イーサリアムのアーキテクチャの岐路：なぜRISC-Vが検証可能な計算の未来を表すのか

イーサリアムエコシステムは転換点に立っています。革新的なスマートコントラクトプラットフォームとして始まったこのシステムは、今や技術的複雑さの層を重ね、そのスケーラビリティの野望を脅かすまでに成長しています。この課題の中心にあるのがEthereum Virtual Machine（EVM）—プラットフォームの成功を支えた基礎的な実行層ですが、ゼロ知識証明や高性能検証の時代においては、次第に制約要因となりつつあります。

パフォーマンス危機：EVMがゼロ知識証明と出会ったとき

イーサリアムのスケーリング課題の根源は謎ではありません。ネットワークがゼロ知識証明に基づく検証システムへと移行する中で、EVMとZK証明の相互作用に根本的な非効率性が浮き彫りになりました。現在のzkEVMの実装は、仮想マシン自体を直接証明しているわけではありません。代わりに、EVMのインタプリタを証明し、それがRISC-Vバイトコードにコンパイルされる仕組みです。このアーキテクチャの間接性は、巨大なパフォーマンスペナルティを生み出します。推定では、ネイティブプログラムの実行と比べて50倍から800倍遅くなるとされています。

この問題はネットワーク経済性を考慮するとさらに深刻です。Poseidonのような最適化されたハッシュアルゴリズムを用いても、ブロック実行の証明生成には総証明時間の80-90%を費やします。Vitalik Buterinはこの問題を次のように直接表現しています：「基盤となるアーキテクチャがRISC-Vにコンパイルされているのなら、なぜ解釈型のEVM層を維持する必要があるのか？」答えは簡単です—それを排除すれば良いのです。

インタプリタのオーバーヘッドを超えて、EVMの技術的基盤にはより深い制約が見え隠れしています。256ビットスタック設計は、かつての暗号演算向けに最適化されたものであり、現代のスマートコントラクトは通常、32ビットや64ビットの整数を扱います。それにもかかわらず、EVMはすべての値を256ビットのアーキテクチャに通す必要があります。ゼロ知識システムでは、この非効率性は特にコスト高となります。小さな数値は証明生成においてより多くのリソースを消費し、計算の複雑さは2倍から4倍に増加します。

債務問題：プリコンパイル済みモジュールが技術的な落とし穴に

EVMの特定の暗号演算のパフォーマンス制限を補うために、イーサリアムはプリコンパイル済みコントラクトを導入しました—プロトコルに直接埋め込まれたハードコードされた関数です。一時的には実用的ですが、このアプローチはVitalik Buterinが「壊滅的」と評した技術的負債を生み出しました。

この問題の規模は驚異的です。単一のプリコンパイル済みコントラクト(例えばmodexp)のラッパーコードは、全RISC-Vインタプリタのコードベースを超える規模です。新たなプリコンパイル関数を追加するには、激しいハードフォークのガバナンスが必要となり、アプリケーションが新しい暗号プリミティブを必要とする場合のイノベーションを著しく制限します。セキュリティの表面積も危険なほど拡大し、プロトコルの複雑さは着実に増加しています。Buterinはこう締めくくっています：「今日から新しいプリコンパイルコントラクトの追加をやめるべきだ」。

RISC-Vの解決策：なぜオープンスタンダードがカスタムアーキテクチャより優れるのか

RISC-Vは製品ではなく、オープンソースの命令セットアーキテクチャ（ISA）です—プロセッサを構築するための自由に利用できる青写真です。その設計思想は、数十年にわたるコンピュータアーキテクチャの進化から得た教訓を反映しており、イーサリアムの次のフェーズに非常に適しています。

