Щоб досягти децентралізації, скористайтеся властивою криптографії недовірливістю, природними економічними стимулами MEV для стимулювання масового впровадження, потенціалом технології ZK і потребою в децентралізованих обчисленнях загального призначення, включаючи машинне навчання, появою у світі суперкомп'ютери стали необхідними.

Оригінальна назва: "Towards World Supercomputer"

Автори: msfew, Kartin, Xiaohang Yu, Qi Zhou

Компіляція: Deep Tide TechFlow

представити

Наскільки близький Ethereum до того, щоб зрештою стати суперкомп’ютером цього світу?

Від однорангового консенсусного алгоритму Bitcoin до Ethereum EVM до концепції мережевої нації, однією з цілей блокчейн-спільноти завжди було створення всесвітнього суперкомп’ютера, точніше, децентралізованої, нестримної, надійної та масштабованої уніфікованої держави. машина.

Хоча вже давно відомо, що все це цілком теоретично можливо, більшість поточних зусиль на сьогоднішній день були дуже фрагментованими та мали серйозні компроміси та обмеження.

У цій статті ми досліджуємо деякі компроміси та обмеження, з якими стикаються існуючі спроби створити світовий комп’ютер, потім аналізуємо компоненти, необхідні для такої машини, і, нарешті, пропонуємо нову архітектуру світового суперкомп’ютера.

Нова можливість, гідна нашого розуміння.

1. Обмеження поточного методу

a) Зведені пакети Ethereum і L2

Ethereum був першою реальною спробою побудувати суперкомп’ютер у світі і, мабуть, найуспішнішою. Однак під час свого розвитку Ethereum надавав перевагу децентралізації та безпеці над масштабованістю та продуктивністю. Отже, незважаючи на надійність, звичайний Ethereum далеко не суперкомп’ютер у світі – він просто не масштабується.

Поточне рішення — L2 Rollups, яке стало найпоширенішим рішенням для масштабування для підвищення продуктивності комп’ютерів у світі Ethereum. Як додатковий рівень, створений поверх Ethereum, L2 Rollups пропонує значні переваги та підтримується спільнотою.

Хоча існує кілька визначень зведених пакетів L2, загальновизнано, що зведені пакети L2 – це мережі з двома ключовими характеристиками: доступність даних у ланцюжку та виконання транзакцій поза ланцюгом в Ethereum або інших базових мережах. В основному дані про історичний стан або вхідні транзакції є загальнодоступними та підлягають перевірці в Ethereum, але всі окремі транзакції та зміни стану переміщуються за межі основної мережі.

Хоча L2 Rollups справді значно покращили продуктивність цих «глобальних комп’ютерів», багато з них мають системний ризик централізації, що фундаментально підриває принципи блокчейна як децентралізованої мережі. Це пов’язано з тим, що виконання поза ланцюгом включає не лише окремі переходи між станами, але й послідовність або групування цих транзакцій. У більшості випадків упорядковувач L2 виконує впорядкування, тоді як валідатори L2 обчислюють новий стан. Однак надання такої можливості впорядкування замовникам L2 створює ризик централізації, коли централізований замовник може зловживати своїми повноваженнями, щоб довільно цензурувати транзакції, порушувати роботу мережі та отримувати прибуток від захоплення MEV.

Незважаючи на те, що було багато дискусій щодо способів зменшення ризику централізації рівня 2, наприклад шляхом спільного використання, аутсорсингу або рішень на основі замовників, децентралізованих рішень для замовників (таких як PoA, вибір лідера PoS, аукціон MEV та PoE), серед них багато спроби все ще знаходяться на стадії концептуального проектування і далеко не є панацеєю від цієї проблеми. Крім того, багато проектів L2, здається, не бажають впроваджувати децентралізоване рішення сортувальника. Наприклад, Arbitrum пропонує децентралізований сортувальник як додаткову функцію. Окрім проблеми з централізованим замовником, L2 Rollup може мати проблеми з централізацією через вимоги до апаратного забезпечення повного вузла, ризик керування та тенденції зведення додатків.

