イーサリアムのアップグレードの道

著者： IOBC Capital

イーサリアムの位置付けは世界のコンピュータであり、この目標を達成するために、開発者は誕生当初からアップグレードの道筋を計画しました。それは、Frontier（フロンティア）、Homestead（ホームステッド）、Metropolis（メトロポリス）、Serenity（セレニティ）の4つの段階です。

現在、ネットワーク全体は第3段階に達しており、最初の3つの段階はイーサリアム1.0に属し、最後の段階であるSerenityは、私たちがよく耳にするイーサリアム2.0（誤解を避けるために、イーサリアムの公式はイーサリアム2.0という表現を廃止しましたが、本記事ではこの慣用表現を継続します）です。

イーサリアム2.0のアップグレードは、イーサリアムの発展過程で生じたネットワーク全体の発展を制限するいくつかの問題を解決するために行われます。主な問題は以下の3つです。

• まず、マイニングによる高エネルギー消費です。PoW（Proof of Work、作業証明）メカニズムをコンセンサスメカニズムとして採用しているため、イーサリアムはノードに計算能力を提供させてマイニングを行う必要があります。さまざまなマイニング機器の計算プロセスは大量の電力を消費するため、ネットワークの運用が十分に環境に優しくないと批判されることがよくあります。
• 次に、性能の問題です。現在、イーサリアムチェーンのブロック生成速度は約12〜15秒に1ブロックで、TPS（Transaction per second、毎秒処理取引数）は約15程度です。この処理速度では、通常の商業アプリケーションを支えるには不十分です。イーサリアムネットワークで時折発生する混雑も、発展を制限しています。
• 第三は使用料金の問題です。イーサリアムネットワークを使用するには、ネットワークを維持するマイナーにガス料金を支払う必要があり、通常は数ドルから数十ドルで、ネットワークの混雑状況によって異なります。最も多い時には数百ドルに達することもあります。高額なガス料金のため、一部のプロトコルはイーサリアムの競合相手であるSolanaやNearなどのパブリックチェーンに移行しています。

これらの問題に対処するために、開発者コミュニティはイーサリアム2.0のアップグレードのためにいくつかのステップを計画しました。以下では、イーサリアム2.0のアップグレードのロードマップについて紹介します。

イーサリアム2.0ロードマップ

イーサリアム2.0のロードマップは、パラレルチェーン—ビーコーチェーン、マージ、シャーディングの3つのステップを主に含んでいます。前の2つのステップの目的は、ネットワーク全体のコンセンサスメカニズムをPoWからPoS（Proof of Stake、持分証明）に移行することです。最後のステップは、イーサリアムネットワーク全体の性能を改善し、拡張性を高めることです。

1. パラレルチェーン—ビーコーチェーン

コンセンサスメカニズムのスムーズな移行を実現するために、2020年12月1日、イーサリアムは現在のPoWメインネットが稼働している間に、まずビーコーチェーン（Beacon Chain）という並行して稼働するチェーンを起動しました。ビーコーチェーンはPoSをコンセンサスメカニズムとして、メインネットから独立して稼働します。参加者はチェーン上のスマートコントラクトに32ETHをステーキングして持分証明を行い、審査を経てバリデーターリストに入ります。ビーコーチェーンでは、バリデーターがマイナーの役割を代替し、チェーンの構築者となります。

PoWメカニズムでは、ノードは計算を通じて次のブロックを生成しますが、PoSメカニズムのビーコーチェーンでは、次のブロックの生成はバリデーターによって選ばれます。この選択はランダム性を持ち、1人のバリデーターによって決定されることはありません。これは分散型の特徴を反映しています。バリデーターが良好なパフォーマンスを示せば報酬を得られますが、悪行を働いた場合、システムは彼らがステーキングした32ETHの一部を差し引きます。ステーキングされたETHが16未満になると、彼らはバリデーターリストから除外されます。

マージの前、つまり現在のこの段階では、イーサリアムはPoWとPoSの並行稼働の段階にあります。PoSの並行チェーンを事前に起動した主な理由は、現在稼働しているPoWチェーンへの影響をできるだけ減らし、コンセンサスの移行がネットワークに与える衝撃を軽減すること、そして新しいPoSネットワークがステーキングされたETHを十分に収集するための時間を確保し、ネットワークの安全な運用を保証することです。

