邁向世界超級計算機：超大規模去中心化執行的新範例

為了實現去中心化，利用密碼學的固有去信任、MEV 的自然經濟激勵、推動大規模採用、ZK 技術的潛力以及包括機器學習在內的去中心化通用計算的需求，世界超級計算機的出現已成為必要。

原文標題：《Towards World Supercomputer》

撰文：msfew、Kartin、Xiaohang Yu、Qi Zhou

編譯：深潮TechFlow

介紹

以太坊離最終成為那個世界超級計算機還有多遠？

從比特幣的點對點共識算法到以太坊的EVM，再到網絡國家的概念，區塊鏈社區一直以來的目標之一是建立一個世界超級計算機，更具體地說，是一個去中心化、不可阻擋、無需信任且可擴展的統一狀態機。

雖然很早就已經知道這一切在理論上是非常可能的，但迄今為止，大部分正在進行的努力都是非常碎片化的，並且存在嚴重的權衡和限制。

在本文中，我們將探討現有嘗試構建世界計算機所面臨的一些權衡和限制，然後分析這樣一台機器所必需的組件，並最終提出一個新穎的世界超級計算機架構。

一種新的可能，值得我們了解。

1.當前方法的限制

a） 以太坊和L2 Rollups

以太坊是構建世界超級計算機的第一個真正的嘗試，也可以說是最成功的嘗試。然而，在其發展過程中，以太坊極大地優先考慮了去中心化和安全性，而不是可擴展性和性能。因此，雖然可靠，但普通的以太坊遠遠不能成為世界超級計算機——它根本不可擴展。

目前的解决方案是 L2 Rollups，它已成为增强以太坊世界计算机性能的最广泛采用的扩展解决方案。作为在以太坊之上构建的附加层，L2 Rollups 提供了显著的优势，并得到了社区的支持。

雖然L2 rollup 存在多種定義，但普遍認為L2 Rollups 是具有兩個關鍵特徵的網絡：以太坊或其他基礎網絡的鏈上數據可用性和鏈下交易執行。基本上，歷史狀態或輸入交易數據是公開可訪問的，並在以太坊上進行承諾驗證，但所有單個交易和狀態轉換都被移出主網。

雖然L2 Rollups 確實極大地提高了這些「全球計算機」的性能，但其中許多都存在中心化的系統風險，這從根本上破壞了區塊鏈作為去中心化網絡的原則。這是因為鏈下執行不僅涉及單個狀態轉換，還涉及這些交易的排序或批處理。在大多數情況下，L2 排序器進行排序，而L2 驗證者計算新狀態。然而，將這種排序能力提供給L2 排序器會產生中心化風險，其中中心化排序器可以濫用其權力，任意審查交易，破壞網絡活力，並從MEV 捕獲中獲利。

儘管已經有許多討論減少L2 中心化風險的方法，例如通過共享、外包或基於排序器的解決方案、去中心化的排序器解決方案（例如PoA、PoS leader selection、MEV 拍賣和PoE），但其中許多嘗試仍處於概念設計階段，遠未成為解決這個問題的萬靈藥。此外，許多L2 項目似乎不願意實施去中心化的排序器解決方案。例如，Arbitrum 建議將去中心化的排序器作為可選功能。除了中心化排序器問題外，L2 Rollup 可能存在來自全節點硬件要求、治理風險和應用程序Rollup 趨勢的中心化問題。

b） L2 Rollups 和世界計算機三難困境

依賴L2 Rollups 擴展以太坊所帶來的所有這些中心化問題，揭示了一個根本性問題，即「世界計算機三難困境」，這是從經典的區塊鏈「三難困境」中推導出來的：

這個三難困境的不同優先級將導致不同的權衡：

• 強共識賬本：本質上需要重複的存儲和計算，因此不適合擴展存儲和計算。
• 強計算能力：需要在執行大量計算和證明任務時重複使用共識，因此不適合大規模存儲。
• 強存儲能力：需要在執行頻繁的隨機抽樣空間證明時重複使用共識，因此不適合計算。

傳統的L2 方案實際上是以模塊化的方式構建世界計算機。然而，由於不是基於上述優先級對不同的功能進行分區，即使進行了擴展，世界計算機仍然保持以太坊的原始主機架構。這種架構無法滿足其他功能，如去中心化化和性能，並且無法解決世界計算機的三難困境。

換句話說，L2 Rollups 實際上實現了以下功能：

• 世界計算機的模塊化（在共識層上進行更多實驗，並在中心化排序器上進行一些外部信任）；
• 世界計算機的吞吐量增強（雖然不是嚴格意義上的「擴展」）；
• 世界計算機的開放創新。