アーキテクチャのミニマリズム

RISC-Vの基本命令セットは約47命令から構成されており、この極端なシンプルさは意図的です。制限ではなく、信頼性と検証の容易さを追求した結果です。信頼できるコードベースが小さくなることで、監査や形式的検証が格段に容易になり、数十億ドル規模のユーザーバリューを守るプロトコルにとっては不可欠です。複雑な操作は、コアのシンプルさを維持しつつ、必要に応じて拡張機能を追加することで対応します。

LLVMを通じたエコシステムの活用

RISC-Vを採用することで、イーサリアムはLLVM(Low-Level Virtual Machine)を通じて、数十年にわたるコンパイラインフラの開発資産にアクセスできます。この決定により、Rust、Go、C++、Pythonなどの言語にネイティブサポートが得られ、世界中の開発者がこれらのツールに習熟しています。新たなソフトウェアエコシステムをゼロから構築するのではなく、すでに成熟し、実績のあるインフラを継承できるのです。

実用面での利点は計り知れません。コンパイラツールチェーンの作成は非常に難しい作業ですが、既存のものを活用すれば開発効率は飛躍的に向上します。RISC-Vの採用により、イーサリアムは世界クラスのコンパイラインフラに無料でアクセスできることになり、独自に構築するには非常に高コストとなる部分を補います。

zkVM市場はすでに決定済み

ゼロ知識証明エコシステムからのシグナルは明白です。イーサリアムのブロック証明を行えるzkVMバックエンドのうち、9つはすでにRISC-Vをターゲットアーキテクチャとして採用しています。この収束は、理論的な推測ではなく実践的な検証を示しています。ZKの未来を築くプロジェクトは、RISC-Vが検証可能な計算に最適な選択であると独自に結論付けており、イーサリアムの採用は市場の勢いに沿ったものであり、新たな流れを作り出しているわけではありません。

SAIL仕様による形式的検証

EVMの仕様は、主にYellow Paperの自然言語形式で存在し、曖昧さが伴い、数学的に形式化するのは困難です。一方、RISC-Vは、形式的検証のための「ゴールデンスタンダード」となるマシンリーダブルのSAIL仕様を備えています。

この違いは非常に重要です。形式的検証は、システムの正しさを数学的に証明することを可能にし、信頼を人間の実装から証明可能な暗号的保証へと移行させます。イーサリアム財団の研究者たちはすでに、公式仕様に対してLean証明支援ツールを用いたzkVM RISC-V回路の抽出に取り組んでいます。これは、実装依存のセキュリティから仕様に基づくセキュリティへの大きな一歩です。

三段階の移行：進化、革命ではなく

アーキテクチャの変革にはリスクが伴うため、イーサリアムのリーダーシップは慎重かつ段階的なアプローチを提案しています。

フェーズ1：限定的なzkVM導入

最初は、RISC-Vの機能をプリコンパイルの代替手段として導入します。具体的には、廃止されたEVMのプリコンパイルコントラクトを、ホワイトリスト化されたRISC-Vプログラムとして置き換えます。これにより、実環境のメインネットで低リスクのテストが可能となり、新しい仮想マシンの実用性を実証します。

フェーズ2：二重仮想マシンの共存

信頼性が高まると、コントラクトタグを通じてEVMまたはRISC-Vのバイトコードを明示的にターゲットにできるようになります。重要な革新は、標準化されたシステムコール(ECALL命令)を介したEVMコントラクトとRISC-Vコントラクトのシームレスな相互運用性です。これにより、両アーキテクチャが同じプロトコル内で協調して動作する統一された実行環境が実現します。

フェーズ3：EVMを形式的仕様として扱う

最終的には、EVMをネイティブRISC-V L1上で動作する形式的に検証されたスマートコントラクトとして位置付けます。レガシーアプリケーションは永続的にサポートされ、プロトコル開発者は単一の実行エンジンを維持します。これにより、複雑さは消失し、メンテナンス負担も大幅に軽減されます。

