イーサリアムの研究者：なぜモノリシックL1ブロックチェーンは「死胡同」なのか？
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イーサリアムの研究者：なぜモノリシックL1ブロックチェーンは「死胡同」なのか？
単一のL1ブロックチェーンネットワークは持続可能ではないだけでなく、実際に必要なスループットを提供することは決してできず、目標から何桁もかけ離れています。
Web3業界の深掘り報道に専念し潮流を洞察執筆：Polynya
編集：南風
私はこれまで「Optimistic Rollups 対 ZK-Rollups」というテーマについての記事を書いたことはありません。どちらも素晴らしいからです。私の書いているのは、効率が極めて低く、スケーラビリティに欠け、安全ではなく、弾力性のないモノリシックL1ブロックチェーンに対する批判であり、それらのL1ネットワークへの資本配分の非合理性はすでに明らかになっています。
私が唯一目指しているのは、ブロックチェーンが技術的・経済的・社会的に持続可能な形でグローバル規模で普及することです。
モノリシックL1ブロックチェーンは持続可能ではなく、必要なスループットを達成することは事実上不可能であり、目標とは何桁もかけ離れているのです。しかし、もはやこれは問題ではありません。ブロックチェーンをスケールさせるには、モジュラーアーキテクチャとデータ可用性サンプリング（DAS）が必要です。 これほど明確なことはかつてありませんでした。この事実を業界全体が早く認識し、その方向へ移行すればするほど、ブロックチェーン業界の未来は明るくなります。
はい、これはあくまで私の個人的な見解です。いつも通り、この記事は専門的な研究論文というよりは、アマチュア的な思考の流れとして読んでください。
モノリシックL1ブロックチェーン（依然として）非常に非効率的である
私は2020年からRollupに関する考察を書き始め、昨年の同時期にはブログを投稿しました。当時の主流の主張は、「Cardano／他のL1スマートコントラクトプラットフォームがまもなく到来し、ユーザーが一晩にしてイーサリアムから他のL1ネットワークへ大規模に移行するだろう」というものでした。
その後の主張は、「L2は一時的な回避策にすぎず、拡張の唯一の方法はL1だ」というものでした。
しかし、2021年末に行われた最も穏やかなテストでも、これらの代替L1ネットワークの物語は驚くべき速さで崩壊しました：
1. バイナンススマートチェーン（BSC）は、ステート膨張によりシステム要件が高くなりました。その結果、ノードが同期しなくなり、多くの問題が発生しました。問題は、当初設定されたシステム要件が非常に低かったにもかかわらず、ステート膨張に伴って要件が指数関数的に増加することを周知しなかったことです。現在、十分な監査やテストを行わず、無謀なネットワーク変更を続けています。もちろん、Erigonに切り替えて複数のチェーンを持つことで多少の改善はありますが、根本的な制限は常に存在します。
2. Solanaはこのような過ちを犯していません。最初から高いハードウェア要件を明確に開示しています。ここでSolanaのさまざまな失敗や問題を批判するつもりはありません。それは基本的に初期のベータ版製品だからです。バグや問題は、RollupであろうとdAppであろうとモノリシックL1であろうと、ベータ版プロジェクトでは常に発生します。ただ開発者が修正してくれることを願っています。しかし問題は、Solanaが成熟し、テストによってバグが取り除かれ、手数料市場が実装されたとしても、スループットの増加は技術的・経済的に大きなコストを伴うということです。Solanaは本質的にスケーラブルではありません。Optimistic RollupはSolanaよりもはるかに優れたソリューションであり、短期間で成熟していくでしょう。
3. Polygon PoSは、イーサリアムに次いで最も広く採用されているチェーンと言えるかもしれません。Polygon PoSは厳密には「コミットチェーン」であり、代替L1チェーンではありませんが、それでもモノリシックチェーンであり、L1と同じ非効率性の制約を受けます。Polygon PoSは限界に達し、スパム取引の影響を受け、最低ガス価格を引き上げました。それでもなお、多くのプロジェクトがスパムを送り込み、ガス価格が0.1ドル以上に跳ね上がりました。明確にしておくと、これはSolanaやCardanoよりもはるかに良い結果です。なぜなら、SolanaやCardanoでは混雑時に99%のトランザクションが失敗し、微小なMEVロボットだけが成功するからです。称賛すべき点は、他のモノリシックブロックチェーンとは異なり、Polygonチームがこうした制限を公然と認め、すべてのエネルギーをZK-Rollupに注いでいることです。これこそが真のスケーラビリティを実現します。行動は言葉に勝ります。ゼロナレッジ技術に10億ドルを投資するというPolygonチームの決断は賞賛に値します。
