Pour parvenir à la décentralisation, tirez parti de l'absence de confiance inhérente à la cryptographie, des incitations économiques naturelles du MEV à favoriser l'adoption massive, du potentiel de la technologie ZK et de la nécessité d'une informatique décentralisée à usage général, y compris l'apprentissage automatique, l'émergence du les supercalculateurs sont devenus nécessaires.
Titre original : "Towards World Supercomputer"
Écrit par : msfew, Kartin, Xiaohang Yu, Qi Zhou
Compilation : Deep Tide TechFlow
introduire
À quel point Ethereum est-il proche de devenir le supercalculateur de ce monde ?
De l'algorithme de consensus peer-to-peer de Bitcoin à l'EVM d'Ethereum en passant par le concept de nation réseau, l'un des objectifs de la communauté blockchain a toujours été de construire un superordinateur mondial, plus précisément un état unifié décentralisé, imparable, sans confiance et évolutif. machine.
Bien que l'on sache depuis longtemps que tout cela est très théoriquement possible, la plupart des efforts en cours à ce jour ont été très fragmentés et comportent de sérieux compromis et limites.
Dans cet article, nous explorons certains des compromis et limitations auxquels sont confrontés les tentatives existantes de construction d'un ordinateur mondial, puis analysons les composants nécessaires à une telle machine, et proposons enfin une nouvelle architecture de supercalculateur mondial.
Une nouvelle possibilité, digne de notre compréhension.
1. Limites de la méthode actuelle
a) Cumuls Ethereum et L2
Ethereum a été la première véritable tentative de construction du supercalculateur mondial, et sans doute la plus réussie. Cependant, au cours de son développement, Ethereum a largement privilégié la décentralisation et la sécurité à l'évolutivité et aux performances. Ainsi, bien que l'Ethereum fiable et régulier soit loin d'être le superordinateur du monde, il n'est tout simplement pas à l'échelle.
La solution actuelle est L2 Rollups, qui est devenue la solution de mise à l'échelle la plus largement adoptée pour améliorer les performances des ordinateurs dans le monde Ethereum. En tant que couche supplémentaire construite au-dessus d'Ethereum, les cumuls L2 offrent des avantages significatifs et sont pris en charge par la communauté.
Bien qu'il existe plusieurs définitions des cumuls L2, il est généralement admis que les cumuls L2 sont des réseaux avec deux caractéristiques clés : la disponibilité des données en chaîne et l'exécution des transactions hors chaîne sur Ethereum ou d'autres réseaux sous-jacents. Fondamentalement, l'état historique ou les données de transaction d'entrée sont accessibles au public et soumises à vérification sur Ethereum, mais toutes les transactions individuelles et les transitions d'état sont déplacées hors du réseau principal.
Si les L2 Rollups ont en effet grandement amélioré les performances de ces « ordinateurs globaux », nombre d'entre eux présentent un risque systémique de centralisation, ce qui remet fondamentalement en cause les principes de la blockchain en tant que réseau décentralisé. En effet, l'exécution hors chaîne implique non seulement des transitions d'état individuelles, mais également le séquencement ou le traitement par lots de ces transactions. Dans la plupart des cas, l'ordonnateur L2 effectue le tri, tandis que les validateurs L2 calculent le nouvel état. Cependant, fournir cette capacité de commande aux donneurs d'ordre L2 crée un risque de centralisation, où le donneur d'ordre centralisé peut abuser de son pouvoir pour censurer arbitrairement les transactions, perturber l'activité du réseau et profiter de la capture MEV.
Bien qu'il y ait eu de nombreuses discussions sur les moyens de réduire le risque de centralisation L2, par exemple par le partage, l'externalisation ou les solutions basées sur les commandes, les solutions de commandes décentralisées (telles que PoA, la sélection du leader PoS, les enchères MEV et PoE), parmi lesquelles de nombreux les tentatives en sont encore au stade de la conception et sont loin d'être la panacée à ce problème. De plus, de nombreux projets L2 semblent réticents à mettre en œuvre une solution de tri décentralisée. Par exemple, Arbitrum propose un trieur décentralisé en option. Outre le problème de l'ordonnanceur centralisé, le cumul L2 peut rencontrer des problèmes de centralisation liés aux exigences matérielles du nœud complet, aux risques de gouvernance et aux tendances de cumul des applications.
b) Cumuls L2 et trilemme informatique mondial
Tous ces problèmes de centralisation qui accompagnent le fait de s'appuyer sur les cumuls L2 pour faire évoluer Ethereum révèlent un problème fondamental, le "trilemme informatique mondial", qui est dérivé du "trilemme" classique de la blockchain :
Différentes priorités pour ce trilemme entraîneront différents compromis :
Grand livre de consensus fort : nécessite essentiellement un stockage et un calcul répétés, il n'est donc pas adapté à l'expansion du stockage et du calcul.
Forte puissance de calcul : Il est nécessaire de réutiliser le consensus lors de l'exécution d'un grand nombre de tâches de calcul et de preuve, il n'est donc pas adapté au stockage à grande échelle.
Forte capacité de stockage : il est nécessaire de réutiliser le consensus lors de l'exécution de preuves spatiales à échantillonnage aléatoire fréquent, il n'est donc pas adapté au calcul.
Le schéma traditionnel L2 consiste en fait à construire l'ordinateur mondial de manière modulaire. Cependant, étant donné que les différentes fonctions ne sont pas partitionnées en fonction des priorités susmentionnées, le World Computer conserve l'architecture mainframe d'origine d'Ethereum même avec une mise à l'échelle. Cette architecture ne peut pas satisfaire d'autres fonctions telles que la décentralisation et la performance, et ne peut pas résoudre le trilemme de l'ordinateur mondial.
