イーサリアムからAptosへ、「三角難題」の究極の答えを見つけるのは誰か？

原題：《Ethereum -> Solana -> Aptos: 高性能競争が始まる》

編纂：SevenUp DAO

主な結論：

• 我々はL1設計のトレードオフに関する第一原理のフレームワークを提案します：高性能の三難のジレンマ。（上図参照）
• イーサリアムと比較して、ソラナの過激な低冗長設計はその高性能を説明するだけでなく、低信頼性も説明します。
• アプトス、2億ドルの全明星シードラウンド資金調達を受けた新しいL1は、高性能L1分野でソラナの独占に挑戦する準備が整っています。ソラナと比較して、アプトスはより高いノードハードウェア要件の代償として、より多くの信頼性を追加しています。
• 我々は特定のアプリケーションに対して最適化することがL1の未来であると信じています。三難の問題を考慮すると、どのチェーンもすべてのアプリケーションシナリオに適合する万能設計を達成することはできません。我々の以前のクロスチェーン記事に基づいて、ブロックチェーンアプリケーションの開発者が技術選択を考慮するための「三つの質問」のQ&Aマニュアルを提案します。

記事で言及されるプロジェクトには以下が含まれます：

ソラナ、アプトス、イーサリアム、スタークウェア、zkSync、セリウム、メタプレックス

第1部：ソラナ高性能の秘密

この部分には以下が含まれます：

• 現在まで、ソラナは唯一の高性能ブロックチェーンとして独占的な地位を維持しています。
• ソラナの設計遺伝子は、理想的な状況でのネットワーク性能を過激に最適化することです：並列計算、冗長性の削減、より高いブロック生成率。

ソラナを特別なものにしているのは何ですか？

ビザの65,000 TPSの容量に近い唯一のブロックチェーンとして、ソラナはウォール街とシリコンバレーの支持を受け、大規模なブロックチェーンサービスの適用を試みています。

ソラナは、いくつかのチューリング賞の魔法によってTPSを実現したわけではありません（ゼロ知識証明とは異なり、これは我々がこれから議論するもう一つの重要なトピックです）。むしろ、ソラナは性能と信頼性の間で一連の設計トレードオフを行いました。第1部ではソラナの性能について、第2部では信頼性のコストについて議論します。

設計選択1：並列計算。

イーサリアム仮想マシン（EVM）は単一スレッドです------EVMは1つのCPUコアを利用して取引を順次処理することしかできません。単一コアから発生する熱は、速度が上がるにつれて指数関数的に増加するため、物理学的に単一コア性能の上限は非常に低いです。

解決策は何ですか？より多くのコア！8つの2GHzコアは、1つの8GHzコアよりも温度がはるかに低く、より強力です。2007年、インテルはデュアルコアのペンティウムプロセッサを発表し、単一コア時代を終わらせました。今日のコンピュータ消費者は、4から4096のコアを持つGPUとCPUを所有しています。より多くのコアがより良く協力することが、より強力な単一コアを持つことよりも、半導体業界の研究の中心になっています。

ネイティブなマルチスレッドを実現するために、ソラナはEVMの互換性を放棄しなければなりませんでした。ソラナのスマートコントラクトは、Nvidia GPUの4096コアを利用して計算を並列に実行できます。

• 我々の見解：この[EVM v.s Multi-thread]の二元選択において、我々はEVMの互換性よりもマルチスレッドを好みます。我々は2027年のDAppが2007年の半導体技術しか使用できないのは非常に馬鹿げていると考えています。

EVM/Solidity関連の開発者の護城河問題を指摘する人もいるかもしれません。しかし、開発者は実際にはプログラミング言語を簡単に切り替えることができます。今日のほとんどのWeb 2アプリケーションと開発者が使用しているプログラミング言語はネイティブなマルチスレッドです。我々は、未来の開発者が現在の高GASと同様にEVMの神秘的な単一スレッドアーキテクチャに対して不満を抱くと考えています。（また、我々はEVM互換のロールアップソリューションのファンでもありません）。

