MT Capitalリサーチレポート：並列EVMの全面的な解説、プロジェクト概観と将来展望

2024.01.19

共有先

TechFlow厳選深潮セレクト

MT Capitalリサーチレポート：並列EVMの全面的な解説、プロジェクト概観と将来展望

並列EVMは、ブロックチェーンのスケーラビリティと効率性の向上において大きな可能性を示しており、ブロックチェーン技術における重要な転換点を示している。

2024.01.19 - 05:01:49

Web3業界の深掘り報道に専念し潮流を洞察

著者：Xinwei、MT Capital

TL;DR

並列EVMの必要性は、従来のEVMがトランザクションを逐次処理するための効率性の問題を解決し、複数の操作を同時に実行することでネットワークのスループットとパフォーマンスを大幅に向上させることにある。
並列EVMの実装方法には、スケジューリングに基づく並列処理、マルチスレッドEVMインスタンス、システムレベルのシャーディングがあり、信頼できないタイムスタンプ、ブロックチェーンの確定性、検証者報酬の誘導など技術的課題に直面している。
Monad LabsはLayer 1プロジェクトMonadを通じて、毎秒最大10,000件のトランザクション処理、1秒のブロック時間、並列実行能力、MonadBFTコンセンサスメカニズムといった独自の技術特性により、ブロックチェーンの拡張性とトランザクション速度を大きく向上させることを目指している。
Sei V2はSeiネットワークの重要なアップグレードであり、最初の完全に並列化されたEVMとなることを目指しており、EVMスマートコントラクトとの後方互換性、楽観的並列化、新しいSeiDBデータ構造、既存チェーンとの相互運用性を提供し、トランザクション処理速度とネットワーク拡張性を大幅に向上させる。
Neon EVMはSolana上でのプラットフォームであり、イーサリアムdAppsに高効率で安全かつ分散型の環境を提供し、開発者が容易にdAppsをデプロイおよび実行できるようにするとともに、Solanaの高スループットと低コストの利点を活用する。
LumioはPontem Networkが開発するLayer 2ソリューションであり、EVMとAptosが使用するMove VMの両方をサポートすることで、イーサリアムのスケーラビリティ課題を革新的に解決し、Web3体験をWeb2レベルに近づける。
Eclipseはイーサリアム向けのLayer 2ソリューションであり、SVMによる高速トランザクション処理を実現し、モジュラーRollupアーキテクチャを採用して、イーサリアムでの決済、SVMスマートコントラクト、Celestiaでのデータ可用性、RISC Zeroによる詐欺証明を統合している。
SolanaはSealevel技術により並列スマートコントラクト処理を実現し、SuiはNarwhalおよびBullsharkコンポーネントによりスループットを向上させ、FuelはUTXOモデルにより並列トランザクション実行を実現し、AptosはBlock-STMエンジンによりトランザクション処理能力を強化しており、いずれもブロックチェーン分野における並列技術の異なる実装とその優位性を示している。
並列化の主な課題には、データ競合や読み書き衝突の問題の解決、既存規格との技術的互換性の確保、新たなエコシステムインタラクションモデルへの適応、セキュリティやリソース配分などの面で増大するシステムの複雑性の管理が含まれる。
並列EVMは、ブロックチェーンのスケーラビリティと効率性の強化において巨大な可能性を示しており、ブロックチェーン技術における重要な転換点を示している。複数のプロセッサが同時にトランザクションを実行することで、従来の逐次処理方式の限界を突破し、トランザクション処理能力を高める。並列EVMは大きな可能性を秘めているが、その成功した実装には複雑な技術的課題の克服と広範なエコシステムの採用が必要である。

並列EVMの基本概念

EVMの概要

イーサリアム仮想マシン（EVM）は、イーサリアムブロックチェーンの中核的な構成要素であり、計算エンジンとして機能する。準チューリング完全なマシンであり、イーサリアムネットワーク上のスマートコントラクト実行に実行環境を提供し、イーサリアムエコシステム全体における信頼性と一貫性の維持に不可欠である。

