新イーサリアムへのアップグレード、背景や改善点を解説

イーサリアムの大幅アップグレード

2015年のローンチ以降ブロックチェーン技術の最先端を走ってきたイーサリアム・ブロックチェーンは、22年現在、イーサリアム史上最大のアップグレードの真っ只中にあります。イーサリアムは、ビットコインに次ぐ第二の規模を誇るブロックチェーンとして多くのアプリケーションやユーザーを抱えていますが、その一方で、その人気により、ネットワークの混雑や環境問題など多くの課題も露呈してきました。

イーサリアムの開発を手掛けるイーサリアム財団は、このような課題に対処するために、かねてから大規模なアップグレードの準備を進めてきました。2022年に入り、このアップグレードの詳細が徐々に明かされ、スケジュールもより現実的なものになってきています。

本記事では、これから数年かけて実行されると言われている新イーサリアムへのアップグレードについて、開発に至るまでの背景やユーザーのメリットなどについて、詳細に解説していきます。

新イーサリアム以前に、現在のイーサリアムの概要を知りたい方は、こちらをご覧ください。

基本概要

開発背景

今回のアップグレードで何が行われるのか、そしてそれによりどのようなメリットがユーザーにもたらされるのかについて語るには、そもそもなぜアップグレードが必要なのかを理解しなければなりません。

イーサリアムは、ビットコインの仕組みやPoW（Proof-of-Work）アルゴリズムを活用し、開発者ヴィタリック・ブテリン氏によって2015年にローンチされました。主に送金のみを目的に開発されたビットコインとは異なり、貸付や通貨発行などを含む金融システムからガバナンスシステムに至るまで、あらゆることを分散的に行うことができる汎用なスーパーコンピュータとして位置付けられています。

イーサリアムの発明により、分散型金融（DeFi）システムやNFT（非代替性トークン）など様々な革新的なサービスの開発が可能になり、イーサリアム、ひいてはブロックチェーン全体が大衆に少しずつ認知されるようになってきました。その一方で、このような急激な需要増加により、いくつかの問題点が浮き上がってきたのも事実です。イーサリアム開発者やコミュニティの努力により改善してきた面も多数ありますが、現在のイーサリアムには、大きく分けて以下の2つの課題があると言われています。

ネットワーク混雑

20年夏のDeFi好況や21年のNFTブームの舞台となったイーサリアムでは、ユーザー数およびトランザクション数が急増しました。その結果、トランザクションが遅延しガス代が高騰するなど、一般ユーザーの利用が現実的ではなくなってしまうほどにネットワークが混雑しました。イーサリアムでは、1秒間に最大15トランザクションを処理できると言われていますが、これではワールドコンピューターとして世界中のユーザーを繋げるには十分ではありません（参考：Visaは1秒間に1,500〜2,000txを処理）。

分散型のネットワークでは、トランザクション数の増加に対応するためにハードウェアの要件を引き上げてしまうと、ノード数が必然的に減少し集権化が進んでしまうため、単純に各ノードの処理能力を上げるのではなく、他の方法で混雑を解消する必要があります。

関連：ヴィタリック氏、イーサリアムガス代の改善案を提案

エネルギー消費過多

イーサリアムやビットコインを初めとする分散型台帳技術では、単一の組織やユーザーに依存しない方法でトランザクションを記録しなければいけません。記録を受け持つ集権的な組織が存在していないため、「誰がトランザクションを記録するのか」「どうやって記録されたトランザクションを承認するのか」などのルールを決め、このルールに従って参加者同士がトランザクションを承認および記録する必要があります。

この「誰がトランザクションを記録するのか」「どうやって記録されたトランザクションを承認するのか」などを決めたルールを「アルゴリズム」と呼びます。現在のイーサリアムは、アルゴリズムとしてPoW（Proof-of-Work）を採用しています。

PoWでは、マイナーに対して計算問題が提示されます。この計算問題を一番最初に解いたマイナーがトランザクションをブロックに書き込み、その報酬としてビットコインならBTCを、イーサリアムならETHを獲得できます。しかし、この方法にはコンピュータが消費するエネルギーが莫大で、環境に良くないという欠点があります。

関連：米議会、ビットコイン採掘の環境問題で公聴会を予定か

関連：米環境団体、ビットコインのPoS移行推奨キャンペーン開始

アップグレード概要

以上を含む課題を解消できるよう、イーサリアムの開発を手がけるイーサリアム財団は、一連のアップグレードを提案しています。このアップグレードは大規模であるため、一度に全てを行うのではなく、以下の5つの段階で構成されています。

The Merge：PoS（Proof-of-Stake）への移行（〜2022 Q3）
The Surge：シャーディングの実装によるスケーラビリティの向上（2023年内）
The Verge：データ保存方法をマークルツリーからVerkleツリーに移行することにより、トランザクション検証方法を効率化
The Purge：チェーン上の古いデータを「消去」することにより、ハードウェア要件が引き下げ分散化を促進。ネットワークの処理容量も引き下がる
The Splurge：その他アップグレードの完了に必要な雑務

イーサリアムの創設者ヴィタリック氏曰く、これら5つのステップは全て並行して同時に開発が進められていますが、その中でもThe Mergeが最も早く実行される予定だそうです（22年Q3〜Q4予定）。

Happy birthday beacon chain!