En d'autres termes, les cumuls L2 implémentent en fait les fonctions suivantes :
Modularisation de l'ordinateur mondial (plus d'expériences sur la couche de consensus et une certaine confiance externe sur l'ordonnanceur centralisé) ;
Améliorations du débit de World Computer (mais pas strictement "élargies");
Open innovation de l'informatique mondiale.
Cependant, les cumuls L2 ne fournissent pas :
Décentralisation de l'informatique mondiale ;
Amélioration des performances de l'ordinateur mondial (le TPS maximal de Rollups combiné n'est en fait pas suffisant, et L2 ne peut pas avoir une finalité plus rapide que L1);
Calcul par l'ordinateur mondial (cela implique le calcul au-delà du traitement des transactions, comme l'apprentissage automatique et les oracles).
Bien que l'architecture informatique mondiale puisse avoir des blockchains L2 et modulaires, cela ne résout pas le problème fondamental. L2 peut résoudre le trilemme de la blockchain, mais pas le trilemme de l'ordinateur mondial lui-même. Ainsi, comme nous l'avons vu, les approches actuelles ne suffisent pas pour réaliser véritablement le supercalculateur mondial décentralisé qu'Ethereum envisageait à l'origine. Nous avons besoin d'une expansion des performances et d'une décentralisation, et non d'une expansion des performances et d'une décentralisation progressive.
2. Objectifs de conception des supercalculateurs mondiaux
Pour cela, nous avons besoin d'un réseau capable de résoudre des calculs intensifs vraiment polyvalents (en particulier l'apprentissage automatique et les oracles), tout en conservant la décentralisation complète de la blockchain de la couche de base. De plus, nous devons nous assurer que le réseau est capable de prendre en charge des calculs intensifs, tels que l'apprentissage automatique (ML), qui peuvent être exécutés directement sur le réseau et finalement vérifiés sur la blockchain. De plus, nous devons fournir une capacité de stockage et de calcul suffisante en plus des implémentations informatiques mondiales existantes, les objectifs et les méthodes de conception sont les suivants :
a) Exigences de calcul
Pour répondre aux besoins et aux objectifs d'un ordinateur mondial, nous étendons le concept d'ordinateur mondial décrit par Ethereum et visons à réaliser un supercalculateur mondial.
Le supercalculateur mondial doit d'abord accomplir les tâches que les ordinateurs peuvent accomplir maintenant et à l'avenir de manière décentralisée. Pour se préparer à une adoption massive, les développeurs ont besoin des superordinateurs du monde entier pour accélérer le développement et l'adoption de l'apprentissage automatique décentralisé afin d'exécuter l'inférence et la validation de modèles.
Pour les tâches informatiques gourmandes en ressources telles que l'apprentissage automatique, atteindre un tel objectif nécessite non seulement des techniques informatiques minimisant la confiance telles que les preuves à connaissance nulle, mais également une plus grande capacité de données sur le réseau décentralisé. Celles-ci ne peuvent pas être réalisées sur un seul réseau P2P (comme la blockchain traditionnelle).
b) Solutions aux goulots d'étranglement des performances
Aux débuts de l'informatique, nos pionniers étaient confrontés à des goulots d'étranglement de performances similaires lorsqu'ils faisaient des compromis entre la puissance de calcul et la capacité de stockage. Prenons l'exemple du plus petit composant d'un circuit.
Nous pouvons comparer le calcul à une ampoule/transistor et le stockage à un condensateur. Dans un circuit, une ampoule nécessite un courant électrique pour émettre de la lumière, similaire à une tâche de calcul nécessitant un calcul à effectuer. Les condensateurs, d'autre part, stockent la charge, de la même manière que le stockage peut stocker des données.
Pour la même tension et le même courant, il peut y avoir un compromis dans la distribution d'énergie entre l'ampoule et le condensateur. En règle générale, des calculs plus élevés nécessitent plus de courant pour effectuer la tâche de calcul et nécessitent donc moins d'énergie à stocker par le condensateur. Des condensateurs plus grands peuvent stocker plus d'énergie, mais peuvent entraîner des performances de calcul inférieures à des charges de calcul plus élevées. Ce compromis rend impossible la combinaison du calcul et du stockage dans certains cas.
Dans l'architecture informatique de von Neumann, cela a conduit au concept de séparation du périphérique de stockage de l'unité centrale de traitement. Semblable à la séparation de l'ampoule du condensateur, cela pourrait résoudre le goulot d'étranglement des performances des systèmes de superordinateurs de notre monde.
De plus, les bases de données distribuées hautes performances traditionnelles adoptent un schéma de conception qui sépare le stockage et l'informatique. Ce schéma a été adopté car il est entièrement compatible avec les caractéristiques des superordinateurs du monde.
c) Nouvelle topologie d'architecture
La principale différence entre les blockchains modulaires (y compris les rollups L2) et les architectures informatiques mondiales est leur objectif :
Blockchain modulaire : vise à créer de nouvelles blockchains en sélectionnant des modules (consensus, couche de disponibilité des données DA, règlement et exécution) et en les combinant dans des blockchains modulaires.
World Supercomputer : Vise à construire un ordinateur/réseau mondial décentralisé en combinant des réseaux (chaîne de blocs de couche de base, réseau de stockage, réseau informatique) dans un ordinateur mondial.
Nous proposons une alternative selon laquelle l'éventuel supercalculateur mondial sera composé de trois réseaux P2P topologiquement hétérogènes connectés par des bus (connecteurs) sans confiance tels que la technologie de preuve à connaissance nulle : registre de consensus, réseau informatique et réseau de stockage. Cette configuration de base permet aux superordinateurs du monde de résoudre le trilemme informatique mondial, et d'autres composants peuvent être ajoutés selon les besoins pour une application particulière.
Il convient de noter que l'hétérogénéité topologique implique non seulement des différences architecturales et structurelles, mais également des différences fondamentales dans les formes topologiques. Par exemple, si Ethereum et Cosmos sont hétérogènes en termes de couches réseau et d'interconnexions, ils sont toujours équivalents en termes d'hétérogénéité topologique (blockchains).