2. マージ（Merge）

イーサリアム2.0でよく言及されるマージ（Merge）は、PoWのメインネット（イーサリアムが取引を処理する実行層）とPoSのビーコーチェーン（イーサリアム公式がコンセンサス層と呼ぶ）を統合することです。イーサリアムのマージは、まずテストネットでテストを行う必要があります。テスト中に問題が発見された場合、ノードは状況に応じて修正を行います。

現在、イーサリアムのテストネットRopstenとSepoliaはそれぞれ6月9日と7月6日にマージを完了しました。残るGoerliテストネットも近日中にマージを行う予定です。すべてが順調に進めば、イーサリアムの正式ネットワークは9月中旬にマージを終了します。その後、PoWメカニズムは廃止され、ネットワーク全体はPoSによって新しいブロックを生成します。

コンセンサスメカニズムの切り替えが成功することを確保するために、イーサリアムの開発者は難易度爆弾を実施することを提案しました。これは、PoWのマイニングの難易度を上げるためです。難易度爆弾は2015年にイーサリアムのコードに追加され、指定されたブロック数でPoWアルゴリズムの問題の難易度を上げ、ブロック生成にかかる時間を長くし、マイニングを困難にすることで、マイナーの報酬を減少させ、彼らの積極性を失わせることを目的としています。難易度爆弾が実施されると、マイナーは利益を得られなくなり、元のPoWネットワークは継続して運用できなくなります。

3. シャーディング

コンセンサスメカニズムの変化だけではイーサリアムの性能を向上させることはできず、性能の向上はシャーディングを通じて実現されます。シャーディングはデータベースのパーティショニングの概念で、ストレージを最適化し、迅速に処理するために、組織のネットワークを小さなパーティションに分割し、データベースを水平に分割し、負荷を分散させます。各シャードは独自のデータを持ち、複数のシャードが並行して処理されることで、ネットワークの混雑を減少させ、TPSを増加させ、ネットワークの拡張性を実現します。

イーサリアムの初期のシャーディング計画は、メインネットを64のシャードに分割するもので、各シャードには独立したブロック提案者と委員会が存在します。ブロック提案者と委員会はランダムに選ばれ、ランダムに割り当てられます。ブロック提案者は取引プールからブロックに含める取引を選択し、委員会の3分の2の同意票を得ると、ブロックがチェーンに追加されます。

この初期のシャーディング計画は、イーサリアムのメインチェーンの性能を拡張することを目的としていました。しかし、実行は非常に複雑であり、数年の間にLayer2が急速に発展し、Rollupが多様化したため、Vitalikを中心とするイーサリアムの開発者たちはこの元の計画を徐々に放棄し、新しい技術選択に移行しました。つまり、イーサリアムのメインネットで直接シャーディングを行い、より多くの取引を処理することを追求するのではなく、Rollupを中心にして、Rollupが取引レベルでの拡張を行い、メインチェーンはRollupにデータの可用性を提供する基盤チェーンのロードマップに変更しました。

新しい計画では、イーサリアムの目標は拡張可能なデータ可用性層として機能することです。これは最終的な決済と記録と簡単に理解できます。メインチェーンの拡張は、ブロックのデータ容量を拡大することに焦点を当て、チェーン上の計算効率を向上させることではありません。つまり、イーサリアムのシャーディングは、Rollupをサポートするためにより多くのデータblob（二進数大オブジェクト）スペースを提供することを目的としています。イーサリアムはこれらのデータを解釈する必要はなく、Rollupの計算と証明結果を収集し、データの可用性を確保します。より多くの計算実行と取引の有効性はLayer2のRollupによって実現されます。具体的には、Rollupが取引の計算と検証を行い、検証が完了した複数の取引と証明結果を1つのパッケージにまとめ、メインチェーンのブロックはこれらのパッケージのみを記録します。

1つのブロックに複数のRollupから生成されたパッケージを含めることができるため、将来的にはイーサリアム上にさまざまなRollupが存在し、ネットワーク全体の拡張を実行します。現在の主流はzkRollupとOptimistic Rollupで、それぞれ有効性証明と詐欺証明の2つの証明方式に対応しています。