然而，L2 Rollups 並沒有提供：

• 世界計算機的去中心化；
• 世界計算機的性能增強（Rollups 的最大TPS 加起來實際上是不夠的，而L2 不可能比L1 具有更快的最終確定性）；
• 世界計算機的計算（這涉及超出交易處理的計算，如機器學習和預言機）。

雖然世界計算機架構可以具有L2 和模塊化區塊鏈，但它並沒有解決根本問題。 L2 可以解決區塊鏈三難困境，但不能解決世界計算機本身的三難困境。因此，正如我們所看到的，當前的方法不足以真正實現以太坊最初設想的去中心化世界超級計算機。我們需要性能擴展與去中心化，而不是性能擴展與逐步去中心化。

2.世界超級計算機的設計目標

為此，我們需要一個網絡，可以解決真正的通用密集計算（特別是機器學習和預言機），同時保留基礎層區塊鏈的完全去中心化。此外，我們必須確保該網絡能夠支持高強度的計算，如機器學習（ML），可以直接在網絡上運行，並最終在區塊鏈上進行驗證。此外，我們需要在現有的世界計算機實現之上提供充足的存儲和計算能力，目標和設計方法如下：

a）計算需求

為了滿足世界計算機的需求和目的，我們擴展了以太坊所描述的世界計算機的概念，並旨在實現世界超級計算機。

世界超級計算機首先需要以去中心化的方式完成計算機現在和未來可以完成的任務。為了準備大規模採用，開發人員需要世界超級計算機來加速去中心化機器學習的開發和採用，以運行模型推理和驗證。

對於像機器學習這樣的計算資源密集型任務，要實現這樣的目標不僅需要零知識證明等最小化信任的計算技術，還需要去中心化網絡上更大的數據容量。這些是無法在單個P2P 網絡（如傳統區塊鏈）上實現的。

b）性能瓶頸的解決方案

在計算機的早期發展中，我們的先驅們面臨著類似的性能瓶頸，因為他們在計算能力和存儲容量之間做出了權衡。以電路的最小組件為例。

我們可以將計算量比作燈泡/ 晶體管，將存儲量比作電容器。在電路中，燈泡需要電流才能發出光，類似於計算任務需要計算量才能執行。另一方面，電容器存儲電荷，類似於存儲可以存儲數據。

對於相同的電壓和電流，燈泡和電容器之間的能量分配可能存在權衡。通常，更高的計算量需要更多的電流來執行計算任務，因此需要電容器存儲的能量較少。較大的電容器可以存儲更多的能量，但在更高的計算量下可能會導致較低的計算性能。這種權衡導致在某些情況下無法將計算和存儲結合起來。

在馮.諾伊曼（von Neumann） 計算機體系結構中，它引導了將存儲設備與中央處理器分離的概念。類似於將燈泡與電容器分離，這可以解決我們的世界超級計算機系統的性能瓶頸問題。

此外，傳統的高性能分佈式數據庫採用了一種將存儲和計算分離的設計方案。這種方案被採用是因為它與世界超級計算機的特性完全兼容。

c）新穎的架構拓撲

模塊化區塊鏈（包括L2 Rollups）和世界計算機架構之間的主要區別在於它們的目的：

• 模塊化區塊鏈：旨在通過選擇模塊（共識、數據可用層DA、結算和執行）將它們組合成模塊化區塊鏈來創建新的區塊鏈。
• 世界超級計算機：旨在通過將網絡（基礎層區塊鏈、存儲網絡、計算網絡）組合成世界計算機來建立全球去中心化計算機/ 網絡。

我們提出了另一種選擇，即最終的世界超級計算機將由三個拓撲異構的P2P 網絡組成，通過零知識證明技術等無信任總線（連接器）連接：共識賬本、計算網絡和存儲網絡。這種基本設置使世界超級計算機能夠解決世界計算機三難困境，可以根據特定應用的需要添加其他組件。

值得注意的是，拓撲異構不僅涉及架構和結構上的差異，還包括拓撲形式上的根本差異。例如，雖然以太坊和Cosmos 在網絡層和網絡互聯方面是異構的，但它們在拓撲異構（區塊鏈）方面仍然是等效的。

在世界超級計算機中，共識賬本區塊鏈採用區塊鏈形式，節點採用完全圖形式，而像Hyper Oracle 的zkOracle 網絡則是一個無賬本網絡，節點形成循環圖，而存儲Rollup 的網絡結構則是另一種變體，分區形成子網。