新しいアーキテクチャにおけるエコシステムの再編：勝者と敗者

このアーキテクチャの変革は、Layer 2の経済性と開発者インセンティブを根本的に再構築します。

オプティミスティックロールアップは存続の危機

ArbitrumやOptimismのようなプロジェクトは、詐欺証明メカニズムに基づくセキュリティモデルを構築しています。これらは、L1のEVMを通じて争われた取引を再実行することで機能します。EVMが消えると、これらのセキュリティ基盤は崩壊します。彼らは、RISC-V向けに詐欺証明システムを大規模に再設計するか、イーサリアムのセキュリティ保証から完全に切り離すかの厳しい選択を迫られるでしょう。この変化は、ゼロ知識ベースのモデルへの収束を加速させる可能性があります。

ゼロ知識ロールアップは戦略的優位を獲得

逆に、ZKロールアップにとっては追い風です。多くのプロジェクトはすでに内部的にRISC-Vを標準化しています。L1と同じ言語を「話す」ことで、統合効率は飛躍的に向上します。Justin Drakeの「ネイティブロールアップ」構想は、L2をL1の実行環境の特殊なインスタンスとみなすもので、翻訳層なしにシームレスな決済を実現します。

実用的なメリットは次の通りです：

• コンパイラの統一：L1 RISC-V用に開発されたツールは、L2の構築者にも即座に利用可能
• ガスモデルの整合性：L1とL2は同一命令セットを用いて検証され、より合理的な経済価格設定を実現
• コードの再利用：デバッグ、形式的検証、最適化ツールが普遍的に適用可能

開発者とユーザー体験の変革

開発者にとっては、EVMの制約から解放されることを意味し、エコシステムの放棄を必要としません。主流のプログラミング言語がオンチェーン開発ツールとして突然実用的になります。開発者はRustでコントラクトを書きながら、エコシステム標準のフレームワークに馴染み続けることが可能です。Buterinはこう述べています：「SolidityやVyperは、そのスマートコントラクトロジックの優雅な設計により、かなり長く人気を保つだろうが、それはあくまで選択肢であり、必須ではなくなる」。

これは、Node.jsが開発者にJavaScriptをクライアントとサーバーの両方で書くことを可能にしたのと類似しています。今や、オフチェーンとオンチェーンの計算に同じ言語を使えるため、開発のワークフローは格段に簡素化されます。

ユーザーにとっては、より根本的な変革です。証明コストは約100分の1に削減される見込みで、これにより現在数ドルかかる取引コストは数セント以下に抑えられます。この経済性の向上は、「Gigagas L1」ビジョンを実現し、約10,000 TPSのパフォーマンスを目指すことを可能にします。複雑で高価なオンチェーンアプリケーションも経済的に実現可能となるのです。

Succinct LabsとSP1：移行の証明

イーサリアムの理論的提案から実践的な現実への移行は、Succinct Labsのようなチームによって加速しています。彼らのSP1 zkVM実装は、RISC-Vベースの検証が単なる実現可能性にとどまらず、実用的に効率的であることを示しています。

SP1は、「プリコンパイル中心」のアーキテクチャを採用し、EVMのスケーリングを妨げる暗号的ボトルネックに直接対処します。遅いハードコードされたプリコンパイル関数に頼るのではなく、Keccakハッシュなどの重い演算を標準的なECALL命令を通じて呼び出される特殊なZK回路にオフロードします。このハイブリッドアプローチは、カスタムハードウェアの性能とソフトウェアの柔軟性を融合させています。

この実用的な成果はすぐに現れました。SuccinctのOP Succinct製品は、オプティミスティックロールアップにゼロ知識証明機能を追加しました。その結果、引き出しの確定時間は7日から約1時間に短縮されました。このブレークスルーは、オプティミスティックエコシステムの重要な課題に対処しつつ、RISC-Vアーキテクチャがユーザー体験の質的向上を可能にすることを示しています。

さらに、SuccinctのProver Networkは、分散型証明生成の実用的な経済モデルを提示し、検証可能な計算の未来のための具体的なテンプレートを確立しています。