4. Cardanoについては、彼らもSolanaと同様、非常に初期のベータ製品であり、手数料市場の実装が必要です。Cardanoのシステム要件はまだ低いままです。最近、CardanoコミュニティがRollupに対して関心を高めているのを見て嬉しく思います！しかし、Cardano自体がデータ可用性サンプリングを実装しない限り、これらすべては無意味です。
5. 我々はまた、多くの他のプロジェクトが喧伝された成果を達成できていないことも見てきました。ブロックスペースが飽和するたびに、Avalanche C-Chainの手数料は急騰します。これはつまり、モノリシックブロックチェーンの基本的な特徴です。サブネットはセキュリティまたは非中央集権化の断片化を引き起こし、同様に深刻な制限（すなわち手数料の急騰）に直面します。Avalancheの「オンラインプルーニング」（過去の履歴取引をノードが圧縮すること）については、様子を見ましょう。これはGethの「オフラインプルーニング」を実現し、より頻繁な削除を行うように見えるかもしれません。これはGethにとって良い補完となる可能性がありますが、ステート膨張の根本的な制限を解決できるわけではありません。すでにHarmonyの失敗なども目にしています。一方で、次の世代のスケーラビリティソリューションを構築しているプロジェクトも強調したいと思います：イーサリアム、Tezos、Celestia、Polygon Availによるデータ可用性サンプリング；MinaやAleoによる有効性証明；そして多数のRollupソリューション—今や毎週新しいRollupが登場しているようです。我々はすでに「モジュラーアーキテクチャ」の時代に入っていることが明らかです。新しいモノリシックL1ブロックチェーンを真剣に構築しようとする人はほとんどいません。緊急時には、PolkadotやNEARのような「プロトタイプモジュラー」プロジェクトが中期的なソリューションとなり、前述の多くの問題を解決できないものの、持続可能性と安全性を維持しています。もし持続可能性や安全性に興味がないなら、Dfinity/ICPが面白いものを構築しています。
6. 明確にしておきたいのは、モノリシックL1ブロックチェーンにも前進の道があるということです：次世代技術へのアップグレードです。例えば、Avalancheは基盤に「データ可用性サンプリングサブネット」を実装し、検証者セット全体で検証を行い、モジュラーな実行レイヤーを導入できます。それが彼らのロードマップで優先されない限り、私はこの主張を業界全体が普遍的に受け入れるまで続けます。
7. また、すべてのチェーンがRollupや何らかのモジュラー設計である必要はないことも明言しておきます。セキュリティが重要でなく、Rollupでは実現が難しかったり不可能な新機能を実現したい場合、主権を持つL1チェーンにも存在意義があります。もちろんこれはニッチな市場ですが、現実に存在します。Cosmosエコシステムはこの点で優れています。Polygon Edgeも魅力的なソリューションを構築しており、これらのチェーンが有効であることが証明され、IBC（チェーン間通信）が有効性証明の検証に対応するよう進化することを願っています。L1間の「ブリッジ」も同様です。たとえ=nil; Foundationが構築している「Mina <> Ethereum ブリッジ」のように有効性において完全に証明されたL1間ブリッジであっても、脆弱なチェーン（Mina）が攻撃されないことを前提としなければなりません。一方、Rollupのブリッジは、脆弱なRollupが攻撃された場合でも、強力なベースチェーンのセキュリティを継承できるため、完全なセキュリティ保証を提供できます。
8. 最後に、タイミングの議論が重要です。現時点ではOptimistic Rollupはまだ準備ができていません。そのため、非ベータ段階ではないこれらのモノリシックL1ブロックチェーンを使うことには意味があります。ただし、Optimistic RollupもモノリシックL1チェーンも、それぞれ成熟度・不安定性のレベルが異なるため、個別の状況で評価する必要があります。しかし、この点については本稿で深入りしません。私の関心は長期的に、ブロックチェーンがどのように大規模かつ持続可能にスケールできるかにあるからです。しかしOptimistic Rollupは急速に成熟しており、持続可能なソリューションになる道筋は明確です。必要なのは工学的努力だけです。おそらく少なくとも1つのOptimistic Rollupが完全な非中央集権化を達成し、データ圧縮を実現し、高流動性のブリッジを持ち、1年以内にスケールするでしょう。Optimistic Rollupがその黄金期を迎えるとき、すべてのモノリシックL1ネットワークのゲームは終わります。
