a16z：ブロックチェーンのメカニズム設計における8つの課題
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a16z：ブロックチェーンのメカニズム設計における8つの課題
CryptoとWeb3にはメカニズム設計の問題が蔓延している。
Web3業界の深掘り報道に専念し潮流を洞察執筆：Tim Roughgarden、a16z crypto 研究責任者
翻訳：0xxz、金色財経
ある分野を深く学ぶことで、現実世界に現れる問題は、すでにうまく解決された問題の粗末な模倣にすぎないことに気づくことができる。たとえば、私がアルゴリズムの基礎を教えるとき、学生たちは最短経路計算や線形計画法に帰着する問題の識別方法を学ぶ。
このパターンマッチングはメカニズムデザイン（制度設計）においても有効である。メカニズムデザインとは、「逆ゲーム理論」とも呼ばれるもので、インセンティブを活用して望ましい結果を達成しようとするアプローチだ。そのツールや教訓は、オークション理論、市場設計、社会選択理論において特に有用である。
Cryptoおよびweb3には、メカニズムデザインの問題が数多く存在する。多くの問題は教科書の内容を当てはめたり、古いアイデアを新しい文脈に調整することで解決できると思われがちだ。しかし、許可不要（permissionless）ブロックチェーンプロトコル特有の課題や制約は、一見解決済みに見える問題の根本的な前提さえ再考させることになる。これがweb3におけるメカニズムデザインを複雑にする要因である。だが同時に、これらの課題こそが、web3におけるメカニズムデザインを魅力的にしているのである。
本稿では、web3のメカニズムデザインが直面するいくつかの課題について考察する。これらの課題は暗号資産のネイティブユーザーにとっては馴染み深いものかもしれないが、メカニズムデザインの理解を深めることで、すべての開発者にとって、なぜこれらがこれほどまでに難しいのかという新たな視点が得られるだろう。また、メカニズムデザイナーにとっては、もし新しいアプリケーションを考えているなら、許可不要環境がもたらす課題に興味を持つべきだろう。
ただしまず、そもそもメカニズムデザインとは何かを確認しよう。
メカニズムデザインという分野の起源は少なくとも1961年にさかのぼる。当時、コロンビア大学の経済学者であり、後にノーベル賞を受賞したウィリアム・ヴィックレーィ（William Vickrey）が、第二価格封印入札方式を正式に提唱したのだ。実は1797年、詩人ヨハン・ヴォルフガング・フォン・ゲーテ（Johann Wolfgang von Goethe）が自身の叙事詩『ヘルマンとドロテーア』の原稿を売却する際にすでにこの方式が使われており、19世紀には切手収集家たちの間で広く用いられていた。しかし、それが正式に理論化されたのは1961年のことだった。現在、これは「ヴィックレーオークション（Vickrey auction）」として知られている。このオークション形式では、最高額を入札した者が勝者となるが、支払う金額は第二高入札額となる。この方式は入札者の真の評価額を引き出し、最も価値を高く評価している者に物品を渡すことを可能にする。
ヴィックレーオークションは優雅かつ効率的な設計であり、現実世界にも応用され、新たな状況に応じて調整・更新されてきた。実践が理論に情報を与え、理論が実践を導くという双方向性がある。ヴィックレーオークションと同様に、メカニズムデザインという正式な学問領域の発展史も、理論と実践が密接に絡み合った、深遠で美しい歴史なのである。
ゲーム理論が戦略的相互作用の枠組みを構築し、合理的な行動がどのような結果をもたらすかを探求するのに対し、メカニズムデザインはゲームから始まるのではなく、望ましい結果から出発する。つまり、何らかの形での「ゲーム」を逆工学的に設計し、効率性、公平性、あるいは特定の振る舞いといった特徴を持つ結果が均衡として達成されるようにするのである。ヴィックレーオークションの場合、最終的な目標は、参加者を罰することなく、参加者が支払いたい最大限の金額を提示するように仕向けることにある。