b) L2 Rollups і світова комп’ютерна трилема

Усі ці проблеми централізації, пов’язані з використанням L2 Rollups для масштабування Ethereum, розкривають фундаментальну проблему, «трилему світового комп’ютера», яка є похідною від класичної «трилеми» блокчейна:

Різні пріоритети для цієї трилеми призведуть до різних компромісів:

• Сильна консенсусна книга: по суті, вимагає повторного зберігання та обчислень, тому вона не підходить для розширення сховища та обчислень.
• Сильна обчислювальна потужність: необхідно повторно використовувати консенсус під час виконання великої кількості обчислювальних і перевірочних завдань, тому він не підходить для великомасштабного зберігання.
• Сильна ємність для зберігання: необхідно повторно використовувати консенсус під час виконання частих доказів простору випадкової вибірки, тому він не підходить для обчислень.

Традиційна схема L2 фактично полягає у створенні світового комп’ютера модульним способом. Однак, оскільки різні функції не розділені на основі вищезазначених пріоритетів, Світовий комп’ютер підтримує оригінальну архітектуру мейнфрейму Ethereum навіть із масштабуванням. Ця архітектура не може задовольнити інші функції, такі як децентралізація та продуктивність, і не може вирішити трилему світового комп’ютера.

Іншими словами, L2 Rollups фактично реалізують такі функції:

• Модулярність світового комп’ютера (більше експериментів на рівні консенсусу та деяка зовнішня довіра до централізованого замовника);
• Підвищення пропускної здатності World Computer (хоча і не суто "розширено");
• Відкриті інновації світового комп'ютера.

Однак зведені пакети L2 не забезпечують:

• Децентралізація світового комп'ютера;
• Підвищення продуктивності світового комп’ютера (комбінований максимальний TPS Rollups фактично недостатній, і L2 не може мати швидшу кінцевість, ніж L1);
• Обчислення за допомогою світового комп’ютера (це передбачає обчислення поза обробкою транзакцій, наприклад машинне навчання та оракули).

Хоча світова комп’ютерна архітектура може мати L2 і модульні блокчейни, це не вирішує фундаментальної проблеми. L2 може вирішити трилему блокчейну, але не трилему самого світового комп’ютера. Отже, як ми бачили, сучасних підходів недостатньо, щоб по-справжньому реалізувати децентралізований світовий суперкомп’ютер, який Ethereum спочатку передбачав. Нам потрібні розширення продуктивності та децентралізація, а не розширення продуктивності та поступова децентралізація.

2. Цілі проектування суперкомп'ютерів світу

Для цього нам потрібна мережа, яка може вирішувати справді інтенсивні обчислення загального призначення (особливо машинне навчання та оракули), зберігаючи при цьому повну децентралізацію базового рівня блокчейну. Крім того, ми повинні переконатися, що мережа здатна підтримувати інтенсивні обчислення, такі як машинне навчання (ML), які можна запускати безпосередньо в мережі та остаточно перевіряти в блокчейні. Крім того, нам потрібно забезпечити достатню пам’ять і обчислювальну потужність на додаток до існуючих світових комп’ютерних реалізацій, цілі та методи проектування такі:

a) Вимоги до розрахунку

Щоб задовольнити потреби та цілі світового комп’ютера, ми розширюємо концепцію світового комп’ютера, описану Ethereum, і прагнемо створити світовий суперкомп’ютер.

Світовий суперкомп’ютер спочатку повинен виконувати завдання, які комп’ютери можуть виконувати зараз і в майбутньому децентралізованим способом. Щоб підготуватися до масового впровадження, розробникам потрібні світові суперкомп’ютери, щоб прискорити розробку та впровадження децентралізованого машинного навчання для запуску моделювання та перевірки.