設計選択2：決定的なリーダーノードのローテーションによる冗長性の削減

分散化には冗長性が必要です。Googleのような中央集権的なクラウドサービスでは、計算は一度だけ行われます------なぜなら、ユーザーはGoogleが正しいと信じているからです。

ブロックチェーンでは、誰も信頼できないため、すべてのデータは異なるノードによって計算および検証される必要があります。同じ計算が行われる追加の回数は、いわゆる間接コスト/冗長性です。冗長性を定量化するために、我々は[Big-O記法](https://en.wikipedia.org/wiki/BigOnotation#:~:text=Big Onotation is a,a particular value or infinity.)（大O記法、漸近記法）を使用します。[O(n\^2), O(n), O(log n)]のように、関数は、より多くのノードに拡張されるとネットワーク計算がどれほど複雑になるかを示します。例えば、ネットワークが成長するにつれて、O(n\^3)はO(n\^2)よりも数桁大きな冗長性を意味するかもしれません。

ビットコイン、イーサリアム、その他多くの単純なPoSチェーンでは、コンセンサスの冗長性は少なくともO(n\^2)であり、ノード数の二乗に比例します：各ブロックは、他のすべてのブロックの作業を転送、検証、比較する必要があります。

ソラナの場合、次のブロックを生成するのは指定されたリーダーノードだけです。（Gulf Stream、リーダーローテーションを参照）。この基盤の上に、ソラナはブロックを多くの小さなブロックに分割し、少数のノード検証者だけが各小ブロックを検証します（Turbineを参照）。すべてのノードがすべてのブロックを送信および検証する必要はありません。

ソラナのプロトコルは、ソラナの最良の状況での冗長性をO(n\^2)からO(log n)に削減します。これは計算複雑性理論において最も効率的な可能性です。この結果は本当に素晴らしいです。以下は（過度に単純化された）説明を考えてみましょう。

ネットワークAとBは他の点では同じで、100ノードで100k TPSを持っています。O(n\^2)ネットワークは、ノードが10倍増えるごとに性能が100倍低下します。O(log n)ネットワークは、ノードが10倍増えるごとに性能が約3倍低下します。10万ノードの時、2つのネットワークの性能は30,000倍の差が出ます。

この複雑性の低下は、イデオロギー的にも意味があります。この点において、我々はビタリックのソラナに対する批判が少し誤解を招くものであると考えています------ビタリックはソラナがハードウェア要件が高いために十分に分散化されていないと考えています。ソラナの4,000ドルのハードウェアコストは「すべてのユーザーが自分のマシンでソラナノードを運営する」ことを妨げています。このコストは間違いありません。しかし、長期的には計算コストはますます安くなり、ソラナの複雑性を低下させる設計は、ネットワークが耐え難く遅くなることなく100倍のノードを持つ可能性を持っています。

その他の設計選択：

支持者と批評者は、ソラナの他のいくつかの技術的特徴についても議論しました。我々はこれらの特徴がそれほど核心的ではないと考え、概括的に議論します：

3.1 投票取引がTPSにカウントされる

一部の批評者は、ソラナが検証者の投票を取引としてカウントすることで、TPSを人為的に増加させていると指摘しています。投票は確かに取引としてカウントされますが、これは表面的な問題に過ぎません。おそらくソラナは、TPSが60,000（投票取引を除外）であることを再確認すべきです。

3.2 吞吐量---より速いブロック生成時間とより大きなブロック

ビタリックとスタークウェアは、ソラナの性能改善が少し怠惰であると批判しています。なぜなら、ソラナは単に各ブロックを大きくし、ブロック時間を短くし、より高いハードウェア要件の代償でより多くの取引を収容しているからです。単純な数学がこれが全てではないことを教えてくれます。