Dans les superordinateurs du monde, la blockchain des registres consensuels adopte la forme de la blockchain et les nœuds adoptent la forme d'un graphe complet, tandis que le réseau zkOracle comme Hyper Oracle est un réseau sans registres et les nœuds forment un graphe cyclique, tandis que le réseau structure de stockage Rollup est une autre variante, les partitions forment des sous-réseaux.
En utilisant des preuves à connaissance nulle comme bus de données, nous pouvons réaliser un supercalculateur mondial entièrement décentralisé, imparable, sans autorisation et évolutif en connectant trois réseaux peer-to-peer topologiquement hétérogènes.
3. Architecture mondiale des supercalculateurs
Semblable à la construction d'un ordinateur physique, nous devons assembler le réseau de consensus, le réseau informatique et le réseau de stockage mentionnés précédemment dans un supercalculateur mondial.
Une sélection et une connexion appropriées de chaque composant nous aideront à atteindre un équilibre entre le grand livre consensuel, le trilemme de la puissance de calcul et de la capacité de stockage, et assureront finalement la décentralisation, les hautes performances et la sécurité des superordinateurs du monde.
L'architecture des supercalculateurs mondiaux est décrite comme suit selon leurs fonctions :
La structure des nœuds d'un réseau mondial de superordinateurs avec un réseau de consensus, de calcul et de stockage ressemble à ce qui suit :
Pour lancer le réseau, les nœuds du supercalculateur mondial s'appuieront sur l'infrastructure décentralisée d'Ethereum. Les nœuds à hautes performances de calcul peuvent rejoindre le réseau informatique de zkOracle pour générer des preuves pour l'informatique générale ou l'apprentissage automatique, tandis que les nœuds à haute capacité de stockage peuvent rejoindre le réseau de stockage d'EthStorage.
Les exemples ci-dessus décrivent des nœuds exécutant à la fois des réseaux Ethereum et de calcul/stockage. Pour les nœuds qui n'exécutent que des réseaux de calcul/stockage, ils peuvent accéder aux derniers blocs d'Ethereum ou prouver la disponibilité des données stockées via un bus de technologies sans connaissance telles que zkPoS et zkNoSQL sans confiance.
a) Consensus Ethereum
Actuellement, le réseau consensuel des supercalculateurs du monde utilise exclusivement Ethereum. Ethereum a un consensus social fort et une sécurité au niveau du réseau, garantissant un consensus décentralisé.
Les superordinateurs du monde sont construits sur une architecture consensuelle centrée sur les registres. Le registre de consensus a deux objectifs principaux :
Fournir un consensus pour l'ensemble du système ;
Définissez le cycle d'horloge du processeur avec l'intervalle de bloc.
Comparé aux réseaux informatiques ou aux réseaux de stockage, Ethereum ne peut pas gérer un grand nombre de tâches informatiques en même temps, ni stocker de grandes quantités de données à usage général.
Parmi les superordinateurs du monde, Ethereum est un réseau consensuel pour stocker des données, telles que L2 Rollup, pour parvenir à un consensus pour le réseau informatique et de stockage, et pour charger des données clés afin que le réseau informatique puisse effectuer d'autres calculs hors chaîne.
b) Store Rollup
Le Proto-danksharding et le Danksharding d'Ethereum sont essentiellement des moyens de faire évoluer le réseau consensuel. Pour atteindre la capacité de stockage requise par les supercalculateurs du monde, nous avons besoin d'une solution à la fois native d'Ethereum et prenant en charge le stockage permanent de grandes quantités de données.
Les cumuls de stockage, comme EthStorage, font essentiellement évoluer Ethereum pour un stockage massif. De plus, étant donné que les applications gourmandes en ressources de calcul telles que l'apprentissage automatique nécessitent de grandes quantités de mémoire pour fonctionner sur des ordinateurs physiques, il est important de noter que la "mémoire" d'Ethereum ne peut pas être surdimensionnée. Les cumuls de stockage sont nécessaires pour le "permutation" qui permet aux superordinateurs du monde d'exécuter des tâches de calcul intensives.
En outre, EthStorage fournit un protocole d'accès web3:// (ERC-4804), similaire à l'URI natif ou à l'adressage des ressources de stockage des superordinateurs du monde.
c) zkRéseau informatique Oracle
Le réseau informatique est l'élément le plus important des supercalculateurs mondiaux car il détermine les performances globales. Il doit être capable de gérer des calculs complexes tels que les oracles ou l'apprentissage automatique, et doit être plus rapide que les réseaux de consensus et de stockage en termes d'accès et de traitement des données.
Le réseau zkOracle est un réseau informatique décentralisé et à confiance minimisée capable de traiter des calculs arbitraires. Tout programme en cours d'exécution génère une preuve ZK qui, lorsqu'elle est utilisée, peut être facilement vérifiée par consensus (Ethereum) ou d'autres composants.
Hyper Oracle est un réseau de zkOracles, optimisé par zkWASM et EZKL, qui peut exécuter n'importe quel calcul à l'aide de traces de preuve d'exécution.
Le réseau zkOracle est une blockchain sans grand livre (pas d'état global) qui suit la structure de chaîne de la blockchain d'origine (Ethereum), mais fonctionne comme un réseau informatique sans grand livre. Le réseau zkOracle ne garantit pas la validité informatique par la réexécution comme les chaînes de blocs traditionnelles ; au lieu de cela, il fournit une vérifiabilité informatique grâce aux preuves générées. La conception sans grand livre et la configuration de nœuds dédiés pour l'informatique permettent aux réseaux zkOracle (tels que Hyper Oracle) de se concentrer sur l'informatique haute performance et à confiance réduite. Le résultat du calcul est directement envoyé au réseau de consensus au lieu de générer un nouveau consensus.