Для обчислювальних ресурсомістких завдань, таких як машинне навчання, досягнення такої мети вимагає не лише обчислювальних методів, що мінімізують довіру, таких як докази з нульовим знанням, але й більшої ємності даних у децентралізованій мережі. Цього неможливо досягти в одній мережі P2P (наприклад, традиційному блокчейні).

b) Рішення вузьких місць продуктивності

На початку розвитку обчислювальної техніки наші піонери зіткнулися з подібними вузькими місцями продуктивності, коли йшли на компроміс між обчислювальною потужністю та ємністю пам’яті. Візьмемо для прикладу найменший компонент схеми.

Ми можемо порівняти обчислення з лампочкою/транзистором, а накопичувач – з конденсатором. У ланцюзі лампочка потребує електричного струму, щоб випромінювати світло, подібно до обчислювального завдання, яке вимагає обчислень. З іншого боку, конденсатори зберігають заряд, подібно до того, як сховище може зберігати дані.

Для однакових напруги та струму може бути компроміс у розподілі енергії між лампочкою та конденсатором. Як правило, більші обчислення потребують більшого струму для виконання обчислювального завдання, а отже, потрібно менше енергії, яку накопичує конденсатор. Більші конденсатори можуть накопичувати більше енергії, але можуть призвести до зниження обчислювальної продуктивності при більших обчислювальних навантаженнях. Цей компроміс у деяких випадках унеможливлює поєднання обчислень і зберігання.

В архітектурі комп’ютера фон Неймана це призвело до концепції відокремлення запам’ятовуючого пристрою від центрального процесора. Подібно до відділення електричної лампочки від конденсатора, це могло б вирішити проблеми з продуктивністю суперкомп’ютерних систем нашого світу.

Крім того, традиційні високопродуктивні розподілені бази даних використовують схему проектування, яка розділяє зберігання та обчислення. Ця схема була прийнята тому, що вона повністю сумісна з характеристиками світових суперкомп'ютерів.

c) Топологія нової архітектури

Основна відмінність модульних блокчейнів (включаючи L2 Rollups) від світових комп’ютерних архітектур полягає в їх призначенні:

• Модульний блокчейн: спрямований на створення нових блокчейнів шляхом вибору модулів (консенсус, рівень доступності даних DA, розрахунок і виконання) і об’єднання їх у модульні блокчейни.
• Світовий суперкомп’ютер: спрямований на створення глобального децентралізованого комп’ютера/мережі шляхом об’єднання мереж (блокчейн базового рівня, мережа зберігання, обчислювальна мережа) у світовий комп’ютер.

Ми пропонуємо альтернативу, згідно з якою можливий світовий суперкомп’ютер складатиметься з трьох топологічно неоднорідних мереж P2P, з’єднаних ненадійними шинами (з’єднувачами), такими як технологія з нульовим розпізнаванням: консенсусна книга, обчислювальна мережа та мережа зберігання. Це базове налаштування дозволяє суперкомп’ютерам світу вирішувати світову комп’ютерну трилему, а інші компоненти можна додавати за потреби для конкретної програми.

Варто зазначити, що топологічна неоднорідність включає не тільки архітектурні та структурні відмінності, але й фундаментальні відмінності в топологічних формах. Наприклад, хоча Ethereum і Cosmos неоднорідні з точки зору мережевих рівнів і взаємозв’язків, вони все ще еквівалентні з точки зору топологічної неоднорідності (блокчейни).

У світових суперкомп’ютерах блокчейн консенсусної книги приймає форму блокчейну, а вузли приймають форму повного графа, тоді як мережа zkOracle, як Hyper Oracle, є мережею без облікових книг, і вузли утворюють циклічний графік, а мережа Структура для зберігання Rollup Інший варіант, розділи утворюють підмережі.

Використовуючи докази з нульовим знанням як шину даних, ми можемо створити повністю децентралізований, не зупинений, масштабований світовий суперкомп’ютер без дозволів, з’єднавши три топологічно неоднорідні однорангові мережі.

3. Архітектура світового суперкомп'ютера

Подібно до створення фізичного комп’ютера, ми повинні зібрати згадану раніше консенсусну мережу, обчислювальну мережу та мережу зберігання даних у світовий суперкомп’ютер.