• ソラナの最大ブロックサイズは10MBで、ETHの目標サイズ1MBの10倍です。
• ソラナのブロック生成時間は0.4秒で、イーサリアムの12秒の30倍です。
• 上記の2つの組み合わせは、ソラナに約300倍の怠惰な性能改善をもたらします。
• しかし実際には、ソラナのTPSは通常のイーサリアムのTPSよりも3000倍高いです。この残りの90%の性能向上は、我々が議論したソラナの並列計算と冗長性の削減によってより良く説明できます。

3.3 歴史的証明（POH）

ソラナはPOHを最大の革新として宣伝しています。長期的には、歴史的証明によりソラナはブロック時間を極端な400ms/ブロックに短縮できますが、実際には物理的なネットワーク遅延はしばしば400msを超えます。この機能の派手な名前は非同期合意であり、詳細はマルチコインの記事を参照してください。

設計選択のまとめ：ソラナの高性能の秘密

ブロックチェーンの最大スループットを決定する3つの重要な指標があります：ブロック生成率、並列計算、冗長性。

• 冗長性は、合計でどれだけのデータと計算量が必要かを決定します。つまり、総計算量 = 有効計算 + 冗長性；
• 並列計算は、ノードの計算速度を速くします；
• ブロック生成率は、一定期間内にブロックチェーンデータベースに保存できるデータ量を決定します。

ソラナはこれら3つの側面で大胆な設計選択を行いました：冗長性をO(n\^2)からO(log n)に；1コアから4096コアの並列計算、5MB/minから1500MB/minのブロック生成速度へ。これらがソラナの65,000TPSの背後にある主要な秘密です。次の章では、ソラナのこれらの選択のコストについて議論します。

第2部：ソラナ選択のコスト：柔軟性よりも性能を優先

この部分には以下が含まれます：

• ソラナの過激な性能最適化のDNAは、他のブロックチェーンよりも故障しやすくします。
• 我々は冗長性のジレンマを提案します：限られた計算能力を考慮すると、L1は性能と信頼性の間でトレードオフを行う必要があります。
• 冗長性のジレンマは、第3部の高性能三難問題のサブセットです。

頻繁なネットワーク事故

過去1年間で、ソラナは少なくとも4回の重大なネットワーク事故を経験しました。2021年9月の停止事故、2021年12月のダウングレード事故、2022年1月のダウングレード事故、2022年4月の停止事故。興味のある利害関係者は多くの疑問を抱いているに違いありません：

事故の原因は何ですか？

本質的な原因は何ですか？一時的なシステムバグ？予期しない攻撃？それともブロックチェーン設計DNAの中にある何らかの問題で、我々はそれを緩和することしかできないのでしょうか？

信頼性よりも最適な性能を選択する

第1部では、ソラナがどのようにして理想的な状況での性能を積極的に最適化しているかを議論しました。「最適な状況」はここでのキーワードです。物事が理想的なパターン通りに進まないとき、ソラナは制御を失います。

設計コスト1：取引が論理的に順序付けられているとき、過激な並列計算は劣化します。

NFTのミントやIEO取引は、しばしばソラナネットワークの中断を引き起こします。その理由は、これらの取引が4096コアで同時に行うことができないからです。NFTをミントする際、どれがすでにミントされたかがわからず、重複やバグが発生します。同じコレクション内のミント取引はすべて順番に処理する必要があります。直接的な意味は、ソラナの65,000 TPSは、ユーザーが1秒間に6つのBAYCコレクションをミントできることを意味しないということです：1つのGPUコアに依存するため、ソラナの順次処理能力はイーサリアムに近いか、あるいはそれ以下の10から100 TPSの範囲にあるかもしれません。

これが性能低下の原因を説明します：NFTのミント時に制御を失った取引量がMetaplexを使用不能にしますが、Metaplexに依存しない他のアプリケーション（例えばSerumのオーダーブック）は、他の4095コアのいずれかで取引を処理できます。