Dans le réseau informatique de zkOracle, chaque unité de calcul ou fichier exécutable est représenté par un zkGraph. Ces zkGraphs définissent le comportement de calcul et de génération de preuves, tout comme les contrats intelligents définissent le calcul d'un réseau de consensus.
I. Informatique générale hors chaîne
Le programme zkGraph dans le calcul de zkOracle peut être utilisé sans pile externe pour deux cas d'utilisation principaux :
indexation (accès aux données de la blockchain) ;
Automatisation (appels de contrats intelligents automatisés) ;
Tout autre calcul hors chaîne.
Ces deux cas peuvent répondre aux exigences de middleware et d'infrastructure de tout développeur de contrat intelligent. Cela signifie qu'en tant que développeur du supercalculateur mondial, vous pouvez suivre l'intégralité du processus de développement décentralisé de bout en bout lors de la création d'une application décentralisée complète, y compris les contrats intelligents sur la chaîne sur le réseau consensuel et les chaînes sur le réseau informatique. calculer.
II. Calculs ML/AI
Pour parvenir à une adoption à l'échelle d'Internet et prendre en charge n'importe quel scénario d'application, les superordinateurs du monde doivent prendre en charge l'apprentissage automatique de manière décentralisée.
Grâce à la technologie sans connaissance, l'apprentissage automatique et l'intelligence artificielle peuvent être intégrés dans les superordinateurs du monde et vérifiés sur le réseau consensuel d'Ethereum pour obtenir une véritable informatique en chaîne.
Dans ce cas, zkGraph peut être connecté à des piles technologiques externes, combinant ainsi zkML lui-même avec le réseau informatique des supercalculateurs du monde. Cela permet à tous les types d'applications zkML de :
ML/AI pour la protection de la vie privée des utilisateurs ;
* ML/AI pour la protection de la confidentialité des modèles ;
ML/AI avec efficacité de calcul.
Afin d'atteindre la puissance de calcul de l'apprentissage automatique et de l'intelligence artificielle des superordinateurs du monde, zkGraph sera combiné avec les piles technologiques avancées zkML suivantes, leur offrant une intégration directe avec les réseaux de consensus et les réseaux de stockage.
EZKL : Effectuez des inférences dans zk-snark pour les modèles d'apprentissage en profondeur et d'autres graphiques de calcul.
Reste : opérations d'apprentissage automatique rapides dans Halo2 Prover.
circomlib-ml : bibliothèque de circuits Circom pour l'apprentissage automatique.
e) zk comme bus de données
Maintenant que nous avons tous les composants de base du supercalculateur mondial, nous avons besoin d'un dernier composant pour les connecter. Nous avons besoin d'un bus vérifiable et à confiance minimisée pour communiquer et coordonner entre les composants.
Hyper Oracle zkPoS est un candidat approprié pour le bus zk pour les superordinateurs du monde utilisant Ethereum comme réseau consensuel. zkPoS est un composant clé de zkOracle, qui vérifie le consensus d'Ethereum via ZK, afin que le consensus d'Ethereum puisse être propagé et vérifié dans n'importe quel environnement.
En tant que bus décentralisé et à confiance minimisée, zkPoS peut connecter tous les composants des superordinateurs du monde via ZK, avec presque aucune surcharge de calcul de vérification. Tant qu'il y a un bus comme zkPoS, les données peuvent circuler librement dans les superordinateurs du monde.
Lorsque le consensus d'Ethereum peut être transmis de la couche de consensus au bus en tant que données de consensus initiales des superordinateurs du monde, zkPoS peut le prouver par une preuve d'état/d'événement/de transaction. Les données générées peuvent ensuite être transmises au réseau informatique du réseau zkOracle.
De plus, pour le bus du réseau de stockage, EthStorage développe zkNoSQL pour permettre des preuves de disponibilité des données, permettant à d'autres réseaux de vérifier rapidement qu'un BLOB a suffisamment de répliques.
f) Un autre cas : Bitcoin comme réseau consensuel
Comme de nombreux rollups souverains de deuxième couche, un réseau décentralisé comme Bitcoin peut servir de réseau consensuel sous-tendant les superordinateurs du monde.
Afin de prendre en charge un tel supercalculateur mondial, nous devons remplacer le bus zkPoS, car Bitcoin est un réseau blockchain basé sur le mécanisme PoW.
Nous pouvons utiliser ZeroSync pour implémenter zk comme bus du supercalculateur mondial Bitcoin. ZeroSync est similaire à "zkPoW", qui synchronise le consensus de Bitcoin via des preuves à connaissance nulle, permettant à tout environnement informatique de vérifier et d'obtenir le dernier statut Bitcoin en quelques millisecondes.
g) Flux de travail
Voici un aperçu du processus de transaction du supercalculateur mondial basé sur Ethereum, décomposé en plusieurs étapes :
Consensus : les transactions sont traitées et ont abouti à un consensus à l'aide d'Ethereum.
Calcul : le réseau zkOracle effectue des calculs hors chaîne pertinents (définis par zkGraph chargé à partir d'EthStorage) en vérifiant rapidement les preuves et les données consensuelles fournies par zkPoS en tant que bus.
Consensus : dans certains cas, tels que l'automatisation et l'apprentissage automatique, le réseau informatique retransmettra les données et les transactions à Ethereum ou EthStorage via des preuves.
Stockage : pour stocker de grandes quantités de données d'Ethereum (telles que les métadonnées NFT), zkPoS agit comme un messager entre les contrats intelligents Ethereum et EthStorage.
Tout au long du processus, le bus joue un rôle essentiel en reliant chaque étape :
Lorsque des données de consensus sont transmises d'Ethereum au calcul du réseau zkOracle ou au stockage d'EthStorage, zkPoS et les preuves d'état/d'événement/de transaction génèrent des preuves que le récepteur peut rapidement vérifier pour obtenir les données exactes, telles que la transaction correspondante.
