新のビットコイン状態を検証・取得できるようにします。
g） ワークフロー
以下は、イーサリアムベースの世界スーパーコンピュータにおけるトランザクション処理の概要をステップ別に示したものです：
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合意：イーサリアムを用いてトランザクションの処理と合意形成を行う。
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計算：zkOracleネットワークが、バスとしてのzkPoSを通じて受け取った証明と合意データを高速に検証し、（EthStorageからロードされたzkGraphで定義された）関連オフチェーン計算を実行する。
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合意：自動化や機械学習など特定のケースでは、計算ネットワークが証明を用いてデータやトランザクションをイーサリアムまたはEthStorageに送り返す。
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ストレージ：イーサリアム上に大量のデータ（例：NFTメタデータ）を保存する場合、zkPoSがイーサリアムスマートコントラクトとEthStorageの間のメッセンジャーとして機能する。
この一連のプロセスを通じて、バスは各ステップの接続において極めて重要な役割を果たします：
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合意データがイーサリアムからzkOracleネットワークの計算部やEthStorageのストレージ部に渡される際、zkPoSと状態／イベント／トランザクション証明が証明を生成し、受信側は迅速に検証して正確なデータ（対応するトランザクションなど）を取得できる。
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zkOracleネットワークが計算のためにストレージからデータを読み込む必要がある場合、zkPoSを使って合意ネットワークからデータのアドレスを取得し、その後zkNoSQLを使ってストレージから実際のデータを取得する。
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zkOracleネットワークまたはイーサリアムからのデータが最終出力として表示される場合、zkPoSがクライアント（例：ブラウザ）向けに証明を生成し、迅速な検証を可能にする。
結論
ビットコインは世界コンピュータv0の堅固な基盤を築き、「世界の台帳」として成功しました。その後、イーサリアムはよりプログラマブルなスマートコントラクト機構を導入し、「世界コンピュータ」のパラダイムを効果的に示しました。分散化を実現するため、暗号学的な信頼排除、MEVによる自然な経済インセンティブ、大規模採用の促進、ZK技術の潜在能力、そして機械学習を含む分散型汎用計算の需要に応えるべく、「世界スーパーコンピュータ」の出現は必然となりました。
我々が提案するソリューションは、ゼロ知識証明を用いてトポロジー的に異種なP2Pネットワークを接続することで世界スーパーコンピュータを構築するものです。合意台帳として、イーサリアムは基盤合意を提供し、ブロック間隔を全システムのクロック周期として利用します。ストレージネットワークとして、ストレージRollupは大量のデータを保存し、データアクセスのためのURI標準を提供します。計算ネットワークとして、zkOracleネットワークはリソース集中型の計算を実行し、検証可能な計算証明を生成します。データバスとして、ゼロ知識証明技術はさまざまなコンポーネントを接続し、データと合意のリンクと検証を可能にします。
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