通過使用零知識證明作為數據總線，我們可以通過連接三個拓撲異構的點對點網絡來實現完全去中心化、不可阻擋、無需許可和可擴展的世界超級計算機。

3.世界超級計算機架構

與構建物理計算機類似，我們必須將先前提到的共識網絡、計算網絡和存儲網絡組裝成世界超級計算機。

適當選擇和連接每個組件將有助於我們在共識賬本、計算能力和存儲容量三難困境之間實現平衡，最終確保世界超級計算機的去中心化、高性能和安全性。

世界超級計算機的架構，根據其功能描述如下：

具有共識、計算和存儲網絡的世界超級計算機網絡的節點結構類似於以下內容：

為了啟動網絡，世界超級計算機的節點將基於以太坊的去中心化基礎設施。具有高計算性能的節點可以加入zkOracle 的計算網絡，用於生成證明以進行通用計算或機器學習，而具有高存儲容量的節點可以加入EthStorage 的存儲網絡。

上述示例描述了同時運行以太坊和計算/ 存儲網絡的節點。對於僅運行計算/ 存儲網絡的節點，它們可以通過零知識證明技術的總線（如zkPoS 和zkNoSQL）訪問以太坊的最新塊或證明存儲數據的可用性，而無需信任。

a）以太坊共識

目前，世界超級計算機的共識網絡專門使用以太坊。以太坊擁有強大的社會共識和網絡級安全性，確保去中心化共識。

世界超級計算機建立在以共識賬本為中心的架構上。共識賬本有兩個主要作用：

• 為整個系統提供共識；
• 用塊間隔定義CPU 時鐘週期。

與計算網絡或存儲網絡相比，以太坊無法同時處理大量的計算任務，也無法存儲大量的通用數據。

在世界超級計算機中，以太坊是一個共識網絡，用於存儲數據，如L2 Rollup，為計算和存儲網絡達成共識，並加載關鍵數據，以便計算網絡可以執行進一步的鏈下計算。

b）存儲Rollup

以太坊的Proto-danksharding 和Danksharding 本質上是擴展共識網絡的方式。為了實現世界超級計算機所需的存儲容量，我們需要一種既原生於以太坊又支持大量數據永久存儲的解決方案。

存儲Rollup，如EthStorage，本質上是為大規模存儲擴展以太坊。此外，由於計算資源密集型應用程序（如機器學習）需要大量內存才能在物理計算機上運行，因此需要注意的是，以太坊的「內存」無法被過度擴展。存儲Rollup 對於允許世界超級計算機運行計算密集型任務的「交換」是必要的。

此外，EthStorage 提供了一個web3:// 訪問協議（ERC-4804 ），類似於世界超級計算機的本機URI 或存儲資源尋址。

c）zkOracle 計算網絡

計算網絡是世界超級計算機最重要的元素，因為它決定了整體性能。它必須能夠處理諸如預言機或機器學習之類的複雜計算，並且在訪問和處理數據方面應該比共識網絡和存儲網絡更快。

zkOracle 網絡是一個去中心化和最小化信任的計算網絡，能夠處理任意計算。任何運行的程序都會生成一個ZK 證明，在使用時可以輕鬆地由共識（以太坊）或其他組件進行驗證。

Hyper Oracle 是一個zkOracle 網絡，由zkWASM 和EZKL 驅動，可以使用執行跟踪證明運行任何計算。

zkOracle 網絡是一個無賬本區塊鏈（沒有全局狀態），遵循原始區塊鏈（以太坊）的鏈結構，但作為一個沒有賬本的計算網絡運行。 zkOracle 網絡不像傳統區塊鏈那樣通過重新執行來保證計算的有效性；相反，它通過生成的證明提供計算可驗證性。無賬本的設計和專用節點設置用於計算，使得zkOracle 網絡（如Hyper Oracle）可以專注於高性能和最小化信任的計算。計算的結果直接輸出到共識網絡，而不是生成新的共識。

在zkOracle 的計算網絡中，每個計算單元或可執行文件都由一個zkGraph 表示。這些zkGraph 定義了計算和證明生成行為，就像智能合約定義共識網絡的計算一樣。

I. 通用鏈下計算

zkOracle 的計算中的zkGraph 程序可以在沒有外部堆棧的情況下用於兩個主要用例：

• 索引（訪問區塊鏈數據）；
• 自動化（自動化智能合約調用）；
• 任何其他鏈下計算。

這兩種情況可以滿足任何智能合約開發人員的中間件和基礎設施要求。這意味著作為世界超級計算機的開發人員，您可以在創建完整的去中心化應用程序時，經歷整個端到端的去中心化開發過程，包括共識網絡上的鏈上智能合約以及計算網絡上的鏈下計算。