Lorsque le réseau zkOracle a besoin de charger des données à partir du stockage pour le calcul, il utilise zkPoS pour accéder à l'adresse des données du réseau de consensus, puis utilise zkNoSQL pour obtenir les données réelles du stockage.
Lorsque les données du réseau zkOracle ou d'Ethereum doivent être affichées dans le formulaire de sortie final, zkPoS génère des preuves pour les clients (tels que les navigateurs) pour une vérification rapide.
en conclusion
Bitcoin a jeté des bases solides pour la création de l'ordinateur mondial v0 et construit avec succès le "grand livre mondial". Par la suite, Ethereum a efficacement démontré le paradigme de "l'ordinateur mondial" en introduisant un mécanisme de contrat intelligent plus programmable. Pour parvenir à la décentralisation, en tirant parti de l'absence de confiance inhérente à la cryptographie, des incitations économiques naturelles du MEV, de la conduite de l'adoption massive, du potentiel de la technologie ZK et de la nécessité d'une informatique décentralisée à usage général, y compris l'apprentissage automatique, l'émergence des superordinateurs mondiaux est devenu nécessaire.
Notre solution proposée construira un supercalculateur mondial en connectant des réseaux P2P topologiquement hétérogènes à l'aide de preuves à connaissance nulle. En tant que grand livre de consensus, Ethereum fournira le consensus de base et utilisera l'intervalle de bloc comme cycle d'horloge de l'ensemble du système. En tant que réseau de stockage, un cumul de stockage stockera de grandes quantités de données et fournira des normes URI pour accéder aux données. En tant que réseau informatique, le réseau zkOracle exécutera des calculs gourmands en ressources et générera des preuves de calcul vérifiables. En tant que bus de données, la technologie de preuve de connaissance zéro connectera divers composants et permettra de relier et de vérifier les données et le consensus.
Voir l'original
Le contenu est fourni à titre de référence uniquement, il ne s'agit pas d'une sollicitation ou d'une offre. Aucun conseil en investissement, fiscalité ou juridique n'est fourni. Consultez l'Avertissement pour plus de détails sur les risques.
Vers le supercalculateur mondial : un nouveau paradigme pour l'exécution décentralisée à grande échelle
Titre original : "Towards World Supercomputer"
Écrit par : msfew, Kartin, Xiaohang Yu, Qi Zhou
Compilation : Deep Tide TechFlow
introduire
À quel point Ethereum est-il proche de devenir le supercalculateur de ce monde ?
De l'algorithme de consensus peer-to-peer de Bitcoin à l'EVM d'Ethereum en passant par le concept de nation réseau, l'un des objectifs de la communauté blockchain a toujours été de construire un superordinateur mondial, plus précisément un état unifié décentralisé, imparable, sans confiance et évolutif. machine.
Bien que l'on sache depuis longtemps que tout cela est très théoriquement possible, la plupart des efforts en cours à ce jour ont été très fragmentés et comportent de sérieux compromis et limites.
Dans cet article, nous explorons certains des compromis et limitations auxquels sont confrontés les tentatives existantes de construction d'un ordinateur mondial, puis analysons les composants nécessaires à une telle machine, et proposons enfin une nouvelle architecture de supercalculateur mondial.
Une nouvelle possibilité, digne de notre compréhension.
1. Limites de la méthode actuelle
a) Cumuls Ethereum et L2
Ethereum a été la première véritable tentative de construction du supercalculateur mondial, et sans doute la plus réussie. Cependant, au cours de son développement, Ethereum a largement privilégié la décentralisation et la sécurité à l'évolutivité et aux performances. Ainsi, bien que l'Ethereum fiable et régulier soit loin d'être le superordinateur du monde, il n'est tout simplement pas à l'échelle.
La solution actuelle est L2 Rollups, qui est devenue la solution de mise à l'échelle la plus largement adoptée pour améliorer les performances des ordinateurs dans le monde Ethereum. En tant que couche supplémentaire construite au-dessus d'Ethereum, les cumuls L2 offrent des avantages significatifs et sont pris en charge par la communauté.
Bien qu'il existe plusieurs définitions des cumuls L2, il est généralement admis que les cumuls L2 sont des réseaux avec deux caractéristiques clés : la disponibilité des données en chaîne et l'exécution des transactions hors chaîne sur Ethereum ou d'autres réseaux sous-jacents. Fondamentalement, l'état historique ou les données de transaction d'entrée sont accessibles au public et soumises à vérification sur Ethereum, mais toutes les transactions individuelles et les transitions d'état sont déplacées hors du réseau principal.
Si les L2 Rollups ont en effet grandement amélioré les performances de ces « ordinateurs globaux », nombre d'entre eux présentent un risque systémique de centralisation, ce qui remet fondamentalement en cause les principes de la blockchain en tant que réseau décentralisé. En effet, l'exécution hors chaîne implique non seulement des transitions d'état individuelles, mais également le séquencement ou le traitement par lots de ces transactions. Dans la plupart des cas, l'ordonnateur L2 effectue le tri, tandis que les validateurs L2 calculent le nouvel état. Cependant, fournir cette capacité de commande aux donneurs d'ordre L2 crée un risque de centralisation, où le donneur d'ordre centralisé peut abuser de son pouvoir pour censurer arbitrairement les transactions, perturber l'activité du réseau et profiter de la capture MEV.