EVMはバイトコードの処理によってスマートコントラクトを実行する。これは、Solidityなどの高級言語で書かれたスマートコントラクトコードをコンパイルしたより基本的な形式である。これらのバイトコードは、算術演算やデータの保存・取得などを行うオペコード（opcode）の系列から構成される。EVMはスタックマシンとして動作し、後入れ先出し（LIFO）方式で操作を処理する。EVM内の各操作には関連するガスコストが存在する。このガスシステムは、操作実行に必要な計算量を測定し、公平なリソース配分を保証し、ネットワークの乱用を防止する。

イーサリアムでは、トランザクションはEVMの機能において重要な役割を果たす。2種類のトランザクションがある：メッセージ呼び出しを引き起こすものと、契約作成を引き起こすものである。契約作成は、コンパイル済みスマートコントラクトバイトコードを含む新しいコントラクトアカウントを作成し、別のアカウントがそのコントラクトに対してメッセージ呼び出しを行うことで、そのバイトコードが実行される。

EVMのアーキテクチャは、バイトコード、スタック、メモリ、ストレージなどのコンポーネントからなる。実行中に一時的にデータを保存する専用メモリ領域と、ブロックチェーン上で無期限にデータを保存する永続ストレージ領域を持つ。EVMの設計は、スマートコントラクトに安全な実行環境を提供し、再入攻撃を防ぐためにそれらを分離し、ガス制限やスタック深度制限などのさまざまなセキュリティ対策を採用している。

さらに、EVMの影響力はイーサリアムを超えて、EVM互換チェーンという形で広範囲に及んでいる。これらチェーンは異なる点もあるが、イーサリアムベースアプリとの互換性を維持しており、イーサリアム基盤アプリとシームレスに相互作用できる。これらのチェーンは企業向けソリューション、GameFi、DeFiなど多様な分野で重要な役割を果たしている。

並列EVMの必要性

並列EVM（イーサリアム仮想マシン）の必要性は、それがブロックチェーンネットワークのパフォーマンスと効率性を大幅に向上させることができる点にある。従来のEVMはトランザクションを逐次処理するため、大量のエネルギーを消費し、ネットワーク検証者の負担も大きい。この処理方式は通常、高いトランザクションコストと非効率さにつながり、ブロックチェーンの広範な採用を妨げる主要な障壁と見なされている。

並列EVMは、複数の操作を同時に実行可能にすることで、コンセンサスプロセスを根本的に変えた。並列実行の能力はネットワークのスループットを大きく高め、ブロックチェーン全体のパフォーマンスと拡張性を強化する。並列EVMを利用することで、ブロックチェーンネットワークは短時間でより多くのトランザクションを処理でき、伝統的なブロックチェーンシステムでよく見られる混雑や遅い処理時間の問題を効果的に解決できる。

並列EVMは、ブロックチェーン技術のさまざまな側面に重大な影響を与える：

より省エネルギーで効率的なトランザクション処理方法を提供する。検証者やネットワーク全体の負担を軽減することで、より持続可能なブロックチェーンエコシステムの構築に貢献する。
拡張性の向上とスループットの増加により、直接的に取引手数料の低下をもたらす。ユーザーはより経済的な体験を享受でき、ブロックチェーンプラットフォームをより広い層にとって魅力的なものにする。
順番に処理するのではなく複数のトランザクションを同時処理するため、dAppsはネットワークリクエストが高い期間でもよりスムーズに動作できる。

並列EVMの実装方法

現在のEVMアーキテクチャでは、最も細かい読み取り／書き込み操作はsloadとsstoreであり、それぞれ状態Trieからの読み取りと書き込みに使用される。したがって、異なるスレッドがこれらの2つの操作で衝突しないようにすることが、並列／同時EVMを実現するシンプルな出発点となる。実際、イーサリアムには「アクセスリスト」という特殊な構造を持つ特別なタイプのトランザクションがあり、読み取りおよび変更する予定のストレージアドレスを含むトランザクションを運ぶことができる。これにより、スケジューリングに基づく同時実行手法の実装に好都合な起点が得られる。

システム実装の観点では、並列／同時EVMには以下の3つの一般的な形式がある：

単一EVMインスタンスのマルチスレッド化。
単一ノード上の複数EVMインスタンスのマルチスレッド化。
複数ノード上の複数EVMインスタンスのマルチスレッド化（基本的にシステムレベルのシャーディング）。