過去、私は非常に長期的な視点を持っていましたので、ZK-Rollupをやや楽観的に論じていたかもしれません。
私は常々、ZK-Rollupが最終的な形になると考えており、すべてのOptimistic RollupはいずれZK-Rollupに移行するか、詐欺証明システムを有効性証明に置き換えるだろうと思っていました。ただ、それは3年後のことかもしれません。
上記第一部分の結論は、モノリシックL1ブロックチェーンは行き止まりであり、その証拠は圧倒的であるということです。これを徹底的に強調したいと思います。以下が本稿の第二部で、主にイーサリアムを中心に述べます。なぜなら、すべてのRollup革新の中心地がイーサリアムであり、最も野心的なスケーラビリティロードマップを持っているからです。
Optimistic Rollups 対 ZK-Rollups
さて、Optimistic RollupsとZK-Rollupsについて話しましょう。
ちなみに、最近Obscuro（TEE Rollup）やUrbitのNaive Rollupを知りました。
Rollupの設計空間は白紙のキャンバスであり、さまざまな種類のRollupが存在可能です！しかし、ここでは特に詐欺証明（Optimistic Rollup）と有効性証明（ZK-Rollup）に基づくセキュアなRollupについて述べます。
取引手数料
アプリケーション固有のRollupから始めましょう。明らかに、ZK-Rollupがこの分野でリードしています。Loopring、zkSyncなどの支払い領域では、ERC-20トークン転送の手数料は約0.10ドルです。本稿執筆時点で、ZK-Rollup技術を用いた分散型取引所ZigZagの固定手数料はGas手数料と取引手数料を含め0.28ドルです。一方、分散型デリバティブ取引所dYdXはユーザー向けGas手数料を課していませんが、取引手数料を計算できます。取引量が多い時期には、1取引あたりイーサリアムに支払うGas手数料は0.08ドル、取引量が少ない日は約0.10ドルです。
現在、Optimistic Rollupもこの範囲の手数料を提供できる可能性があります。実際、Worldcoinプロジェクトが使用予定のHubble（Optimistic RollupベースのL2）では、ERC-20転送手数料が現在0.10ドル未満です。続いてスマートコントラクトRollupに移りましょう。なぜ現在のOptimismやArbitrumの手数料がこれほど高いのでしょうか？本稿執筆時点で、Lefees.infoのデータによると、Optimismでのトークン交換手数料は0.85ドル、Arbitrumでは1.35ドルと、非常に高額です！
答えは簡単です：これらのOptimistic Rollup自体がまだ最適化されておらず、早期にOptimistic Rollup上で展開されたdAppの多くは、イーサリアム上の既存プロジェクトのフォークであり、Optimistic Rollup向けに設計されたものではありません。最近、Optimistic Rollup向けに特別に最適化されたAave V3が、手数料を約10倍削減することに成功しました！
さらに多くの最適化が行われます。署名の集約／圧縮により、各取引で直接約1,000 Gasの節約が可能です。calldataの基本的な圧縮は2.5倍の節約をもたらし、さらに高度なスキームも登場します。Optimistic Rollupおよびその上に展開されるdAppの最適化が進めば、Optimistic Rollupの取引手数料は容易に0.01～0.10ドルの範囲に到達できます。
待ってください、これはイーサリアムロードマップのThe Surgeフェーズ（シャーディングを通じてRollupのスケーラビリティを大幅に向上）が来る前の話です！2022年末のイーサリアム上海ハードフォークアップグレード（マージ後の初のアップグレード）が順調に進めば、第一歩としてVitalikが提案した新しいトランザクション形式である「blobを運ぶトランザクション」が導入され、calldataのコストはほぼゼロになります。そうなると、Optimistic Rollupは実質的にさらに安くなるのです！
今日、ZK-Rollupには高い固定コストがあります。現在、ZK-Rollupが安価なのは、calldataコストがこの固定コストを上回っているためです。しかし、calldataコストが無視できるほど小さくなれば、取引手数料は完全にZK-Rollupの固定コストに支配されます。そしてZK-Rollupの運用コストははるかに高いのです。