Bien qu'il y ait eu de nombreuses discussions sur les moyens de réduire le risque de centralisation L2, par exemple par le partage, l'externalisation ou les solutions basées sur les commandes, les solutions de commandes décentralisées (telles que PoA, la sélection du leader PoS, les enchères MEV et PoE), parmi lesquelles de nombreux les tentatives en sont encore au stade de la conception et sont loin d'être la panacée à ce problème. De plus, de nombreux projets L2 semblent réticents à mettre en œuvre une solution de tri décentralisée. Par exemple, Arbitrum propose un trieur décentralisé en option. Outre le problème de l'ordonnanceur centralisé, le cumul L2 peut rencontrer des problèmes de centralisation liés aux exigences matérielles du nœud complet, aux risques de gouvernance et aux tendances de cumul des applications.
b) Cumuls L2 et trilemme informatique mondial
Tous ces problèmes de centralisation qui accompagnent le fait de s'appuyer sur les cumuls L2 pour faire évoluer Ethereum révèlent un problème fondamental, le "trilemme informatique mondial", qui est dérivé du "trilemme" classique de la blockchain :
Différentes priorités pour ce trilemme entraîneront différents compromis :
Le schéma traditionnel L2 consiste en fait à construire l'ordinateur mondial de manière modulaire. Cependant, étant donné que les différentes fonctions ne sont pas partitionnées en fonction des priorités susmentionnées, le World Computer conserve l'architecture mainframe d'origine d'Ethereum même avec une mise à l'échelle. Cette architecture ne peut pas satisfaire d'autres fonctions telles que la décentralisation et la performance, et ne peut pas résoudre le trilemme de l'ordinateur mondial.
En d'autres termes, les cumuls L2 implémentent en fait les fonctions suivantes :
Cependant, les cumuls L2 ne fournissent pas :
Bien que l'architecture informatique mondiale puisse avoir des blockchains L2 et modulaires, cela ne résout pas le problème fondamental. L2 peut résoudre le trilemme de la blockchain, mais pas le trilemme de l'ordinateur mondial lui-même. Ainsi, comme nous l'avons vu, les approches actuelles ne suffisent pas pour réaliser véritablement le supercalculateur mondial décentralisé qu'Ethereum envisageait à l'origine. Nous avons besoin d'une expansion des performances et d'une décentralisation, et non d'une expansion des performances et d'une décentralisation progressive.
2. Objectifs de conception des supercalculateurs mondiaux
Pour cela, nous avons besoin d'un réseau capable de résoudre des calculs intensifs vraiment polyvalents (en particulier l'apprentissage automatique et les oracles), tout en conservant la décentralisation complète de la blockchain de la couche de base. De plus, nous devons nous assurer que le réseau est capable de prendre en charge des calculs intensifs, tels que l'apprentissage automatique (ML), qui peuvent être exécutés directement sur le réseau et finalement vérifiés sur la blockchain. De plus, nous devons fournir une capacité de stockage et de calcul suffisante en plus des implémentations informatiques mondiales existantes, les objectifs et les méthodes de conception sont les suivants :
a) Exigences de calcul
Pour répondre aux besoins et aux objectifs d'un ordinateur mondial, nous étendons le concept d'ordinateur mondial décrit par Ethereum et visons à réaliser un supercalculateur mondial.
Le supercalculateur mondial doit d'abord accomplir les tâches que les ordinateurs peuvent accomplir maintenant et à l'avenir de manière décentralisée. Pour se préparer à une adoption massive, les développeurs ont besoin des superordinateurs du monde entier pour accélérer le développement et l'adoption de l'apprentissage automatique décentralisé afin d'exécuter l'inférence et la validation de modèles.
Pour les tâches informatiques gourmandes en ressources telles que l'apprentissage automatique, atteindre un tel objectif nécessite non seulement des techniques informatiques minimisant la confiance telles que les preuves à connaissance nulle, mais également une plus grande capacité de données sur le réseau décentralisé. Celles-ci ne peuvent pas être réalisées sur un seul réseau P2P (comme la blockchain traditionnelle).
b) Solutions aux goulots d'étranglement des performances
Aux débuts de l'informatique, nos pionniers étaient confrontés à des goulots d'étranglement de performances similaires lorsqu'ils faisaient des compromis entre la puissance de calcul et la capacité de stockage. Prenons l'exemple du plus petit composant d'un circuit.
Nous pouvons comparer le calcul à une ampoule/transistor et le stockage à un condensateur. Dans un circuit, une ampoule nécessite un courant électrique pour émettre de la lumière, similaire à une tâche de calcul nécessitant un calcul à effectuer. Les condensateurs, d'autre part, stockent la charge, de la même manière que le stockage peut stocker des données.
Pour la même tension et le même courant, il peut y avoir un compromis dans la distribution d'énergie entre l'ampoule et le condensateur. En règle générale, des calculs plus élevés nécessitent plus de courant pour effectuer la tâche de calcul et nécessitent donc moins d'énergie à stocker par le condensateur. Des condensateurs plus grands peuvent stocker plus d'énergie, mais peuvent entraîner des performances de calcul inférieures à des charges de calcul plus élevées. Ce compromis rend impossible la combinaison du calcul et du stockage dans certains cas.
Dans l'architecture informatique de von Neumann, cela a conduit au concept de séparation du périphérique de stockage de l'unité centrale de traitement. Semblable à la séparation de l'ampoule du condensateur, cela pourrait résoudre le goulot d'étranglement des performances des systèmes de superordinateurs de notre monde.
De plus, les bases de données distribuées hautes performances traditionnelles adoptent un schéma de conception qui sépare le stockage et l'informatique. Ce schéma a été adopté car il est entièrement compatible avec les caractéristiques des superordinateurs du monde.
c) Nouvelle topologie d'architecture
La principale différence entre les blockchains modulaires (y compris les rollups L2) et les architectures informatiques mondiales est leur objectif :
Nous proposons une alternative selon laquelle l'éventuel supercalculateur mondial sera composé de trois réseaux P2P topologiquement hétérogènes connectés par des bus (connecteurs) sans confiance tels que la technologie de preuve à connaissance nulle : registre de consensus, réseau informatique et réseau de stockage. Cette configuration de base permet aux superordinateurs du monde de résoudre le trilemme informatique mondial, et d'autres composants peuvent être ajoutés selon les besoins pour une application particulière.