ブロックチェーンにおける並列／同時処理は、データベースシステムとは以下のように異なる：

信頼できないタイムスタンプにより、タイムスタンプに基づく同時処理手法をブロックチェーン世界で展開するのは難しい。
異なる検証者間で再実行されたトランザクションが同一であることを保証するために、ブロックチェーンシステムは絶対的な決定性を持つ。
検証者の最終目標は、より速いトランザクション実行ではなく、より高い収益を得ることである。

では、何が必要なのか？

システムレベルのコンセンサスが必要であり、より速い実行がより高いリターンをもたらす。
ブロック制限を考慮した多変量スケジューリングアルゴリズムにより、より迅速な実行完了と同時に収益の最大化を図る。
オペコードレベルのデータロック、メモリキャッシュ層などを含む、より細粒度のデータ操作が必要。

主要プロジェクトとその技術

Monad Labs

MonadはEVM Layer 1であり、独自の技術的特徴によりブロックチェーンのスケーラビリティとトランザクション速度を大幅に高めることを目指している。Monadの主な強みは、秒間最大10,000件のトランザクションを処理でき、ブロック時間は1秒であること。これは、MonadBFTコンセンサスメカニズムとEVM互換性により、取引を効率的かつ迅速に処理できるためである。

Monadの最も注目すべき特徴の一つは並列実行能力であり、これにより複数のトランザクションを同時に処理でき、従来のブロックチェーンシステムの逐次処理方式と比べてネットワーク効率とスループットを大幅に向上させる。

Monadの開発は、Keone Hon、Eunice Giarta、James Hunsakerが共同設立したMonad Labsが主導している。同プロジェクトはすでに1900万ドルのシード資金を調達しており、2024年第1四半期中盤にテストネットをリリースし、その後メインネットを開始する予定である。

Monadは以下の4つの主要分野で最適化されており、高性能ブロックチェーンとなっている：

MonadBFT：

MonadBFTは、部分同期条件下でバイザンチン行為者が存在する場合でも、トランザクション順序に関して合意に達するための、Monadブロックチェーンの高性能コンセンサスメカニズムである。HotStuffをベースに改良され、楽観的応答性を持つ二段階BFTアルゴリズムを採用しており、通常時は線形通信オーバーヘッド、タイムアウト時には二次通信オーバーヘッドを持つ。MonadBFTでは、リーダーが各ラウンドで検証者に新ブロックと前ラウンドのQC（Quorum Certificate）またはTC（Timeout Certificate）を送信する。検証者はブロックを審査し、同意すれば次のラウンドのリーダーに署名付き「はい」投票を送る。このプロセスでは**2f+1**個の検証者の「はい」投票を集約するために閾値署名が使用される。通常の通信状況では、リーダーが検証者にブロックを送信し、検証者は直接次のリーダーに投票を送る。MonadBFTはまた、スケーラビリティ問題を解決するためにペアリングベースのBLS署名を採用しており、署名をインクリメンタルに集約して1つの署名にできる。単一の有効な集約署名を検証することで、公钥に関連付けられた株式すべてがそのメッセージに署名したことを証明できる。性能向上の観点から、MonadBFTは混合署名スキームを採用しており、BLS署名は集約可能なメッセージタイプ（投票およびタイムアウト）にのみ使用される。メッセージの完全性と真正性は依然としてECDSA署名によって保証される。こうした特徴により、MonadBFTは効率的で堅牢なブロックチェーンコンセンサスを実現できる。
遅延実行：

これは実行プロセスをコンセンサスプロセスから切り離す画期的な革新である。このアーキテクチャでは、コンセンサスプロセスはノードがトランザクションの公式順序に合意することを意味し、実行は実際にこれらのトランザクションを実行し、状態を更新するプロセスである。この設計では、リーダーノードがトランザクション順序を提案するが、提案時点では最終的なステートルートを知らない。検証ノードも、ブロックの有効性に対して投票する時点で、ブロック内のすべてのトランザクションが正常に実行されるかどうかを知らない。