もちろん、さまざまな証明システムがありコストも異なりますが、一般的な推定は0.01～0.02ドルです。これがZK-Rollupの最低コストとなります。しかし、Optimistic Rollupは自由にそれより下まで下げられます。成熟したOptimistic Rollupのコストの99%はcalldataコストであるため、~5200 TPSのblobspaceを微小なコストで利用できます。
ちなみに、Optimistic RollupはValidium（データ可用性をオンチェーン外に保持）よりも安価になります。なぜなら、この最低コストはValidiumにも適用されるからです！zkPorter（Validiumの一種）の取引コストは0.01～0.03ドル程度だと考えますが、Optimistic Rollupのコストはそれよりはるかに低くできます。個人的には取引品質の観点からこの方式の使用は推奨しませんが、この場合Optimistic Rollupは最終的により高い「利益」を得られ、それを関係者に再分配したり、公共財の資金調達や開発に使ったりできます。
もちろん、最終的には~5200 TPSが飽和し、それ以上の需要があればcalldataコストは再び上昇します。しかし、その頃にはDankshardingが導入され、まずこの空間を125,000 TPSまで拡大し、数年以内に数百万TPSまで拡大します。（ちなみに、Rollupの議論では「TPS」という数字にあまり意味はありませんが、説明目的では役立ちます。）長期的には、calldataコストは絶対にボトルネックになりません。ボトルネックはRollup自体になります。繰り返しますが、ボトルネックはRollup自体であり、イーサリアムではありません。
長期的には、ZK-Rollupが成熟し、ASICプローバーが登場することで、ZK-Rollupのコストも無視できるほど小さくなります。そのとき、ZK-Rollupの利点——とりわけ即時出金（待機不要）——が勝ちます。dYdXのように状態増分が高度に圧縮されるユースケースでは、すぐにOptimistic Rollupよりはるかに安価になります。
ファイナリティ（確定性）
ここでよくある誤解は、「Optimistic Rollupには7日間のロック期間がある」というものです。しかし実際には、Optimistic RollupはZK-Rollupよりも早くL1と同じファイナリティを実現します。すでにOptimistic Rollupは5～10分ごとにトランザクションバッチを提出しており、これが遅延です。7日間はこのファイナリティを維持するために設けられており、少なくとも1つの主体がその維持に努めるという仮定の下にあります。Optimistic Rollupが拡大すれば、トランザクションバッチの提出はさらに頻繁になり、約20 TPSに達すれば各ブロックで提出できるようになります。この時点で、Optimistic RollupのファイナリティはL1と同等になります。ZK-Rollupは固定コストが高いため、各ブロックでの提出にはより多くの活動（>100 TPS）が必要です。しかし、Vitalikが提案したblobトランザクションのEIPにより、ZK-Rollupは一部の証明をblobに提出するように再設計できるため、これはもはや問題にならないかもしれません。
では、Optimistic Rollupの7日間とは何か？チャレンジ期間が7日間のため、Optimistic RollupからL1への出金取引のみが実際に7日間のロック期間を持ちます。NFTのクロスチェーンなど特定の用途ではこれが課題になるかもしれません。しかし、Optimistic Rollup上で動作する多数の「ブリッジ」がすでに登場しており、Optimistic Rollupが成熟すれば活動量と流動性が高まり、7日間のチャレンジ期間はもはや問題ではなくなります。むしろ大きなのは、ZK-RollupがOptimistic Rollupでは実現不可能な多くの新しいユースケースやクロスRollup活動をサポートできる点です。
例えば、Dankshardingにより、ZK-RollupはL1を同期的に呼び出すことができます。crListsを通じてL1の事前確定を実現すれば、異なるZK-Rollup間の一定程度のコンポーザビリティさえ可能になるかもしれません！Optimistic Rollupはこうした新しく革新的なシナリオから除外されます。付録：Optimistic Rollupでもプライバシー取引は可能ですが、ZK-Rollupははるかに低いコストで同様の取引が可能です。
スループット