変革にはリスクも伴う

RISC-Vのアーキテクチャ的優位性にもかかわらず、移行には新たな課題が伴います。これらには厳格な対策が必要です。

ガスメーターリングの複雑さ

一般的な命令セットに対して決定論的かつ公平なガスモデルを作ることは、未解決の課題です。単純な命令数のカウントは、サービス拒否攻撃の標的になり得ます。攻撃者はキャッシュミスを繰り返すプログラムを作成し、多大なリソースを消費させながらガスコストを最小化できます。これにより、ネットワークの安定性と経済モデルに深刻な脅威がもたらされます。

コンパイラとツールチェーンのセキュリティ

見落とされがちなリスクは、セキュリティの依存先がオンチェーンの仮想マシンからオフチェーンのコンパイラ（LLVMなど）に移ることです。これらのツールは非常に複雑で、既知の脆弱性も存在します。高度な攻撃者は、コンパイラのバグを悪用して、無害なソースコードを悪意のあるバイナリに変換する可能性があります。さらに、「再現性ビルド」の問題もあり、環境の微細な違いによって異なるバイナリが生成され、透明性と信頼性を脅かします。

エコシステムの断片化

標準化がなければ、さまざまなRISC-V構成がプロジェクトごとに乱立し、エコシステムの一体性を損なう恐れがあります。最も有望なのは、(おそらくRV64GCとLinux互換ABI)の単一標準構成に沿った調整です。

対策：層別の検証、徹底したテスト、標準化

これらのリスクに対処するには、多層的な防御策が必要です。

フェーズごとの展開は、リスク軽減の一環です。低リスクのプリコンパイルシナリオから始めることで、運用の信頼性を高めながら段階的に移行します。同時に、コミュニティは積極的な形式的検証と継続的な攻撃者によるテストを追求すべきです。

Diligence SecurityのValentineは、主要なzkVMでさえも、徹底したファズテストによって発見可能な重大な脆弱性を抱えていることを示しました。理論的な基盤である形式的検証(の理論的土台)と、実践的な検証(の継続的なテスト)を組み合わせることが重要です。

また、単一のRISC-V構成おそらくRV64GCとLinux互換ABIに標準化することで、エコシステムの一貫性を最大化し、広範なプログラミング言語サポートを確保し、移行の恩恵を阻害する断片化を防ぎます。

検証可能な未来の形成

イーサリアムの提案するEVMからRISC-Vへの移行は、単なる最適化ではなく、実行層の根本的な再構築を意味します。これにより、深刻なスケーラビリティのボトルネックを解消し、プリコンパイル済みコントラクトの技術的負債を排除し、イーサリアムを検証可能な計算と形式的チェーンコード仕様の広範なエコシステムと連携させることが可能となります。

今後の道は、ゼロ知識ネイティブアーキテクチャの卓越した性能向上と、既存のEVMインフラの後方互換性、セキュリティの単純化とネットワーク効果、汎用計算エコシステムの能力とサードパーティツールチェーンの複雑さのリスクとの間でバランスを取る必要があります。

最終的に、このアーキテクチャの進化は、「Lean Execution」およびより広範な「Lean Ethereum」ビジョンへのコミットメントを体現します。イーサリアムは、スマートコントラクトプラットフォームから、検証可能な計算を支える効率的で安全な決済・データ提供層へと変貌を遂げるのです。

Vitalik Buterinの最終ビジョン—「すべてにZK-snarksを提供する」—は、Succinct Labsのようなプロジェクトが示すように、RISC-Vが単なる理論的アーキテクチャではなく、実用的な短期的エンジニアリングの選択肢であることを証明しつつ、現実味を帯びてきています。RISC-Vを採用することで、イーサリアムは次世代インターネットインフラの基盤となる信頼層として位置付けられ、暗号証明に基づく信頼モデルを推進します。

証明可能なソフトウェアの時代が到来しました。