この設計により、Monadは顕著なスピード向上を実現し、単一シャードのブロックチェーンでも数百万ユーザー規模にまで拡張可能になる。Monadでは、各ノードがブロックNについて合意を形成しながら、独立にブロックN内のトランザクションを実行し、ブロックN+1についての合意形成を開始する。このアプローチにより、実行がコンセンサスの速度に追いついていればよいので、より大きなガス予算を許容できる。また、実行は平均的にコンセンサスに追いついていればよいので、計算時間の具体的な変動に対してもより耐性を持つ。

さらに状態機械レプリケーションを保証するために、Monadはブロック提案にDブロック遅延したMerkleルートを含める。この遅延Merkleルートにより、あるノードが誤った実行や悪意のある行動をしても、ネットワーク全体の一貫性が維持される。

MonadBFTでは、最終確定性は1スロット（1秒）であり、実行結果はフルノード上では通常1秒未満の遅延で確認できる。この1スロット最終確定性により、取引を提出した後、ユーザーは1ブロック後に取引の公式順序を確認できる。ネットワークの過半数が悪意を持って行動しない限り、再順序化の可能性はない。取引結果を迅速に知りたいユーザー（例：高頻度取引者）は、フルノードを稼働させて遅延を最小限に抑えることができる。
並列実行：

これにより、Monadは複数のトランザクションを同時に実行できる。一見するとイーサリアムの実行セマンティクスとは異なるように見えるが、実際にはそうではない。Monadのブロックもイーサリアムのブロックと同じく、線形に順序付けられたトランザクションの集合である。これらのトランザクションを実行した結果は、Monadとイーサリアムの間で同じになる。

並列実行の過程で、Monadは楽観的実行（optimistic execution）を用いる。つまり、前のトランザクションが完了する前に後のトランザクションの実行を開始する。これにより、実行結果が間違うことがある。これを解決するため、Monadはトランザクション実行中に使用された入力を追跡し、それらを以前のトランザクションの出力と比較する。差異があれば、正しいデータを使ってそのトランザクションを再実行する必要があることを示す。

さらに、Monadは静的コード解析器を使用して、トランザクション間の依存関係を予測し、無効な並列実行を回避する。最良の場合、多くの依存関係を事前に予測できる。最悪の場合、単純な実行モードに戻る。

Monadの並列実行技術は、ネットワーク効率とスループットを高めるだけでなく、実行戦略の最適化により、並列実行によって生じるトランザクション失敗のケースを減少させる。
MonadDb：

MonadDbはデータストレージと処理の最適化に使用される。これは、特に状態データとトランザクションデータの処理において、ネットワーク全体のパフォーマンスを向上させるためのMonadの最適化戦略の一部である。このようなコンポーネントは、データストレージの効率性と拡張性を高め、ブロックチェーンネットワークが大量のデータを処理する能力を向上させることを目的としている。これには、改善されたデータインデックス機構、より効率的なストレージ構造、最適化されたデータアクセスパスが含まれる。これらの最適化により、データアクセス時間を短縮し、トランザクション処理速度を向上させ、ブロックチェーンネットワーク全体のパフォーマンスを高める。

エコシステムプロジェクト

Tayaswap

TayaSwapは、SubLabsが支援するMonadベースのAMM DEXであり、従来の注文帳や仲介者なしで資産を取引できる。AMMは数学的公式とスマートコントラクトを用いてトークン交換を促進し、価格を決定し、P2P取引を実現する。

Ambient Finance

Ambient（旧CrocSwap）は、任意のブロックチェーン資産ペア上で集中型および定常積流動性を組み合わせた双方向AMMである分散型取引プロトコル。Ambientは、単一のスマートコントラクト内でDEX全体を実行し、個々のAMMプールは別々のスマートコントラクトではなく、軽量なデータ構造となる。

