Beam Chain: 以太坊的下一代升级

2024年的Devcon大会在曼谷圆满落幕，吸引了以太坊生态系统的众多参与者。会上，各种创新理念和前沿趋势引发了全球Web3界的热烈讨论。

其中，以太坊基金会研究员Justin Drake提出的"以太坊3.0"概念尤为引人注目。这个被称为Beam Chain的共识层升级方案，旨在通过零知识证明技术降低验证者的计算和通信成本，从而降低参与门槛，吸引更多验证者加入网络。这不仅有望提升网络安全性，还能减少计算冗余，提高整体效率。同时，Drake希望借此机会解决Beacon链中的历史技术债务，并为未来可能出现的量子计算威胁做好准备。

Beam Chain的提出与Vitalik Buterin此前描绘的The Verge路线图不谋而合。The Verge路线图中就包含了对以太坊进行Snark化改造的计划，涵盖共识层和执行层。Vitalik最近也承认，共识层的改造是一个重大挑战，需要持续的思考和优化。

Beam Chain主要聚焦于共识层的改造。这一过程并不需要对所有部分进行彻底重构，而是将核心的状态转换函数Snark化。具体来说，这涉及per-slot、per-block和per-epoch三个状态转换函数，包括共识算法执行、区块提议、执行层结果验证、Merkle树根验证、共识签名验证/聚合、哈希计算以及质押相关操作等。值得注意的是，以太坊在推进Snark化的同时，仍然坚持去中心化和多样性的原则，允许提议者自主选择ZK算法和协议。

实现Beam Chain构想的核心挑战在于提升证明效率，目标是将当前需要几十甚至上百秒的证明时间压缩到秒级。为此，业界正在探索使用ASIC加速方法，希望在芯片层面完成从证据生成到证明的全流程，以期在未来几年内将证明生成时间提升十倍以上，实现实时证明。

目前，多个研究团队正在积极推进零知识证明技术的性能优化和应用拓展。有机构利用GPU、FPGA和ASIC等硬件平台对ZK证明进行加速，涵盖了多种ZK系统，部分核心算子已实现百倍以上的加速比。同时，在AI与ZK结合的领域，也取得了显著进展，如将zkLLM的首token生成时间从4小时缩短到约18分钟。

此外，为应对量子计算的潜在威胁，一些团队已开发出支持多个NIST标准后量子算法的密码库，并通过优化共识流程和内存读取，使抗量子区块链的TPS能够达到原链的50%左右。

随着Beam Chain提案的推进，基于零知识证明的虚拟机有望在以太坊生态中扮演更加重要的角色。通过引入SNARK证明和后量子密码学，结合更低的质押门槛和更快的区块确认时间，Beam Chain有望为以太坊带来更强的去中心化特性和更高的性能表现。这一发展将与执行层的Snark化努力相辅相成，共同推动以太坊向更高效、更安全的方向演进。