Here's an updated roadmap diagram for where Ethereum protocol development is at and what's coming in what order.

(I'm sure this is missing a lot, as all diagrams are, but it covers a lot of the important stuff!) pic.twitter.com/puWP7hwDlx
— vitalik.eth (@VitalikButerin) December 2, 2021

関連：ヴィタリック氏「イーサリアムの開発の進捗状況は50%」

関連：イーサリアム新旧チェーンの統合を優先するメリットは？ブテリン氏らが見解

改善内容

以上の5つのステップの中でも、特にThe MergeおよびThe Surgeでのアップグレードにより、上記の課題が解決され、それによりユーザーは以下のようなメリットを享受できると考えられています。

環境配慮

アップグレードの第一弾「The Merge」では、PoSへの移行が計画されています。PoSとは、PoWに代わるコンセンサス・アルゴリズムで、計算問題を解いてブロックを作成する代わりに、資金をプロトコルにステークし、そのステーク額に応じて宝くじ方式でブロック作成権が決定する仕組みです。

PoSはPoWとは異なり、ブロック作成の際に大量の電力を消費して計算問題を解く必要がないため、CO2排出量が削減されます。イーサリアム財団によると、この移行により99%以上のエネルギーを節約できるそうです。

PoSについては、詳しくはこちらをご覧ください。

スケーラビリティ

The Mergeの後、2023年以内に実現予定のThe Surge段階では、シャーディングという技術が導入され、それによりスケーラビリティが格段に改善すると言われています。

「シャーディング」とは、イーサリアムの文脈においては、「ネットワークを『シャードチェーン』と呼ばれる複数のチェーンに分けることにより、トランザクション検証作業の負荷を軽減させる技術」を指しています。旧イーサリアムでは、単一のチェーンで全てのトランザクションを処理しています。しかしこれでは、1秒間に処理できるトランザクション数には限りがあるため、ネットワークが活発になるに従い、トランザクションの遅延が度々見られていました。

このような課題に対処するために、新イーサリアムでは、単一のチェーンというこれまでの設計に大きな変化を加え、一本のメインチェーンおよび64本のシャードチェーンという構造が導入されます。これにより、これまでは1つのチェーンでのみ受け持っていたトランザクションを、この64本のシャードチェーンに分散させ、64本全てで同時並行的に処理できるようになります。

シャードチェーンの考え方はしばしば、チェーンを道路に、トランザクションを車に例えて語られています。道路（＝チェーン）が一本しかない場合、その道路を通りたい車（＝トランザクション）の数が増加すると必然的にそこに渋滞が発生してしまいます。しかし、その混雑した道路に並行した道路が64本建設されたとすると、単純計算で渋滞は64分の1に減少します。新イーサリアムもこれと同じで、シャードチェーンの導入により、トランザクションを並行して処理できるようにし、混雑解消を目指しています。

シャードチェーンをロールアップ技術と組み合わせることにより、最大で現在の約1,000倍である10万トランザクションを1秒間に処理できるようになるとも言われています。

関連：スケーリング問題の打開策「ロールアップ」とは｜仕組みや注目点を詳しく解説

セキュリティ

The MergeでのPoSおよびThe Surgeでのシャーディング導入により、イーサリアムのセキュリティが強化されると言われています。

PoW対PoSのセキュリティに関する議論では未だ明確な答えは出ていませんが、PoSの方が51%攻撃の耐性があると言われています。51%攻撃とは、悪意のある行為者（達）が、ネットワーク内のノードの51%以上を支配することにより、自分達の都合の良いようにトランザクションを改ざんする行為を指しています。

PoSでこれを実行しようとすると、攻撃者はステークされているETH総額の51%以上を保有しなければなりません。これは数兆円規模の非常に膨大な額であり、PoWでマイニングパワーの51%以上を支配するよりもコストがかかると言われています。

それだけでなく、そのような不正を行ってしまうと、ETHの価値が低下してしまうため、攻撃者が持っていた数兆円規模の価値が目減りし、結果として攻撃者の利益にならない可能性が高くなります。要するにPoWと比較し、攻撃コストもリスクも高いことになります。

またThe Surgeでシャーディングが導入されると、バリデータは旧イーサリアムのようにネットワーク全体のデータではなく、自身が検証しているシャードチェーンのデータのみ維持すれば良いようになります。これにより、ハードウェア要件が引き下げられるためノード運営の敷居が低くなり、必然的にノード数が増加し、結果として分散化が今よりも促進されると言われています。執筆時点でイーサリアムのノード数は2,980ほどですが、シャードチェーンが導入されると、最低でも16,384のノードが必要になります。

ノード数が増加し分散化が促進するということは、51%攻撃などを仕掛ける際により多くの資本が必要になるため、セキュリティがより強化されることを意味しています。