Shrimp Protocol

Shrimpは(3,3)DEXであり、リアルワールドアセットをサポートする飛輪型トークノミクスを持ち、まもなくMonadに登場する予定。

Catalyst

Catalystは、モジュラーブロックチェーン間で無許可の流動性ソリューションを提供する。あらゆるチェーンを接続するために構築され、どこでも任意のアセットにアクセス可能にする。Catalystにより、開発者は自動的にすべてのチェーンに接続でき、統一されたエコシステムのユーザーにアクセスできる。また、シンプルで分散型かつセルフホスト型の設計により、プロジェクトが安全かつシームレスに流動性にアクセスできる。

Swaap

Swaapは市場ニュートラルな自動マーケットメーカー（AMM）。オラクルと動的スプレッドを組み合わせ、流動性提供者に持続可能なリターンを提供し、トレーダーに安価な価格を提供。このプロトコルは impermanent loss を大幅に削減し、マルチアセットプールを提供する。

Elixir

Elixirは、API呼び出しを介してマーケットメイキングアルゴリズムを使用し、中央集権取引所と相互作用する分散型マーケットメイキングプロトコルであり、ロングテール暗号資産に流動性をもたらす。

Timeswap

Timeswapは、オラクルや清算人を使わない、AMMベースの分散型マネーマーケットプロトコル。Uniswapが即時に資産を取引できるのに対し、Timeswapでは借入は返済完了までトークンを取引することに関わる。貸し手は資産Aを提供して借入を行い、借り手が担保として一定量の資産Bを「保護」する。ユーザーはリスク状況を調整し、低い担保比率で高い金利を得たり、逆に高い担保比率で低い金利を得たりできる。

Poply

PoplyはコミュニティベースのNFTマーケットプレイスであり、Monadチェーンに特化し、このチェーンのために作成されたNFTコレクションを展示・支援する。AI生成アートと使いやすいインターフェースを活用し、ユニークなNFTに興味を持つ人々がERC-721トークンを取引できるようにする。

Switchboard

Switchboardは、汎用データフィードと検証可能なランダム性を提供する無許可、カスタマイズ可能、マルチチェーン対応のオラクルプロトコル。誰でもどんな形式のデータでもプッシュでき、データタイプを問わずユーザーにワンストップサービスを提供し、次世代の分散型アプリケーションの発展を促進する。

Pyth Network

Pyth NetworkはDouro Labsが開発する次世代価格オラクルソリューションであり、ブロックチェーン技術を通じてプロジェクトやプロトコル、一般大衆に価値ある金融市場データ（暗号通貨、株式、外為、商品など）を提供することを目指す。このネットワークは70以上の信頼できるデータプロバイダーからの第一当事者価格データを統合し、スマートコントラクトや他のオンチェーン／オフチェーンアプリケーションで利用できるように公開する。

AIT Protocol

AIT Protocolは人工知能データインフラストラクチャーであり、Web3 AIソリューションを提供。AIT分散型マーケットプレイスは、数百万の暗号通貨ユーザーに「学習して報酬を得る」タスクに参加する特別で広範な機会を提供し、報酬を得ながら同時にAIモデルの発展に積極的に貢献できる。

Notifi

NotifiはすべてのWeb3プロジェクトに汎用的なコミュニケーションレイヤーを提供し、通知とメッセージ機能を分散型アプリケーションに組み込む計画である。これにより、ユーザーとデジタルおよびオンチェーンチャネルでやり取りできる。Notifi APIは、簡単なAPIで複雑な通信インフラを解放し、世界中のすべてのアプリケーションにネイティブなユーザーエクスペリエンスを提供できる。Notifi Centerは、ユーザーがモバイル端末とWeb端末からWeb3世界のすべての情報を表示・管理できるカスタマイズ可能な通知体験を提供。Notifi Pushは、マーケターが包括的なマルチチャネルエンゲージメントを作成し、ビジネス成長とユーザー維持を推進できる。

ACryptoS

ACryptoSは高度な暗号戦略プラットフォームであり、マルチチェーン収益アグリゲータとDEXで、自動複利単一トークン金庫、二重トークンLP金庫、ユニークな流動性金庫、Balancer-V2 ブランチDEX、ステーブルコイン交換など多数の独自製品を提供。ACryptoSは当初2020年11月にBNBチェーンで立ち上げられ、現在は11チェーンに拡大し、100以上の金庫を展開しており、DeFiユーザーとプロトコルを支援することを目指している。

