Beam Chain: 以太坊的下一代升級

2024年的Devcon大會在曼谷圓滿落幕，吸引了以太坊生態系統的衆多參與者。會上，各種創新理念和前沿趨勢引發了全球Web3界的熱烈討論。

其中，以太坊基金會研究員Justin Drake提出的"以太坊3.0"概念尤爲引人注目。這個被稱爲Beam Chain的共識層升級方案，旨在通過零知識證明技術降低驗證者的計算和通信成本，從而降低參與門檻，吸引更多驗證者加入網路。這不僅有望提升網路安全性，還能減少計算冗餘，提高整體效率。同時，Drake希望借此機會解決Beacon鏈中的歷史技術債務，並爲未來可能出現的量子計算威脅做好準備。

Beam Chain的提出與Vitalik Buterin此前描繪的The Verge路線圖不謀而合。The Verge路線圖中就包含了對以太坊進行Snark化改造的計劃，涵蓋共識層和執行層。Vitalik最近也承認，共識層的改造是一個重大挑戰，需要持續的思考和優化。

Beam Chain主要聚焦於共識層的改造。這一過程並不需要對所有部分進行徹底重構，而是將核心的狀態轉換函數Snark化。具體來說，這涉及per-slot、per-block和per-epoch三個狀態轉換函數，包括共識算法執行、區塊提議、執行層結果驗證、Merkle樹根驗證、共識籤名驗證/聚合、哈希計算以及質押相關操作等。值得注意的是，以太坊在推進Snark化的同時，仍然堅持去中心化和多樣性的原則，允許提議者自主選擇ZK算法和協議。

實現Beam Chain構想的核心挑戰在於提升證明效率，目標是將當前需要幾十甚至上百秒的證明時間壓縮到秒級。爲此，業界正在探索使用ASIC加速方法，希望在芯片層面完成從證據生成到證明的全流程，以期在未來幾年內將證明生成時間提升十倍以上，實現實時證明。

目前，多個研究團隊正在積極推進零知識證明技術的性能優化和應用拓展。有機構利用GPU、FPGA和ASIC等硬件平台對ZK證明進行加速，涵蓋了多種ZK系統，部分核心算子已實現百倍以上的加速比。同時，在AI與ZK結合的領域，也取得了顯著進展，如將zkLLM的首token生成時間從4小時縮短到約18分鍾。

此外，爲應對量子計算的潛在威脅，一些團隊已開發出支持多個NIST標準後量子算法的密碼庫，並通過優化共識流程和內存讀取，使抗量子區塊鏈的TPS能夠達到原鏈的50%左右。

隨着Beam Chain提案的推進，基於零知識證明的虛擬機有望在以太坊生態中扮演更加重要的角色。通過引入SNARK證明和後量子密碼學，結合更低的質押門檻和更快的區塊確認時間，Beam Chain有望爲以太坊帶來更強的去中心化特性和更高的性能表現。這一發展將與執行層的Snark化努力相輔相成，共同推動以太坊向更高效、更安全的方向演進。