Правильний вибір і підключення кожного компонента допоможе нам досягти балансу між трилемою про консенсусну книгу, обчислювальну потужність і ємність пам’яті та, зрештою, забезпечити децентралізацію, високу продуктивність і безпеку суперкомп’ютерів у всьому світі.

Архітектура світових суперкомп’ютерів описується наступним чином відповідно до їх функцій:

Структура вузла світової суперкомп’ютерної мережі з мережею консенсусу, обчислень і зберігання даних виглядає так:

Для запуску мережі вузли світового суперкомп’ютера будуть засновані на децентралізованій інфраструктурі Ethereum. Вузли з високою обчислювальною продуктивністю можуть приєднатися до обчислювальної мережі zkOracle для створення доказів для загального обчислення або машинного навчання, а вузли з високою ємністю можуть приєднатися до мережі зберігання EthStorage.

Наведені вище приклади описують вузли, на яких працюють як Ethereum, так і обчислювальні мережі/мережі зберігання. Для вузлів, які працюють лише з обчислювальними мережами/мережами зберігання даних, вони можуть отримати доступ до останніх блоків Ethereum або підтвердити доступність збережених даних через шину технологій з нульовим знанням, таких як zkPoS і zkNoSQL без довіри.

a) Консенсус Ethereum

Наразі консенсусна мережа суперкомп’ютерів світу використовує виключно Ethereum. Ethereum має сильний соціальний консенсус і безпеку на рівні мережі, що забезпечує децентралізований консенсус.

Світові суперкомп’ютери побудовані на консенсусній архітектурі, орієнтованій на реєстр. Консенсусна книга служить двом основним цілям:

• Забезпечити консенсус для всієї системи;
• Визначте такт процесора з інтервалом блоку.

Порівняно з обчислювальними мережами або мережами зберігання, Ethereum не може виконувати велику кількість обчислювальних завдань одночасно, а також зберігати великі обсяги даних загального призначення.

Серед суперкомп’ютерів світу Ethereum є консенсусною мережею для зберігання даних, наприклад L2 Rollup, для досягнення консенсусу для обчислювальної мережі та мережі зберігання, а також для завантаження ключових даних, щоб обчислювальна мережа могла виконувати подальші обчислення поза мережею.

b) Зведене зберігання

Proto-danksharding і Danksharding Ethereum — це, по суті, способи масштабування консенсусної мережі. Щоб досягти обсягу зберігання, необхідного світовим суперкомп’ютерам, нам потрібно рішення, яке є рідним для Ethereum і підтримує постійне зберігання великих обсягів даних.

Зведені накопичувачі, такі як EthStorage, фактично масштабують Ethereum для масивного зберігання. Крім того, оскільки ресурсомісткі додатки, такі як машинне навчання, вимагають великих обсягів пам’яті для роботи на фізичних комп’ютерах, важливо зазначити, що «пам’ять» Ethereum не можна перебільшувати. Зведені накопичувачі необхідні для «обміни», яка дозволяє суперкомп’ютерам світу виконувати завдання, що містять інтенсивні обчислення.

Крім того, EthStorage надає протокол доступу web3:// (ERC-4804), який подібний до рідного URI або адресації ресурсів зберігання суперкомп’ютерів світу.

c) обчислювальна мережа zkOracle

Обчислювальна мережа є найважливішим елементом світових суперкомп’ютерів, оскільки вона визначає загальну продуктивність. Він повинен мати можливість обробляти складні обчислення, такі як оракули або машинне навчання, і повинен бути швидшим, ніж консенсусні мережі та мережі зберігання з точки зору доступу та обробки даних.

Мережа zkOracle — це децентралізована обчислювальна мережа з мінімізованою довірою, здатна обробляти довільні обчислення. Будь-яка запущена програма генерує доказ ZK, який при використанні можна легко перевірити консенсусом (Ethereum) або іншими компонентами.

Hyper Oracle — це мережа zkOracle на базі zkWASM і EZKL, яка може виконувати будь-які обчислення за допомогою трасування підтвердження виконання.