web3におけるメカニズムデザインの応用機会は非常に多い。たとえば、ブロックチェーンプロトコルは、参加者が誠実に行動し（期待される行動から逸脱しないようにする）ことを目指すかもしれない。あるいは、取引の価値に関する正確な情報を得て、最も価値の高い取引にブロック空間を効果的に割り当てたいと考えるかもしれない。
このようなメカニズムデザインの問題は常に困難を伴うが、ブロックチェーン環境ではさらに独特な難しさが加わる。
1. 信頼の欠如
信頼できる第三者がメカニズムを執行できない場合、ブロックチェーン分野における設計はより困難になる。
許可不要ブロックチェーンプロトコルを利用する意味は、特定の実体や個人を信頼する必要がなく、代わりに「平均的な」信頼仮定——つまり、プロトコルを運営するノードのうち十分多数が誠実であるという仮定——に依存できることにある。
しかし、多くのブロックチェーンアーキテクチャの皮肉な点は、チェーン履歴に追加される各バッチの取引が、プロトコル維持の仮想マシン内で実行されるにしても、それは単一のノードによる一方的な決定の産物であるということだ。
あなたは、そのノードを信用していいのかどうかわからない。
だからこそ、ブロックチェーンの世界でヴィックレーオークションがあまり見られないのだ。素朴にヴィックレーオークションを実装すると、すぐに信頼できないブロック生成者による操作の問題に直面する。具体的には、ブロック生成者が「シャイル入札（shill bid）」、つまり勝ちそうになっている入札額よりわずかに低い偽の入札を行うことで、勝者にほぼ自分の入札額全額（真の第二高入札額ではなく）を支払わせてしまう可能性がある。
信頼できないブロック生成者の偽入札により、ヴィックレーオークションは事実上第一価格オークションに退行してしまう。これが、第一価格オークションがweb3で広く使われる理由の一つでもある。（伝統的なメカニズムデザイン文献の中にも、「信頼できるメカニズム」に関する最新の研究が存在し、信頼できないオークショニアを想定したオークション設計を扱っているが、アプローチは異なる。）
2. 同調圧力の常態
ブロックチェーンのメカニズムデザインが困難なもう一つの理由は、参加者間の共謀（collusion）の可能性にある。たとえば、第二価格オークションは補償金付きの共謀に対して脆弱だ。理屈は簡単だ：落札者は第二高入札額を支払うため、入札者は第二高入札者を買収して入札額を下げさせることができる。
メカニズムデザインの学術文献はこの問題にあまり注目していない。その理由の一つは、共謀（特に補償金付きの共謀）が現実世界では実行困難だからかもしれない。共謀後、勝者は賄賂を支払わないこともできるため、信頼できる補償の提供は難しい。（古くからのことわざに「泥棒同士に義理なし」がある。）
しかし、ブロックチェーンの文脈では、潜在的な共謀者はしばしばスマートコントラクトを通じて確実な約束を提供でき、共謀を実際に機能させることが可能になる。二つ目の理由は、補償金付き共謀を抑止する仕組み——「価格表示（posted price）」メカニズムのように、提示価格以外何も提供しないような仕組み——が欠如していることにある。
さらに悪いことに、プロトコルの利用者は互いに共謀するだけでなく、（信頼できない）ブロック生成者とも共謀する可能性がある（現実世界のオークションで言えば、入札者とオークショニアの共謀に相当する）。
この最後のタイプの共謀への対抗策が、イーサリアムEIP-1559のトランザクション料金メカニズムにおける「バーン（burn）」部分の主な動機の一つとなっている。もし「バーン」（あるいは他の手段でブロック生成者から収益を差し押さえる）がなければ、ブロック生成者とエンドユーザーは補償金を通じて共謀し、このメカニズムが課そうとする最低価格（リザーブ価格）を回避することができてしまう。