イーサリアム2.0アップグレードの影響

エネルギー消費の削減

PoSメカニズムに切り替えた後、ネットワーク全体は大量の電力を消費するマイナーのノードに依存しなくなり、環境に優しくなります。PoSメカニズム下のノードのエネルギー効率はPoWよりも99%以上高いため、PoSネットワークのエネルギー効率は大幅に向上します。PoWメカニズムを採用しているとき、マイナーのノードは複雑な数学的計算を行うために強力で高エネルギー消費のハードウェアを必要とし、計算を最初に完了した者がブロックを構築し、ブロック報酬を得る資格を得ます。このような状況では、マイナーは最大の利益を得るために24時間フル稼働でマイニング機器を運転しなければなりません。これらの高エネルギー消費の機器は、電力の需要が非常に大きいことは間違いありません。

PoSネットワークでは、ブロックの提案者はランダムに選ばれ、大量のマイニングハードウェアを競争させる必要がなくなるため、巨大な電力消費も不要になります。

ETHの生産量

イーサリアムがPoWコンセンサスからPoSに移行すると、マイナー報酬はもはや発生せず、代わりにステーキング報酬が得られます。そのため、ETHの発行率は90%減少します。この状況は「トリプルハルベニング」と呼ばれ、3回のビットコインの半減期が同時に発生するのに相当します。イーサリアムは発行量が瞬時に減少し、ステーキング中のETHが市場に流入しないため、ETHはデフレの段階に入ります。

ETHのステーキング

マージが完了した後、より多くのユーザーが自分のETHをステーキングすることを選択するでしょう。なぜなら、ほぼリスクのないステーキング報酬を得られるからです。推定によれば、ステーキングされたETHの年利回りは約4%です。Krakenの「2022年第1四半期ステーキング状況」レポートでは、イーサリアムがマージを完了した後、ステーキングユーザーの年利回りが8.5%〜11.5%に達する可能性があると予測しています。

また、ステーキングの需要が増加するため、ステーキングサービスの分野はブレイクスルーを迎えると予想されます。現在、1300万以上のETHがビーコーチェーンにステーキングされており、イーサリアムの総量の10%を超え、41万人のバリデーターがステーキングに参加しています。

ネットワークは最低32ETHをステーキングする必要があり、ノードデバイスを運用するには一定の技術と資金のハードルがあるため、ステーキングサービスプロバイダーを選択することは、自分でステーキングするよりもはるかに魅力的です。現在のステーキング市場のリーダーであるLido（前述のstETHの割引に関する話から始まる-stETHの価格設定、流動性、リスク）は、流動的なステーキング市場で90%以上のシェアを占めています。

マイナー

イーサリアムのマージ後、元のPoWチェーンは徐々に廃止され、元のマイナーの行く先も重要な関心事となります。暗号の世界で2番目に大きなマイニングエコシステムであるマイナーたちは、どのような選択をするのでしょうか？元のチェーンをフォークするのか、それともETCに移行して掘り続けるのか？イーサリアムのフォークチェーンであるイーサクラシックは、イーサリアムのマイニング機器を使用してマイニングできますが、イーサクラシックが処理できる計算能力には限界があります。まず、ETCの価格が比較的低いため、マイニングのコストと利益のバランスが難しく、さらにマージ後に大量の計算能力が流入すれば競争が激化し、マイナーの収入がさらに削減されるでしょう。また、フォーク元のチェーンの選択肢は、難易度爆弾の設計に制約され、実施が難しい可能性があります。

結論

イーサリアムのマージは間近に迫っています。アップグレードの計画は何度も変更されましたが、現在のところ、進展は基本的に順調です。ブロックチェーンの世界で最も影響力があり、最も多くの開発者を持つパブリックチェーンとして、イーサリアムのアップグレードは間違いなく巨大な影響を与えるでしょう。イーサリアム2.0の到来とともに、パブリックチェーンの発展も新しい章に突入し、イーサリアムのユーザーを長い間悩ませてきた低性能、高コスト、高エネルギー消費の問題が、一連のアップグレードを通じて解決されることが期待されます。これから起こるすべてのことに、私たちは期待を寄せています。