Мережа zkOracle — це блокчейн без облікових записів (без глобального стану), який відповідає структурі ланцюга вихідного блокчейну (Ethereum), але працює як обчислювальна мережа без облікових записів. Мережа zkOracle не гарантує валідність обчислень через повторне виконання, як традиційні блокчейни; натомість вона забезпечує можливість перевірки обчислень через згенеровані докази. Конструкція без реєстру та спеціальне налаштування вузла для обчислень дозволяє мережам zkOracle (таким як Hyper Oracle) зосередитися на високопродуктивних обчисленнях з мінімізованою довірою. Результат обчислення безпосередньо виводиться в мережу консенсусу замість створення нового консенсусу.

У обчислювальній мережі zkOracle кожна обчислювальна одиниця або виконуваний файл представлений zkGraph. Ці zkGraph визначають обчислення та поведінку генерації доказів, так само як смарт-контракти визначають обчислення консенсусної мережі.

I. Загальні позаланцюгові обчислення

Програму zkGraph у обчисленнях zkOracle можна використовувати без зовнішнього стеку для двох основних випадків використання:

• індексація (доступ до даних блокчейна);
• Автоматизація (автоматизовані виклики смарт-контрактів);
• Будь-які інші обчислення поза мережею.

Ці два випадки можуть відповідати вимогам проміжного ПЗ та інфраструктури будь-якого розробника смарт-контрактів. Це означає, що як розробник світового суперкомп’ютера ви можете пройти весь наскрізний процес децентралізованої розробки під час створення повної децентралізованої програми, включаючи смарт-контракти в ланцюжку консенсусної мережі та ланцюжки в обчислювальній мережі. розрахувати.

II Обчислення ML / AI

Щоб досягти впровадження в масштабі Інтернету та підтримувати будь-який сценарій додатків, світові суперкомп’ютери повинні підтримувати машинне навчання в децентралізованій манері.

Завдяки технології захисту від нульових знань машинне навчання та штучний інтелект можуть бути інтегровані в суперкомп’ютери світу та перевірені в консенсусній мережі Ethereum для досягнення реальних мережевих обчислень.

У цьому випадку zkGraph можна підключати до зовнішніх технологічних стеків, таким чином поєднуючи сам zkML з обчислювальною мережею суперкомп’ютерів світу. Це дозволяє всім типам програм zkML:

• ML/AI для захисту конфіденційності користувачів;
• ML/AI для захисту конфіденційності моделі;
• ML/AI з обчислювальною ефективністю.

Щоб досягти обчислювальної потужності машинного навчання та штучного інтелекту суперкомп’ютерів світу, zkGraph буде об’єднано з наступними передовими технологічними стеками zkML, забезпечуючи їх пряму інтеграцію з консенсусними мережами та мережами зберігання.

• EZKL: Виконуйте висновок у zk-snark для моделей глибокого навчання та інших обчислювальних графіків.
• Решта: операції швидкого машинного навчання в Halo2 Prover.
• circomlib-ml: бібліотека схем circom для машинного навчання.

e) zk як шина даних

Тепер, коли ми маємо всі основні компоненти світового суперкомп’ютера, нам потрібен останній компонент, щоб їх з’єднати. Нам потрібна перевірена шина з мінімізованою довірою для зв’язку та координації між компонентами.

Hyper Oracle zkPoS є відповідним кандидатом на zk Bus для суперкомп’ютерів світу, які використовують Ethereum як консенсусну мережу. zkPoS є ключовим компонентом zkOracle, який перевіряє консенсус Ethereum через ZK, так що консенсус Ethereum можна поширювати та перевіряти в будь-якому середовищі.

Будучи децентралізованою шиною з мінімізованою довірою, zkPoS може з’єднувати всі компоненти світових суперкомп’ютерів через ZK, майже не потребуючи розрахунків перевірки. Поки існує така шина, як zkPoS, дані можуть вільно передаватись між суперкомп’ютерами світу.

Коли консенсус Ethereum можна передати з консенсусного рівня на шину як початкові консенсусні дані суперкомп’ютерів світу, zkPoS може підтвердити це за допомогою підтвердження стану/події/транзакції. Згенеровані дані потім можуть бути передані в обчислювальну мережу мережі zkOracle.