3. 法の支配だけでは不十分
共謀の問題は決して新しいものではない。何世紀にもわたって、現実世界のさまざまな制度を悩ませてきた。しかし、メカニズムデザインの文献を読んでも、この問題に対する解決策はほとんど見つからないかもしれない。文献は確かに、個々の参加者がメカニズムを一方的に操作するインセンティブについては正面から議論しているが、通常はそれを「法の支配」という未明瞭な概念に任せてしまう。たとえば、メカニズムの参加者は共謀しないという法的契約を結ぶかもしれない。共謀が発覚すれば、法的措置が取られる。メカニズムデザイナーは、共謀が比較的容易に検出できるように設計することで支援できる。
多くのメカニズムデザイン文献には、言わば暗黙の了解がある：「法の支配」への依存だ。許可不要ブロックチェーンプロトコルの領域に完全に「法の支配」がないとは言えない——我々は頻繁に、許可不要ブロックチェーン上の犯罪行為に対して法執行機関が起訴に成功するのを目にする——が、その程度は伝統的なメカニズムデザインの適用場面よりもはるかに低い。
もしメカニズムの外側で法の支配に頼れないならば、デザイナーはメカニズム内部で問題を解決する責任を負うことになる。このアプローチは、ブロックチェーン分野のメカニズムデザインにおいて普遍的である。特にイーサリアムプロトコルでは、EIP-1559における基本料金のバーンから、コンセンサスプロトコル内での不正なバリデーターのペナルティ（スラッシング）まで、その例は枚挙に暇がない。
4. 設計空間の拡大
web3における設計空間は、メカニズムデザイナーが慣れているものよりもはるかに広い。そのため、デザイナーはあらゆる問題を改めて考え直さなければならない。たとえば、多くのメカニズムは支払いを伴うが、伝統的なメカニズムデザインの応用では、それらの支払いは米ドルなどの法定通貨で行われる。多くのブロックチェーンプロトコルは独自のネイティブ通貨を持っており、プロトコル内のメカニズムはその通貨を操作できる。
伝統的なメカニズムデザインの論文を書いて、そのメカニズムの説明の一部に「新しく通貨を大量に刷って、参加者グループに配布する」と書くことを想像してみよう。ブロックチェーンの文脈を離れれば、これは馬鹿げている。しかし、ブロックチェーンプロトコルの文脈でメカニズムデザインについて語るとき、まさにそれが可能なのだ。プロトコルが通貨を制御しているため、メカニズムの一部としてトークンを発行したり焼却したりできるのである。
つまり、ネイティブ通貨がなければ実現不可能な設計が可能になるということだ。たとえば、どのようにしてビットコインの採掘者に協力的な行動を促すのか？ インフレ報酬によってだ：新しい通貨（ビットコイン）を発行して、これらのブロック生成者に報酬を与える。もしネイティブ通貨がなければ、このような設計はあり得ない。
5. ネイティブ通貨が新たな問題を引き起こす可能性
先ほどのポイントはネイティブ通貨の力を強調したものだった。ネイティブ通貨を使ってできることは二つある：「発行（minting）」（ビットコインプロトコルが新規ビットコインを発行して採掘者に報酬を与える方法）と「焼却（burning）」（イーサリアムEIP-1559のトランザクション料金メカニズムがETHを焼却して共謀を防ぐ方法）。しかし、ネイティブ通貨には、伝統的メカニズムデザインには存在しなかった危険が潜んでいる：ミクロ経済的設計の意思決定がマクロ経済的結果を生む可能性があるのだ。
伝統的メカニズムデザインでは、マクロ経済の力について心配する理由はない。伝統的オークションは米国の通貨供給やインフレ率に有意な影響を与えない。これはweb3の設計領域にとって全く新しい課題である。一体どのような問題が起きうるのか？ ここでは二つの例を紹介しよう。ビットコインの発行とETHの焼却についてだ。