しかし、より多くの場合、性能低下はネットワークの中断に変わります：Metaplexの未処理の取引を待っていると、ノードのメモリが溢れます------メモリが溢れると、ノードはクラッシュし完全にオフラインになります。

コアのトレードオフ：ソラナは4096コアのGPUを使用することで、16コアのCPUではなく、単一コア性能を犠牲にして過激な並列計算をサポートしています。通常、取引が無関係な場合、ネットワークはうまく機能しますが、取引が理想的でないパターンを示すと、ソラナは高冗長性のイーサリアムよりも容易にクラッシュします。

設計コスト2：リーダーがクラッシュすると、決定的なリーダー選択が難しくなる

ソラナが崩壊に近づくと、現在のブロックリーダーノードが最初にクラッシュすることがよくあります。ソラナの低冗長設計は、リーダーノードがオンラインであるかどうかに大きく依存しています -- 他のノードは現在のリーダーノードと同じ取引データやネットワーク役割を持っていません。これは、リーダーノードがオフラインになると、ネットワークの他の部分が大量の緊急作業を行う必要があることを意味します：ブロックをスキップすることに同意し、取引データを再編成し、失われた取引データを次のリーダーノードに転送すること……

イーサリアムネットワークを考えてみてください。リーダーノードがなく、各ノードはブロックに入る取引データ（mempool）を含む正確で重複したコピーを持っています。イーサリアムのノードがオフラインになっても、他のすべてのノードは新しいブロックを生成するために必要なすべての情報を手元に持っています。これが冗長性の二面性です：理想的な状況では、冗長性がネットワークを遅くします；しかし悪い状況では、重大な事故を防ぐことができます。

数字を使って説明しましょう。この論文によると、リーダーノードがクラッシュした場合（正式には「級連リーダー故障 cascading leader failure」と呼ばれます）、ソラナの緊急計算量のオーバーヘッドはO(n\^4)に達する可能性があります。O(n\^2)のネットワークは遅いですが、使用可能です。しかし、O(n\^4)の計算量が一度に必要なネットワークは、死んでいるのと同じです。これが、ソラナが一度O(n\^4)の級連リーダー故障モードに入ると、自力で回復するのが難しい主な理由です。

これはバグではなく特性です

ソラナの遺伝子は、過激に最適な性能を優先することです。この原則はアーキテクチャ全体に浸透しているため、他のすべてを変更せずに1つの場所だけを変更することは難しいです。（この問題については議論していませんが、相互依存性を示すために、CPUではなくGPUで実行した場合、コアのPoHアルゴリズムは実用的ではなく、ソラナのPoH---最も理想的な状況で性能を最適化するデータ管理システムは、ETHのmempoolのようなものを実現するのが難しいです）。再度言いますが、これはトレードオフであり、両立することはできません------ソラナを根本的により安定させるためには、より多くの冗長性を生み出す必要があり、最適な状況での性能を犠牲にすることになります。

ソラナの支持者でさえ、ネットワークの中断や性能低下が今後も多く発生することを覚悟する必要があります。なぜなら、今日のソラナネットワークはまだすべての可能な緩和策を試していないからです。緩和策は、反復的なかくれんぼのゲームです。いつの日か、ソラナラボの努力が99.99%のネットワーク稼働時間を実現するかもしれません。しかし、それは決して100%のネットワーク稼働時間を達成することを意味するものではなく、今日のメインネットベータ版は99.99%からも遠く離れています。

第3部：アプトスが競争に参加し、高性能の三難問題

この部分には以下が含まれます：

• アプトスの設計選択は、信頼性と性能の間の妥協であり、ソラナとイーサリアムの間に位置しています。
• 我々は高性能、信頼性、効率の間の高性能三難問題を提案します。
• 開発者にとって、未来のトレンドは具体的な使用シナリオに基づいて最適化することです。我々は開発者がインフラを選択するのを助けるための3つの質問のQ&Aマニュアルを提案します。