アプリケーション固有のRollupは非常にスリムで、大規模に拡張可能です。間違えていなければ、2020年半ばにStarkExは9000～18000 TPSを実演しました。しかし、スマートコントラクトRollupの場合はより困難です。StarkNetはdYdXやImmutable Xよりも低いスループットしか達成できず、スループット最適化を最優先課題としています。OptimismとArbitrumはどちらもEVMクライアントに基づいているため、a) 実績のあるコードベースを持ち、b) 比較的最適化されたクライアントです。数日前、並列処理が必要になる前にEVMがどこまでスケールできるか尋ねたところ、Alexey SharpはErigonが5億Gas/秒までスケールできると考えていました。したがって、EVMベースのOptimistic Rollupの最適化には大きな余地があり、マルチスレッドクライアントや複数インスタンス／再帰Rollupによりさらなる拡張が可能です。
ここが議論の核心です：Optimistic Rollupは「誠実な少数」の仮定を持っているため、システム要件を極端に押し上げることはできません。明確にしておくと、これはモノリシックL1の「誠実な大多数」の仮定ではなく、「誠実な少数」の仮定であるため、Optimistic RollupはどのモノリシックL1よりも安全です。しかし、依然として制限が必要であり、その制限はデフォルトでZK-Rollupより低くなる必要があります。なぜなら、ZK-Rollupは有効性証明で簡単に検証できるからです。
しかしOptimistic Rollupには解決策があります——ステートレスクライアントです。Optimismのロードマップで見た記憶がありますが、どこだったか忘れました。ステートレスクライアントを使えば、Optimistic Rollupの検証は非常に簡単になり、適切なツールを使えば取引検証も非常にシンプルになります。さらに、L1から直接Rollupの状態を再構築できるため、ステート期限切れを利用してL1よりも積極的に対処できます。ステートレス性と高頻度のステート期限切れが実現すれば、Rollupはすでにステート膨張という重大な問題を克服したことになります！さらにFuel V2のようなUTXOに似たシステムで並列化する新しいソリューションもあります。
とはいえ、再帰的有効性証明を通じて、ZK-Rollupはネットワークの最大スループットを達成するより洗練されたソリューションです。StarkNet自体が成熟するにつれ、その上に構築されたアプリケーション固有のZK-Rollupが巨大なスループットを実現し、全体としてStarkNetの規模がどのOptimistic Rollupよりもはるかに大きくなる可能性があります。ただし、その代償はアトミックコンポーザビリティです——ZK-Rollupチームの指導者がこれを早急に解決しない限り。
まとめ
結局のところ、すべてはタイムラインの問題です。
アプリケーション固有のチェーンに関しては、ZK-Rollupはすでにほとんどのケースで最適解です。dYdX、zkSync、Loopring、Immutable Xを使ったことがある人にとっては明らかでしょう。トレードオフはありますが、これらはすべて今年末までに完了する予定です（例：dYdX V4）。
スマートコントラクト：モノリシックL1チェーンにはあと1年ほどの関連性があります。これらのモノリシックL1にとって不吉な兆候はすでに確定しており、詐欺証明、有効性証明、DA（データ可用性）証明の導入に緊急に舵を切る以外に道はありません。
Optimistic RollupはZK-Rollupよりも早くスケールするでしょう。Optimistic Rollupの多くのコードベースはすでに成熟しており、sequencerとアップグレード性が非中央集権化されれば、大規模採用の準備が整います。2022年末までに、Optimistic Rollupは1セント未満のガス手数料、完全な非中央集権化を達成し、本質的にイーサリアムL1と同等のセキュリティとファイナリティを持ち、迅速な出金に十分な流動性を備えるでしょう。さらに2023年にステートレス性とステート期限切れが実装されれば、Optimistic Rollupはさらに改善を続けます。
ZK-Rollupは進化を続け、成熟し、長期間テストされ、証明時間を最適化し、GPUプローバーへ移行し、最終的にはASICプローバーへと移行します。それらの新しい仮想マシンやsequencerノードも時間とともに成熟し、拡張されます。2023年末までに、ZK-RollupがOptimistic Rollupに追いつき、置き換えると予想します。しかしOptimistic Rollupは2024～2025年までは役割を果たし続けます。その頃には、ほとんどのOptimistic RollupがZK-Rollupに移行するか、少なくとも詐欺証明システムを有効性証明に置き換えると考えています。
何度も言ってきましたが、私の時間枠は5～10年です。しかし、RollupとDAS（データ可用性サンプリング）の発展はあまりに速く、その結末が目前に迫っており、5年以内に起こると今では考えています。
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