Il convient de noter que l'hétérogénéité topologique implique non seulement des différences architecturales et structurelles, mais également des différences fondamentales dans les formes topologiques. Par exemple, si Ethereum et Cosmos sont hétérogènes en termes de couches réseau et d'interconnexions, ils sont toujours équivalents en termes d'hétérogénéité topologique (blockchains).
Dans les superordinateurs du monde, la blockchain des registres consensuels adopte la forme de la blockchain et les nœuds adoptent la forme d'un graphe complet, tandis que le réseau zkOracle comme Hyper Oracle est un réseau sans registres et les nœuds forment un graphe cyclique, tandis que le réseau structure de stockage Rollup est une autre variante, les partitions forment des sous-réseaux.
En utilisant des preuves à connaissance nulle comme bus de données, nous pouvons réaliser un supercalculateur mondial entièrement décentralisé, imparable, sans autorisation et évolutif en connectant trois réseaux peer-to-peer topologiquement hétérogènes.
3. Architecture mondiale des supercalculateurs
Semblable à la construction d'un ordinateur physique, nous devons assembler le réseau de consensus, le réseau informatique et le réseau de stockage mentionnés précédemment dans un supercalculateur mondial.
Une sélection et une connexion appropriées de chaque composant nous aideront à atteindre un équilibre entre le grand livre consensuel, le trilemme de la puissance de calcul et de la capacité de stockage, et assureront finalement la décentralisation, les hautes performances et la sécurité des superordinateurs du monde.
L'architecture des supercalculateurs mondiaux est décrite comme suit selon leurs fonctions :
La structure des nœuds d'un réseau mondial de superordinateurs avec un réseau de consensus, de calcul et de stockage ressemble à ce qui suit :
Pour lancer le réseau, les nœuds du supercalculateur mondial s'appuieront sur l'infrastructure décentralisée d'Ethereum. Les nœuds à hautes performances de calcul peuvent rejoindre le réseau informatique de zkOracle pour générer des preuves pour l'informatique générale ou l'apprentissage automatique, tandis que les nœuds à haute capacité de stockage peuvent rejoindre le réseau de stockage d'EthStorage.
Les exemples ci-dessus décrivent des nœuds exécutant à la fois des réseaux Ethereum et de calcul/stockage. Pour les nœuds qui n'exécutent que des réseaux de calcul/stockage, ils peuvent accéder aux derniers blocs d'Ethereum ou prouver la disponibilité des données stockées via un bus de technologies sans connaissance telles que zkPoS et zkNoSQL sans confiance.
a) Consensus Ethereum
Actuellement, le réseau consensuel des supercalculateurs du monde utilise exclusivement Ethereum. Ethereum a un consensus social fort et une sécurité au niveau du réseau, garantissant un consensus décentralisé.
Les superordinateurs du monde sont construits sur une architecture consensuelle centrée sur les registres. Le registre de consensus a deux objectifs principaux :
Comparé aux réseaux informatiques ou aux réseaux de stockage, Ethereum ne peut pas gérer un grand nombre de tâches informatiques en même temps, ni stocker de grandes quantités de données à usage général.
Parmi les superordinateurs du monde, Ethereum est un réseau consensuel pour stocker des données, telles que L2 Rollup, pour parvenir à un consensus pour le réseau informatique et de stockage, et pour charger des données clés afin que le réseau informatique puisse effectuer d'autres calculs hors chaîne.
b) Store Rollup
Le Proto-danksharding et le Danksharding d'Ethereum sont essentiellement des moyens de faire évoluer le réseau consensuel. Pour atteindre la capacité de stockage requise par les supercalculateurs du monde, nous avons besoin d'une solution à la fois native d'Ethereum et prenant en charge le stockage permanent de grandes quantités de données.
Les cumuls de stockage, comme EthStorage, font essentiellement évoluer Ethereum pour un stockage massif. De plus, étant donné que les applications gourmandes en ressources de calcul telles que l'apprentissage automatique nécessitent de grandes quantités de mémoire pour fonctionner sur des ordinateurs physiques, il est important de noter que la "mémoire" d'Ethereum ne peut pas être surdimensionnée. Les cumuls de stockage sont nécessaires pour le "permutation" qui permet aux superordinateurs du monde d'exécuter des tâches de calcul intensives.
En outre, EthStorage fournit un protocole d'accès web3:// (ERC-4804), similaire à l'URI natif ou à l'adressage des ressources de stockage des superordinateurs du monde.
c) zkRéseau informatique Oracle
Le réseau informatique est l'élément le plus important des supercalculateurs mondiaux car il détermine les performances globales. Il doit être capable de gérer des calculs complexes tels que les oracles ou l'apprentissage automatique, et doit être plus rapide que les réseaux de consensus et de stockage en termes d'accès et de traitement des données.
Le réseau zkOracle est un réseau informatique décentralisé et à confiance minimisée capable de traiter des calculs arbitraires. Tout programme en cours d'exécution génère une preuve ZK qui, lorsqu'elle est utilisée, peut être facilement vérifiée par consensus (Ethereum) ou d'autres composants.
Hyper Oracle est un réseau de zkOracles, optimisé par zkWASM et EZKL, qui peut exécuter n'importe quel calcul à l'aide de traces de preuve d'exécution.
Le réseau zkOracle est une blockchain sans grand livre (pas d'état global) qui suit la structure de chaîne de la blockchain d'origine (Ethereum), mais fonctionne comme un réseau informatique sans grand livre. Le réseau zkOracle ne garantit pas la validité informatique par la réexécution comme les chaînes de blocs traditionnelles ; au lieu de cela, il fournit une vérifiabilité informatique grâce aux preuves générées. La conception sans grand livre et la configuration de nœuds dédiés pour l'informatique permettent aux réseaux zkOracle (tels que Hyper Oracle) de se concentrer sur l'informatique haute performance et à confiance réduite. Le résultat du calcul est directement envoyé au réseau de consensus au lieu de générer un nouveau consensus.