過去1年以上にわたり、ソラナは高性能L1セグメント市場で唯一の名前でした。今、我々にはアプトスがあります。これはFacebookの元Libraチームによって開発され、a16z、Tiger、Multicoin、FTXが投資しています。MulticoinとFTXは明らかにソラナの重視投資者でもあります。アプトスは最近、160,000 TPSを主張し、明らかにソラナの競争相手として自らを位置付けています。

これが、我々がソラナを分析するのに多くの時間を費やす理由です：これはアプトスを実際に理解するための最良の角度です：

第2部を振り返ると、イーサリアムはネットワークが正常に稼働する時間を最適化しました：イーサリアムは最悪のシナリオに備えるために大量のデータ冗長性を費やしたため、攻撃によってイーサリアムネットワークを中断させることはほぼ不可能です。一方、ソラナは理想的な状況での性能を最適化し、冗長性に少ないコストをかけることで、極端な状況での信頼性を低下させています。

冗長性のジレンマを解決する際、アプトスはソラナから一歩引こうとしています。以下はそのいくつかの重要な設計選択です：

アプトス設計選択1：16コアのサーバーレベルCPU

これはソラナの4096のGPUコアとイーサリアムの1つのCPUコアの間の中間地点です。高度に並列化可能なタスクを処理する際、アプトスはソラナほど速くないかもしれません。アプトスの各CPUコアはソラナのGPUコアよりもはるかに高性能であるため、NFTのミントなど論理的に順序付けられた取引の場合、アプトスはソラナよりも処理が得意かもしれません。

アプトス設計選択2：最適な状況の冗長性はO(n)、最悪の状況の冗長性はO(n\^2)

ソラナに対して、アプトスは冗長性を増やすことでネットワークをより弾力的にしようとしています。アプトスはソラナの極端なO(log n)の線形冗長性を達成しようとはせず、O(n)の冗長性を設定しています。各コンセンサスラウンドで、アプトスはすべての非リーダーノードに追加のデータを同期させ、現在のリーダーノードが失敗した場合に他のノードが引き継ぐ必要があります。アプトスはまた、ブロックを分割して検証することを試みていません。なぜなら、分割はエラーが発生した場合に追加の作業を生じるからです。このように設計された結果、リーダーノードが実際に失敗したとき、アプトスの緊急処理はソラナほど混乱していません。

比較してみましょう：アプトスの最適な性能はソラナには及びませんが、アプトスは最悪の状況でのパフォーマンスがより受け入れやすいです------O(n\^2)で、ソラナはO(n\^4)です。これら5つの性能をまとめると、ちょうど美しいサンドイッチになり、アプトス（紫）がイーサリアム（青）とソラナ（緑）の間に挟まれます。

アプトス設計選択3：狂ったハードウェア要件

アプトスが160,000 TPSを主張しているのを見て、なぜ私がその最適な状況の性能がソラナよりも良くないと言ったのか疑問に思うかもしれません。

アプトスのハードウェア要件に注意してください：彼らのすべてのテストは、16コアのサーバーレベルのCPUを持つAWS EC2インスタンスで実行されています。アプトスはまた、個人のコンピュータではなく、Google Cloud Platformでノードを運営することを公然と推奨しています。

160,000という数字は、約100の権限のあるノードでの実験室テストの結果です------より複雑な実際の生産環境では、ノードが増えるとTPSは確実に低下します。アプトスの内部テストでも、ネットワークがより多くのノードに拡張されると、その性能はソラナの現在の65,000 TPSに近づくか、あるいはそれを下回ることが示されています。

以下は、アプトス、ソラナ、イーサリアムの重要な技術仕様の迅速な要約です：

すべてをまとめて高性能の三難問題を要約します

冗長性のジレンマを拡張し、アプトスの異常なハードウェア要件も考慮に入れると、我々はビタリックのブロックチェーンのスケーラビリティの三難問題のバージョンを提案します：高性能三難問題。