二、ML/AI計算

為了實現互聯網級別的採用並支持任何應用場景，世界超級計算機需要以去中心化的方式支持機器學習計算。

通過零知識證明技術，機器學習和人工智能可以集成到世界超級計算機中，並在以太坊的共識網絡上進行驗證，以實現真正的鏈上計算。

在這種情況下，zkGraph 可以連接到外部技術堆棧，從而將zkML 本身與世界超級計算機的計算網絡相結合。這使得所有類型的zkML 應用程序都可以實現：

• 用戶隱私保護的ML / AI；
• 模型隱私保護的ML / AI；
• 具有計算有效性的ML / AI。

為了實現世界超級計算機的機器學習和人工智能計算能力，zkGraph 將與以下先進的zkML 技術堆棧相結合，為它們提供與共識網絡和存儲網絡的直接集成。

• EZKL ：在zk-snark 中為深度學習模型和其他計算圖執行推理。
• Remainder ：在Halo2 Prover 中進行快速的機器學習操作。
• circomlib-ml ：用於機器學習的circom 電路庫。

e）zk 作為數據總線

現在，我們擁有了世界超級計算機的所有基本組件，我們需要一個最終組件來連接它們。我們需要一個可驗證和最小化信任的總線，以便在組件之間進行通信和協調。

對於使用以太坊作為共識網絡的世界超級計算機，Hyper Oracle zkPoS 是zk Bus 的一個合適的候選者。 zkPoS 是zkOracle 的關鍵組件，通過ZK 驗證以太坊的共識，使以太坊的共識在任何環境中得以傳播和驗證。

作為一個去中心化和最小化信任的總線，zkPoS 可以通過ZK 連接世界超級計算機的所有組件，幾乎沒有驗證計算開銷。只要有像zkPoS 這樣的總線，數據就可以在世界超級計算機內自由流動。

當以太坊的共識可以從共識層傳遞到總線作為世界超級計算機的初始共識數據時，zkPoS 可以通過狀態/ 事件/ 交易證明來證明它。然後，生成的數據可以傳遞到zkOracle 網絡的計算網絡中。

此外，對於存儲網絡的總線，EthStorage 正在開發zkNoSQL，以實現數據可用性的證明，使其他網絡可以快速驗證BLOB 是否具有足夠的副本。

f）另一種情況：比特幣作為共識網絡

與許多第二層主權Rollup 一樣，像比特幣這樣的去中心化網絡也可以作為支撐世界超級計算機的共識網絡。

為了支持這樣的世界超級計算機，我們需要替換zkPoS 總線，因為比特幣是基於PoW 機制的區塊鍊網絡。

我們可以使用ZeroSync 將zk 作為比特幣世界超級計算機的總線進行實現。 ZeroSync 類似於「zkPoW」，它通過零知識證明同步比特幣的共識，允許任何計算環境在毫秒內驗證和獲取最新的比特幣狀態。

g） 工作流程

以下是基於以太坊的世界超級計算機的交易過程概述，分為幾個步驟：

• 共識：使用以太坊處理和達成交易共識。
• 計算：zkOracle 網絡通過快速驗證由zkPoS 作為總線傳遞的證明和共識數據，執行相關的鏈下計算（由從EthStorage 加載的zkGraph 定義）。
• 共識：在某些情況下，例如自動化和機器學習，計算網絡將通過證明將數據和交易傳回以太坊或EthStorage。
• 存儲：對於從以太坊存儲大量數據（例如NFT 元數據），zkPoS 充當以太坊智能合約和EthStorage 之間的信使。

在整個過程中，總線在連接每個步驟中發揮著至關重要的作用：

• 當共識數據從以太坊傳遞到zkOracle 網絡的計算或EthStorage 的存儲時，zkPoS 和狀態/ 事件/ 交易證明生成證明，接收方可以快速驗證以獲取確切的數據，例如相應的交易。
• 當zkOracle 網絡需要從存儲中加載數據進行計算時，它使用zkPoS 從共識網絡訪問數據的地址，然後使用zkNoSQL 從存儲中獲取實際數據。
• 當來自zkOracle 網絡或以太坊的數據需要以最終輸出形式顯示時，zkPoS 為客戶端（例如瀏覽器）生成證明，以便快速驗證。

結論

比特幣為創建世界計算機v0 奠定了堅實的基礎，成功構建了「世界賬本」。隨後，以太坊通過引入更可編程的智能合約機制有效地展示了「世界計算機」範例。為了實現去中心化，利用密碼學的固有去信任、MEV 的自然經濟激勵、推動大規模採用、ZK 技術的潛力以及包括機器學習在內的去中心化通用計算的需求，世界超級計算機的出現已成為必要。

我們提出的解決方案將通過使用零知識證明連接拓撲異構的P2P 網絡來構建世界超級計算機。作為共識賬本，以太坊將提供基礎共識，並將塊間隔用作整個系統的時鐘週期。作為存儲網絡，存儲rollup 將存儲大量數據並提供URI 標準以訪問數據。作為計算網絡，zkOracle 網絡將運行資源密集型計算並生成可驗證的計算證明。作為數據總線，零知識證明技術將連接各種組件，並允許數據和共識被鏈接和驗證。