GPU革命：私たちはどのようにzk-SNARKsを使ってイーサリアムを1000倍速くするのか

本稿では、重要な技術の突破口を解析します：高性能GPUとzk-SNARKsの組み合わせにより、イーサリアムの運用効率を数百倍、さらには千倍以上に向上させています。これは、ブロックチェーンが長年抱えていた性能のボトルネックを解決するだけでなく、将来のWeb3インフラストラクチャに対して実行可能な技術的な道筋を提供します。

もしあなたが疑問を抱いているのなら：なぜイーサリアムは遅く、取引コストが高いのか？または、次世代のブロックチェーン技術の鍵となる要素に注目しているのなら？この記事はあなたに明確な答えを提供します。

問題の本質：ブロックチェーンはなぜ渋滞している高速道路のようなのか？

イーサリアムを高速道路と考えることができます。現在、すべてのユーザーとアプリケーションが限られた車線リソースを争っているため、ネットワークが渋滞し、取引処理が遅くなり、Gas 料金が高騰しています。

従来の解決策は二つしかない：

• 車線をもっと修正する —— つまり、Layer 2 ネットワーク（例えば Rollups）を構築することです。
• 車両を小さくする —— つまり取引データを圧縮すること

しかし、車線を走り続けるのではなく、車両を「テレポート」する方法があるとしたらどうでしょうか? これは、ゼロ知識証明(ZKP)によってもたらされたパラダイム革命です。 核となる考え方は、すべてのトランザクションデータ自体を送信しなくても、数学的証明を生成することでトランザクションの信頼性を検証できるというものです。 つまり、すべての車が高速道路を走るのではなく、「これらの車が本当に終点に到達した」かどうかを直接確認できるのです。 これにより、データ伝送の負担が軽減されるだけでなく、「高スループット+強固なセキュリティ+トラストレスな検証」にも対応します。

ザ・ヴァージ：イーサリアムの次の進化

イーサリアムは現在、イーサリアムの「スリミングプラン」と理解できる壮大なテクニカルブループリント「The Verge」で前進しています。 その目標は、イーサリアムノードの実行を、携帯電話でアプリを実行するのと同じくらい簡単にすることです。 将来的には、高性能なゲーミングPCに頼らずに、誰もが簡単にイーサリアムネットワークに参加できるようになるでしょう。

しかし、この計画の背後には重要な技術的課題があります。それは、数百万回の複雑な数学演算を非常に短い時間内に完了する必要があるということです。

これこそがPolyhedraチームが注力している突破口の方向性です——どのようにGPUを利用して大規模なZK計算を加速し、検証の安全性を保証しながら実行効率を大幅に向上させるか。

技術的挑戦：このデータセットはあなたの認識を覆すでしょう

私たちが直面している複雑さを理解するために、以下はイーサリアムの現在のチェーン上の操作の実際の規模です：

• コンセンサス検証:
  各ブロックは約9,000万回のSHA 2-256ハッシュ計算と2,048個のBLSデジタル署名検証を含む。 *状態遷移証明:
  各ブロックは約50万回のKeccakハッシュ操作を実行する必要があります
• 現在のボトルネック： CPUベースのzk-SNARKs（プロバー）は、現在1秒あたり約200万回のPoseidonハッシュ計算しか処理できません。

真の課題は——私たちが上記のすべての計算を完了するためにzk-SNARKs技術を使用する必要があり、これが計算の複雑さを大幅に増加させるということです。

ブレークスルー：GPUの計算力革命

誰もが知っているように、GPUはゲーマーやAIエンジニアのお気に入りです。しかし実際には、これらのグラフィック処理ユニットは、零知识证明に必要な大規模な並列数学計算を処理する際に、CPUをはるかに上回る能力を示します。

Polyhedraでは、ZK証明システムにGPUネイティブの最適化を施し、驚くべき画期的な性能指標を達成しました:

性能の飛躍、予想を超える

• 基本的な数学操作（メルセンヌ31領域）のスピードアップ362倍 *最大2826倍高速な複雑な暗号化操作(BN 254楕円曲線)。
• 本来 21 分間かかっていた零知识证明の計算が、現在ではわずか 450 ミリ秒に圧縮されました。