この三難問題では、同時に満たすことができない第一原理に基づく3つの特性は以下の通りです：

• 信頼性：冗長性に多くの計算を費やしてネットワークの稼働時間を保証すること
• 性能：冗長性に少ない計算を費やしてネットワークのスループットを強化すること
• 効率：信頼性と性能を向上させる唯一の方法は、これら2つのためにより多くの計算リソースを取得することです

イーサリアム、ソラナ、アプトスの3者の中で：

• イーサリアムはネットワークの稼働時間と効率を選択したため、冗長性に一定の計算量を費やし、性能が遅くなりました。
• ソラナは性能と（相対的な）効率を選択したため、限られた計算量を最適な状況の性能に費やし、低い冗長性が信頼性に悪影響を与えました。
• アプトスはネットワークの稼働時間と高性能を選択したため、これら2つをカバーするために十分な計算を確保するために、アプトスはサーバーベースのノードを選択し、効率を犠牲にしました。

アプトスの設計理念は、かなりWeb 2的です：ユーザーに優しいことを強調し、分散化を重視していません。初期の説明によれば、アプトスはパスワード回復機能を持つ高度なユーザーアカウントシステムを統合する可能性があります。どの角度から見ても、アプトスは最も分散化されたブロックチェーンではありません。それはイデオロギーの純粋性を目指していません。a16zとTigerからの2億ドルのシードラウンド投資者は、このやや逆行したビジョンの背後に実際の資金とリソースを置いています。

これが投資家と開発者にとって何を意味するのか？使用シナリオの最適化。

No Maxis.（非最大主義者）

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あなたの使用シナリオに基づいて最適化してください。

AWS（アマゾンウェブサービス）でさえ、異なる使用シナリオに対して数十種類のデータベース構成を提供しています。なぜなら、万能の解決策は存在しないからです。ブロックチェーンはデータベースです。

最大主義者になることは、急成長する投機市場で短期的なリスクを引き受けて利益を上げるのに役立つかもしれませんが、部族主義は真の価値発見と構築に不利です。良い投資家とビルダーは、すべての側面のトレードオフに現実的な態度を持ち、あなたのユースケースを真に理解するべきです。宣伝、バブル、PRの話術に溺れるのではなく。

今、我々は未来がどのように発展するかについての広範な輪郭しか持っていません。ソラナとアプトスは、さらなるエラー、中断、微調整、パッチを経験するでしょう。ソラナは再びダウンし、アプトスもそうなるでしょう。しかし、これは彼らが利益を上げる高性能L1の問題を解決するトップ競争者としての地位を変えるものではありません。

開発者にとって：少なくとも知っておくべき3つのこと：

• あなたの使用シナリオ：何が重要で、何が単なる付加価値なのか。
• 使用したいインフラの利点と欠点のトレードオフはどのようなものか？
• ハイブリッドとマッチングのコストと利益。クロスチェーンソリューションとリスク、The Anti Apeの以前の記事。素晴らしいDAppはブロックチェーンを活用し、ひどいDAppは彼らが使用するブロックチェーンによって消耗されます。

投資家にとって：アプトスは2022年に公共テストネットとトークンを発表します。これは、ソラナの高性能ブロックチェーン分野での独占がすぐに終わることを意味します。我々は、ソラナのトークン価格が売り圧力を経験することを予想しています。なぜなら、高性能ブロックチェーンという垂直分野で投資家により多くの選択肢があるからです。しかし、今の時点で勝者を決めるのは早すぎます。

いずれにせよ、アプトスはソラナに対する強力な挑戦者のように見えます。なぜなら、ソラナの長期的な信頼性と他のいくつかのトレードオフをバランスさせようとしているからです。しかし、アプトスチームがうまく実行できるか、ソラナの2年間のエコシステムの優位性に挑戦できるかを観察する必要があります。