MagmaDAO

MagmaDAOは、DAOが管理する流動性ステーキングプロトコルであり、エコシステム内でのエアドロップ競争を通じて公正なトークン分配を実現することを目指す。イーサリアム以外で初めての分散型検証者であり、最速、最安、最高の検閲耐性を持つEVM L1 Monad上に構築される。

Wombat Exchange

Wombat Exchangeは、オープン流動性プール、低スリッページ、片面ステーキングを持つマルチチェーンステーブルコイン取引所。

Wormhole

Wormholeは、分散型の汎用メッセージングプロトコルであり、クロスチェーンアプリケーションの開発者とユーザーが複数のエコシステムの利点を活用できるようにする。

DeMask Finance

DeMask Financeは、NFTとERC20トークン間の取引のためのオンチェーンAMMプロトコル。NFTコレクションとNFTローンチパッドの作成をサポート：ETHおよび他のトークンとのペアリング。NFT分散型取引所：ERC-1155 NFTまたは他のトークンをETHおよびERC-20トークンとペアリング。DeMaskプロトコルはNFT市場に流動性を追加し、ERC20トークンまたはネイティブトークンとNFTコレクション間のシームレスな交換を実現するインターフェースを提供。DeMaskは、すべてのユーザーが流動性プールを作成・所有でき、完全に自動化された方法で取引を行う相互接続スマートコントラクトシステムである。各プールは、トークンとNFTのペアを保持し、即時取引に固定価格を提供。これにより、他のコントラクトが時間とともに2つのアセットの平均価格を推定できる。流動性プールを所有するユーザーは、アセットペアの交換時に報酬を得る。

Sei V2

Sei V2はSeiネットワークの重要なアップグレードであり、最初の完全に並列化されたEVMとなることを目指している。このアップグレードにより、Seiは以下の機能を持つようになる：

EVMスマートコントラクトとの後方互換性：

これにより、開発者はコードを変更せずに、既に監査済みでEVM互換のスマートコントラクトをSei上にデプロイできる。これは開発者にとって極めて重要であり、既存のスマートコントラクトをイーサリアムなどの他のブロックチェーンからSeiに移行するプロセスを簡素化できる。

技術的には、Seiノードが自動的にGeth（イーサリアム仮想マシンのGo実装）をインポートする。Gethはイーサリアムトランザクションの処理に使用され、そこから生じるすべての更新（ステート更新や非EVM関連コントラクトの呼び出しを含む）は、EVM用にSeiが作成した特殊インターフェースを通じて行われる。
楽観的並列化：

これは、開発者が依存関係を定義しなくても並列化をサポートできるようにする。つまり、すべてのトランザクションを並列に実行でき、衝突（例えば、同じ状態に触れるトランザクション）が発生した場合、チェーンは各トランザクションが触れたストレージ部分を追跡し、順番にそれらのトランザクションを再実行する。このプロセスは、説明不能な衝突がすべて解決されるまで再帰的に続く。トランザクションはブロック内で順序付けられているため、このプロセスは決定論的であり、チェーンレベルでの並列性を維持しつつ開発者のワークフローを簡素化できる。
SeiDB：

これは、プラットフォームのストレージ層を最適化するために「SeiDB」と呼ばれる新しいデータ構造を導入する。SeiDBの主な目的は、ネットワークがデータ過多になる「ステート膨張」を防ぎ、新規ノードのステート同期プロセスを簡素化することである。このような設計により、Seiブロックチェーン全体のパフォーマンスと拡張性が向上する。

Sei V2は、従来のIAVLツリーを「ステートストレージ」と「ステートコミットメント」という二つのコンポーネントに分割することでこれを実現する。この変更により、遅延とディスク使用量が大幅に削減され、Sei V2はさらにPebbleDBへの移行を計画しており、マルチスレッドアクセス時の読み書きパフォーマンスを向上させる。
既存チェーンとの相互運用性：

Sei V2は、EVMとSeiがサポートする他の実行環境間のシームレスな組み合わせを可能にし、開発者にスムーズな体験を提供する。これにより、ネイティブトークンやステーキングなどの他のチェ