Крім того, для шини мережі зберігання EthStorage розробляє zkNoSQL, щоб увімкнути докази доступності даних, дозволяючи іншим мережам швидко перевірити, чи BLOB має достатню кількість реплік.

f) Інший випадок: біткойн як консенсусна мережа

Подібно до багатьох суверенних об’єднань другого рівня, децентралізована мережа, така як біткойн, може служити консенсусною мережею, що лежить в основі суперкомп’ютерів світу.

Щоб підтримувати такий світовий суперкомп’ютер, нам потрібно замінити шину zkPoS, тому що біткойн — це блокчейн-мережа, заснована на механізмі PoW.

Ми можемо використовувати ZeroSync, щоб реалізувати zk як шину світового суперкомп’ютера Bitcoin. ZeroSync схожий на «zkPoW», який синхронізує консенсус біткойна через докази з нульовим знанням, дозволяючи будь-якому обчислювальному середовищу перевіряти та отримувати останній статус біткойна протягом мілісекунд.

g) Робочий процес

Нижче наведено огляд процесу транзакцій світового суперкомп’ютера на базі Ethereum, розбитого на кілька етапів:

• Консенсус: використовуйте Ethereum для обробки та досягнення консенсусу транзакцій.
• Обчислення: мережа zkOracle виконує відповідні обчислення поза ланцюгом (визначені за допомогою zkGraph, завантаженого з EthStorage) шляхом швидкої перевірки доказів і консенсусних даних, які надаються zkPoS як шина.
• Консенсус: у деяких випадках, таких як автоматизація та машинне навчання, обчислювальна мережа передаватиме дані та транзакції назад до Ethereum або EthStorage через докази.
• Зберігання: для зберігання великих обсягів даних з Ethereum (таких як метадані NFT) zkPoS діє як месенджер між смарт-контрактами Ethereum і EthStorage.

Протягом усього процесу шина відіграє важливу роль у з’єднанні кожного етапу:

• Коли консенсусні дані передаються з Ethereum в обчислювальну мережу zkOracle або сховище EthStorage, zkPoS і підтвердження стану/події/транзакції генерують підтвердження, які одержувач може швидко перевірити, щоб отримати точні дані, наприклад відповідну транзакцію.
• Коли мережі zkOracle потрібно завантажити дані зі сховища для розрахунку, вона використовує zkPoS для доступу до адреси даних із консенсусної мережі, а потім використовує zkNoSQL для отримання фактичних даних зі сховища.
• Коли дані з мережі zkOracle або Ethereum потрібно відобразити в кінцевій формі виводу, zkPoS генерує докази для клієнтів (таких як браузери) для швидкої перевірки.

на завершення

Біткойн заклав міцну основу для створення світового комп’ютера v0 і успішно побудував «світову книгу». Згодом Ethereum ефективно продемонстрував парадигму «світового комп’ютера», запровадивши більш програмований механізм смарт-контрактів. Щоб досягти децентралізації, використовуючи притаманну криптографії недовірливість, природні економічні стимули MEV, стимулювання масового впровадження, потенціал технології ZK і потребу в децентралізованих обчисленнях загального призначення, включаючи машинне навчання, поява світових суперкомп’ютерів стала необхідною.

Запропоноване нами рішення побудує світовий суперкомп’ютер шляхом з’єднання топологічно неоднорідних мереж P2P за допомогою доказів із нульовим знанням. Як облікова книга консенсусу, Ethereum забезпечить базовий консенсус і використовуватиме інтервал блоку як тактовий цикл усієї системи. Як мережа зберігання, зведене сховище зберігатиме великі обсяги даних і забезпечуватиме стандарти URI для доступу до даних. Як обчислювальна мережа мережа zkOracle виконуватиме ресурсомісткі обчислення та створюватиме докази обчислень, які можна перевірити. Будучи шиною даних, технологія захисту з нульовим знанням з’єднає різні компоненти та дозволить зв’язувати та перевіряти дані та консенсус.