言い換えれば、これはあなたの毎日の朝のラッシュアワーの通勤時間が20分から半秒未満に急激に減少することに相当します。これは漸進的な最適化ではなく、パラダイムレベルの計算の飛躍です。

なぜこのブレイクスルーがあなたに関係しているのか？

1. より低い取引コスト：証明生成速度が速くなることで、全体の計算コストが大幅に低下し、その結果、より低い Gas 手数料が実現します。ユーザーとネットワークの双方にとってウィンウィンです。
2. より強力なセキュリティの保証：私たちがイーサリアムの年間4000万ドルを超えるセキュリティ予算について言及したことを覚えていますか？私たちの技術によって、ライトノードでもイーサリアムのコンセンサスチェーン全体を簡単に検証でき、メインネットレベルのセキュリティを享受でき、大規模なリソースのコストを必要としません。
3. より普及したノードの運用、スマートフォンでもイーサリアムを実行可能：私たちの性能と効率に関する継続的な最適化により、一般的なデバイスでイーサリアムノードを運用することが可能になっています。将来的には、ブロックチェーンデータの検証がスマートフォン一台で完了するかもしれません。

技術の核心：私たちはどのように実現したのか

1. GPUネイティブ設計：CUDA最適化のSumcheckプロトコル

私たちがCUDAに基づいて構築したSumcheckの実装は、GPUの並列計算の利点を十分に活かしています。

• 数域演算（加法、乗法、べき演算）に対してカスタマイズされたCUDAカーネルを設計する
• マージメモリアクセスパターンを利用して、GPU帯域幅の利用率を最大化（RTX 4090の実測帯域幅は1008 GB/sに達する） *効率的な削減のためにワープレベルのプリミティブを使用します

このレベルの深いカスタマイズにより、SumcheckプロトコルはCPUの直列ボトルネックに制限されなくなりました。

2. メモリが王：帯域幅ボトルネックの最適化 伝統的な見解では ZK Prover の計算ボトルネックは計算能力にあると考えられていますが、私たちの実証は示しています —— Sumcheck は典型的なメモリ帯域幅ボトルネックの問題です：

• メモリスループット分析：帯域幅使用率は理論上限の 95% に達する + *データ構造の最適化:Structure-of-Arrays(SoA)は、従来のArray-of-Structures(AoS)構造を置き換えます
• SMユニットの利用率向上：スレッドブロックの設定を最適化し、ハードウェアの最適な使用率を実現する

メモリスループットの問題を解決することにより、ZK計算を真の効率的なストリーミングタスクに変えました。

3. 異なる数域に対するカスタマイズされた最適化戦略

異なる暗号学の分野は異なる演算特性を持っており、私たちは各主流の分野に最適化されたパスを提供しました：

• メルセンヌ 31 (M 31)：31ビット整数最適化、高効率モジュロ演算構造
• M 31 ext 3:多項式拡張と低オーバーヘッドを考慮した拡張フィールドサポート
• BN 254 ：モンゴメリーアルゴリズムに基づくカスタム乗算器、254ビットの大整数フィールド専用

この高度に特化した基盤最適化により、私たちのZK Proverは一般的でありながら、極めて効率的です。

パフォーマンスデータの分解：最適化が行われる場所

私たちは「非常に速い」だけでなく、ZKの性能を前例のない高さに引き上げました。以下は実測性能データです：

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GKRプロトコルスタック：加速のコア

私たちの加速最適化は、GKR（Goldwasser-Kalai-Rothblum）プロトコルに焦点を当てており、具体的には次のようになります：

• 線形 GKR レイヤー：加算および乗算ゲートを処理するために使用されます
• Sumcheck プロトコル：パフォーマンスのボトルネックが存在し、CPU の総計算時間のほぼ 50% を占める
• 多項式評価フェーズ：GPU上で計算時間を8.4秒から9.5ミリ秒に短縮

GPUのコア設計の詳細

ステージ 1: 多項式評価

• 2 ^n の点で並列計算する
• 共有メモリキャッシュ係数を使用して、アクセス速度を向上させる
• ワープシャッフルを利用して効率的な還元操作を実現
• 第二段階：チャレンジ生成
• GPU内でFiat-Shamirハッシュ操作を実行して、頻繁なCPU-GPU切り替えを回避します
• CPUとGPU間の通信遅延を削減