ブロック報酬——新規通貨を発行して採掘者に報酬を与える方法——を利用しているため、ビットコインは必然的にインフレを強いられる。したがって、インフレ率を決定し、時間とともにどのように変化するかを定める通貨政策も必要になる。中本聡は2100万BTCという硬性的な供給上限を設定した。ビットコインの量に硬的な上限があるため、インフレ率はゼロに近づいていかなければならない。
もしインフレ率が本当にゼロになった場合、採掘者がプロトコルを継続して実行し、ビットコインの安全性を確保するために何をもって報酬を与えるのか？ 人々は、トランザクション料金が不足するブロック報酬を補うことを期待してきたが、それが実現する可能性はかなり低い。また、トランザクション料金がほぼゼロになると、ビットコインプロトコルは重大なセキュリティ問題に直面することが知られている。
プリンストン大学のコンピュータサイエンティスト、マイルズ・カールストン、ハリー・カロドナー、マシュー・ワインバーグ、アーヴィンド・ナラヤナンは、ある論文で、トランザクション料金とブロック報酬のもう一つの違いを指摘している。各ブロックのブロック報酬は同じである（少なくともブロック報酬が「半減」する間隔では）が、トランザクション料金は桁違いに変動しうる——これはプロトコルに新たなゲーム理論的不安定性をもたらす。この意味で、固定供給上限というマクロ経済的決定は、プロトコルおよびその参加者に対してマイクロ経済的悪影響を及ぼしている。
ブロック報酬の発行がビットコインにとってインフレ圧力であるように、EIP-1559におけるトランザクション料金の焼却は、イーサリアムにとってデフレ圧力となる。イーサリアムプロトコル（実際にはインフレ報酬でバリデーターに報酬を与える）では、この二つの力が引き分け合うが、しばしばデフレが勝る。ETHは現在、純粋にデフレ通貨となっており、これはプロトコルのトランザクション料金メカニズムにおけるミクロ経済的動機設計のマクロ経済的帰結なのである。
デフレはイーサリアムプロトコルにとって良いのか悪いのか？ ETH保有者は、他の条件が同じであれば、時間が経つにつれて自分のトークンの価値が上がるため、デフレを好む。（事実、この副次的効果が、一般の世論をEIP-1559のトランザクション料金メカニズムへの移行に支持させるきっかけとなった可能性もある。）しかし、「デフレ」という言葉は、伝統的な訓練を受けたマクロ経済学者にとっては忌避すべきものであり、1990年代の日本の失われた10年を連想させる。
どちらが正しいのか？ 私自身の意見としては、主権国家の法定通貨がETHのような暗号資産の適切な類推になるとは思わない。では、正しい類推は何なのか？ これは依然として未解決の問題であり、ブロックチェーン研究者によるさらなる探求が必要である：なぜデフレ通貨はブロックチェーンプロトコルを支える暗号資産としては成立するが、主権国家を支える法定通貨としては成立しないのか？
6. 基盤レイヤーを無視できない
コンピュータサイエンスでは、モジュール化とクリーンな抽象化を追求することで、システムの一部を信頼できるようにする。システムの一部を設計・分析する際には、他の部分が出力する機能を知る必要はある。しかし理想的には、その機能が基盤でどのように実装されているかを知る必要はない。
しかし、ブロックチェーンプロトコルでは、まだその理想状態には到達していない。開発者やメカニズムデザイナーがアプリケーション層に注目したいと思っても、インフラ層の動作方法や詳細を無視することはできない。
たとえば、自動マーケットメイカー（AMM）を設計する場合、信頼できないブロック生成者が取引の順序付けを担当する可能性を考慮しなければならない。あるいは、L2ロールアップのトランザクション料金メカニズムを設計する際には、L2のリソース消費に加えて、基盤となるL1プロトコルが生むすべてのコスト（calldataの保存など）も負担しなければならない。