Dans le réseau informatique de zkOracle, chaque unité de calcul ou fichier exécutable est représenté par un zkGraph. Ces zkGraphs définissent le comportement de calcul et de génération de preuves, tout comme les contrats intelligents définissent le calcul d'un réseau de consensus.
I. Informatique générale hors chaîne
Le programme zkGraph dans le calcul de zkOracle peut être utilisé sans pile externe pour deux cas d'utilisation principaux :
Ces deux cas peuvent répondre aux exigences de middleware et d'infrastructure de tout développeur de contrat intelligent. Cela signifie qu'en tant que développeur du supercalculateur mondial, vous pouvez suivre l'intégralité du processus de développement décentralisé de bout en bout lors de la création d'une application décentralisée complète, y compris les contrats intelligents sur la chaîne sur le réseau consensuel et les chaînes sur le réseau informatique. calculer.
II. Calculs ML/AI
Pour parvenir à une adoption à l'échelle d'Internet et prendre en charge n'importe quel scénario d'application, les superordinateurs du monde doivent prendre en charge l'apprentissage automatique de manière décentralisée.
Grâce à la technologie sans connaissance, l'apprentissage automatique et l'intelligence artificielle peuvent être intégrés dans les superordinateurs du monde et vérifiés sur le réseau consensuel d'Ethereum pour obtenir une véritable informatique en chaîne.
Dans ce cas, zkGraph peut être connecté à des piles technologiques externes, combinant ainsi zkML lui-même avec le réseau informatique des supercalculateurs du monde. Cela permet à tous les types d'applications zkML de :
Afin d'atteindre la puissance de calcul de l'apprentissage automatique et de l'intelligence artificielle des superordinateurs du monde, zkGraph sera combiné avec les piles technologiques avancées zkML suivantes, leur offrant une intégration directe avec les réseaux de consensus et les réseaux de stockage.
e) zk comme bus de données
Maintenant que nous avons tous les composants de base du supercalculateur mondial, nous avons besoin d'un dernier composant pour les connecter. Nous avons besoin d'un bus vérifiable et à confiance minimisée pour communiquer et coordonner entre les composants.
Hyper Oracle zkPoS est un candidat approprié pour le bus zk pour les superordinateurs du monde utilisant Ethereum comme réseau consensuel. zkPoS est un composant clé de zkOracle, qui vérifie le consensus d'Ethereum via ZK, afin que le consensus d'Ethereum puisse être propagé et vérifié dans n'importe quel environnement.
En tant que bus décentralisé et à confiance minimisée, zkPoS peut connecter tous les composants des superordinateurs du monde via ZK, avec presque aucune surcharge de calcul de vérification. Tant qu'il y a un bus comme zkPoS, les données peuvent circuler librement dans les superordinateurs du monde.
Lorsque le consensus d'Ethereum peut être transmis de la couche de consensus au bus en tant que données de consensus initiales des superordinateurs du monde, zkPoS peut le prouver par une preuve d'état/d'événement/de transaction. Les données générées peuvent ensuite être transmises au réseau informatique du réseau zkOracle.
De plus, pour le bus du réseau de stockage, EthStorage développe zkNoSQL pour permettre des preuves de disponibilité des données, permettant à d'autres réseaux de vérifier rapidement qu'un BLOB a suffisamment de répliques.
f) Un autre cas : Bitcoin comme réseau consensuel
Comme de nombreux rollups souverains de deuxième couche, un réseau décentralisé comme Bitcoin peut servir de réseau consensuel sous-tendant les superordinateurs du monde.
Afin de prendre en charge un tel supercalculateur mondial, nous devons remplacer le bus zkPoS, car Bitcoin est un réseau blockchain basé sur le mécanisme PoW.
Nous pouvons utiliser ZeroSync pour implémenter zk comme bus du supercalculateur mondial Bitcoin. ZeroSync est similaire à "zkPoW", qui synchronise le consensus de Bitcoin via des preuves à connaissance nulle, permettant à tout environnement informatique de vérifier et d'obtenir le dernier statut Bitcoin en quelques millisecondes.
g) Flux de travail
Voici un aperçu du processus de transaction du supercalculateur mondial basé sur Ethereum, décomposé en plusieurs étapes :
Tout au long du processus, le bus joue un rôle essentiel en reliant chaque étape :
en conclusion
Bitcoin a jeté des bases solides pour la création de l'ordinateur mondial v0 et construit avec succès le "grand livre mondial". Par la suite, Ethereum a efficacement démontré le paradigme de "l'ordinateur mondial" en introduisant un mécanisme de contrat intelligent plus programmable. Pour parvenir à la décentralisation, en tirant parti de l'absence de confiance inhérente à la cryptographie, des incitations économiques naturelles du MEV, de la conduite de l'adoption massive, du potentiel de la technologie ZK et de la nécessité d'une informatique décentralisée à usage général, y compris l'apprentissage automatique, l'émergence des superordinateurs mondiaux est devenu nécessaire.
Notre solution proposée construira un supercalculateur mondial en connectant des réseaux P2P topologiquement hétérogènes à l'aide de preuves à connaissance nulle. En tant que grand livre de consensus, Ethereum fournira le consensus de base et utilisera l'intervalle de bloc comme cycle d'horloge de l'ensemble du système. En tant que réseau de stockage, un cumul de stockage stockera de grandes quantités de données et fournira des normes URI pour accéder aux données. En tant que réseau informatique, le réseau zkOracle exécutera des calculs gourmands en ressources et générera des preuves de calcul vérifiables. En tant que bus de données, la technologie de preuve de connaissance zéro connectera divers composants et permettra de relier et de vérifier les données et le consensus.