メモリ転送最適化：データフローの「最後の1マイル」を通す

私たちは、CPU-GPUインタラクションの面でもシステム的な最適化を行い、帯域幅がボトルネックとならないようにしています。

• PCIe データスループット最適化：2 ^{ 27 } 個の要素を処理するのにわずか 737 ミリ秒
• ピン留めメモリ："ゼロコピー"データ転送をサポートし、コピーコストを削減
• 非同期操作スケジューリング：計算と通信が並行して行われ、リソースの利用率を最大化します。

実話実説：挑戦は依然として存在する

私たちは常に透明性を守ります——GPU加速は万能の解決策ではなく、実際の推進の中で、多くの技術的なボトルネックにも直面しました：

1. メモリ帯域幅がピークに達しました

• H100は最大3.35 TB/sの帯域幅を持っていますが、高負荷時には性能のボトルネックになります。
• 比較すると：大きな楕円曲線領域（BN 254など）は、小さな領域（M 31など）よりも早く上限に達します。

2. GPUのメモリ容量が制限されています

• RTX 4090 は 2 ^{ 29 } 個の要素を処理する際にメモリが不足しました
• 実際の展開時には、オーバーフローのリスクを回避するために、詳細なメモリスケジューリング戦略が必要です。

3. ドメインサイズとパフォーマンスのトレードオフ

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4. “GPUの優位点”の比較：CPUを超え始めたのはいつですか？

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クロスプラットフォーム性能実測

私たちは、コンシューマーグレードとデータセンターグレードのハードウェアを含む、異なるレベルのGPUでベンチマークテストを行いました：

コンシューマー向けGPU

• RTX 3090:936 GB/sのメモリ帯域幅で最大951倍高速なパフォーマンスを実現
• RTX 4090:1008 GB/sのメモリ帯域幅と最大1565倍の高速パフォーマンス
• データセンター GPU
• NVIDIA H100:最大3.35 TB/sの帯域幅と最大2826倍高速なパフォーマンス

結論は明確です：メモリ帯域幅はzk-SNARKsの加速における重要な変数です。

未来を展望する：私たちのロードマップ

私たちはまだ止まっておらず、今後も以下の目標に挑戦し続けます：

• より極致な加速：特定の操作に対して、目標は 10,000 倍の速度向上を実現することです。
• より広範なハードウェア互換性：高性能ゲームグラフィックカードからデータセンター級アクセラレータカードまで全てカバー
• ネイティブにイーサリアムを統合：私たちは、GPU ZK証明スタックをL1層に直接統合するために、イーサリアムクライアント開発チームと協力しています。

この変革の波に参加しよう！

これは単なる速度の向上ではなく、ブロックチェーンのアクセス可能性を根本的に再構築することです。あなたが誰であっても、参加する方法を見つけることができます：

• 開発者：私たちのExpanderとCUDAリポジトリをご覧いただき、未来を共に構築しましょう
• 学習者：私たちの研究セミナーや技術的なディープダイブに注目し、常に最新の情報を得ることができます。
• 皆さん：この技術を広めましょう！理解する人が多ければ多いほど、Web3 の未来は近づきます。

コアの見解の振り返り

私たちは刺激的な技術の転換点にいます。zk-SNARKsとGPUアクセラレーションの組み合わせは、単なるパフォーマンスの限界の向上ではなく、パラダイムの変革です。

私たちはイーサリアムの速度、コスト、利用可能性の限界を再定義しています。

主な技術的成果の概要:

• 本番環境向けのZKプルーフは、1000倍以上のスピードアップを達成します
• GPUメモリ帯域幅の利用率が95%を超えています
• オープンソース実装、いつでも統合可能

Web3の未来は去中心化だけでなく、超高速で到達可能であり、あなたが想像するよりもずっと早いです。

これらの進展で最も興味があるのはどの点ですか？コメント欄でお知らせいただくか、Twitterで私と交流してください。これらの技術的詳細について深く交流できることを楽しみにしています！

未来はスピードに属し、あなたにも属します。次回お会いしましょう、継続的に構築し、速さだけではありません！