この二つの例では、あるレイヤーの効果的なメカニズム設計には、他のレイヤーの詳細な知識が必要となる。おそらく、ブロックチェーン技術が成熟するにつれ、異なるレイヤー間の明確な分割が可能になるだろう。しかし、現時点では明らかにそこまで到達していない。
7. 計算資源が限られた環境下での作業を要求される
ブロックチェーンプロトコルが実現する「空中的コンピュータ」は、計算資源が限られた環境である。伝統的メカニズムデザインは経済的インセンティブにのみ焦点を当て、計算の問題（たとえば、有名なヴィックレー＝クラーク＝グローヴスメカニズムは、高度に複雑な配分問題に対しては非現実的である）を無視する。
ニサンとローネンが1999年に「アルゴリズム的メカニズムデザイン」を提唱した際、現実世界で意味のあるメカニズムには何らかの計算的追跡可能性が必要だと指摘した。そこで彼らは、問題のパラメータに対して多項式的（指数的ではない）に拡大する計算量と通信量に限定したメカニズムに注目すべきだと提案した。
ブロックチェーンプロトコルの仮想マシンは非常に少ない計算しか行えないため、オンチェーンのメカニズムは極めて軽量でなければならない——多項式時間と通信量が必要だが、それだけでは不十分である。たとえば、希少性がイーサリアムDeFiにおいて自動マーケットメイカーが完全に支配的である主な理由であり、指値注文簿のようなより伝統的なソリューションよりも優勢なのである。
8. まだ初期段階にある
人々が「web3はまだ初期段階にある」と言うとき、たいていは投資機会や普及状況を指している。しかし、科学的観点から見ると、我々はそれよりもさらに初期にある。これは難易度をさらに上げるものだ——とはいえ、チャンスも巨大である。
成熟した研究分野での作業には、誰もが当然のこととみなす恩恵がある。確立されたモデルと定義がある。重要な問題についての合意がある。進捗を測るためのキーポイントがある。共通の語彙と膨大な公開知識ベースがある。厳密に審査された教科書、オンライン講座、その他のリソースといった加速手段もある。
一方で、ブロックチェーン分野の多くの面では、まだ「正しい」モデルや定義がわかっておらず、重要問題について明確に考え、進展を遂げることができない。たとえば、ブロックチェーンプロトコルの文脈で、インセンティブ互換性にとって最も重要な概念は何なのか？ web3スタックにはどのようなレイヤーがあるのか？ 最大抽出可能価値（MEV）の構成要素は何なのか？ これらはすべて未解決の問題である。
ブロックチェーン科学に興味を持つ人々にとって、この分野の未熟さは確かに挑戦である。しかし、今、早い段階から関わることには、独自の機会も伴う。
メカニズムデザインは、インターネットアプリケーション層において有用なツールであった——リアルタイム広告オークションや、ECサイトからグルーポンまで、今日のほとんどのオンライン消費者向けアプリに見られる両面市場設計など。
しかし、web3では、メカニズムデザインはインフラ自体の設計決定にも影響を与える。
1970～80年代、インターネットのルーティングプロトコルが議論され、設計されていた時期を思い出そう。私の知る限り、その過程でインセンティブやメカニズムデザインの専門家が関与していたことはなかった。後になって振り返ると、こうした専門家がいれば設計に有益な情報を提供できたはずだと気づく。一方、web3では、最初のビットコイン白書の発表から、インセンティブは議論の一部として存在していた。
web3における「正しい」モデル、定義、成功指標についての混乱は、実は私たちが黄金時代にいることを示している。将来の学生や科学者たちは、私たちが正しい時代に、正しい場所にいて、この技術の発展軌道を形作る機会を持っていたことに羨望の念を抱くだろう。だからこそ、この分野の教科書は今やほとんどないかもしれないが、いずれ必ず存在するようになる。そして、それらの教科書に記述される内容こそ、今まさに私たちが行っている仕事なのである。
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