イーサリアム（ETH）のスケーラビリティ問題と解決への道筋

はじめに

イーサリアムは、2015年にVitalik Buterinによって提唱された、分散型アプリケーション（DApps）を構築するためのプラットフォームです。ビットコインと同様にブロックチェーン技術を基盤としていますが、スマートコントラクトという独自の機能を持つことで、金融、サプライチェーン、ゲームなど、様々な分野での応用が期待されています。しかし、イーサリアムの普及を阻む大きな課題として、スケーラビリティ問題が挙げられます。本稿では、イーサリアムのスケーラビリティ問題の詳細、その原因、そして解決に向けた様々な取り組みについて、技術的な側面を中心に解説します。

イーサリアムのスケーラビリティ問題とは

スケーラビリティ問題とは、トランザクション処理能力がネットワークの利用者の増加に追いつかない状態を指します。イーサリアムの場合、トランザクション処理能力は1秒あたり約15件程度とされており、これはビットコイン（約7件/秒）と比較しても大きな改善が見られるものの、VisaやMastercardといった既存の決済システム（数千件/秒）に比べると著しく低い数値です。この低い処理能力が、ネットワークの混雑を引き起こし、トランザクション手数料の高騰、トランザクションの遅延といった問題を引き起こします。

具体的には、DAppsの利用者が増加したり、DeFi（分散型金融）の取引が活発化したりすると、ネットワークが混雑し、トランザクションの処理に時間がかかるようになります。その結果、ユーザーは高い手数料を支払う必要が生じたり、トランザクションが承認されるまでに長時間待つ必要が生じたりします。これらの問題は、イーサリアムのユーザーエクスペリエンスを低下させ、普及を妨げる要因となっています。

スケーラビリティ問題の原因

イーサリアムのスケーラビリティ問題の原因は、主に以下の3点に集約されます。

• ブロックサイズ制限：イーサリアムのブロックサイズは、ビットコインと同様に制限されています。これは、ネットワークのセキュリティを維持するために、ブロックのサイズを大きくしすぎると、ノードがブロックを検証するのに時間がかかり、ネットワーク全体の処理速度が低下する可能性があるためです。
• ブロック生成間隔：イーサリアムのブロック生成間隔は約12秒と設定されています。これは、ビットコインの約10分と比較すると短いですが、それでも処理能力のボトルネックとなっています。
• シャーディングの未実装：シャーディングは、ブロックチェーンを複数のシャード（断片）に分割し、並行してトランザクションを処理する技術です。これにより、ネットワーク全体の処理能力を大幅に向上させることができますが、イーサリアムでは、長らくシャーディングの実装が遅れていました。

これらの要因が複合的に作用することで、イーサリアムのスケーラビリティ問題は深刻化しています。

スケーラビリティ問題解決への道筋

イーサリアムのスケーラビリティ問題を解決するために、様々な取り組みが行われています。大きく分けて、レイヤー1ソリューションとレイヤー2ソリューションの2つのアプローチがあります。

レイヤー1ソリューション

レイヤー1ソリューションとは、イーサリアムのプロトコル自体を改良するアプローチです。主な取り組みとしては、以下のものが挙げられます。

• Ethereum 2.0（The Merge）：Ethereum 2.0は、イーサリアムのコンセンサスアルゴリズムをPoW（プルーフ・オブ・ワーク）からPoS（プルーフ・オブ・ステーク）に変更する大規模なアップグレードです。PoSは、PoWと比較してエネルギー効率が高く、セキュリティも向上するとされています。また、The Mergeは、シャーディングの実装に向けた準備段階でもあります。
• シャーディング：シャーディングは、ブロックチェーンを複数のシャードに分割し、並行してトランザクションを処理する技術です。これにより、ネットワーク全体の処理能力を大幅に向上させることができます。Ethereum 2.0では、シャーディングが段階的に実装される予定です。

Ethereum 2.0とシャーディングの組み合わせにより、イーサリアムのトランザクション処理能力は飛躍的に向上すると期待されています。

レイヤー2ソリューション

レイヤー2ソリューションとは、イーサリアムのブロックチェーン上に構築される、スケーラビリティを向上させるための技術です。主な取り組みとしては、以下のものが挙げられます。

• ロールアップ：ロールアップは、複数のトランザクションをまとめて1つのトランザクションとしてイーサリアムのブロックチェーンに記録する技術です。これにより、イーサリアムのブロックチェーンへの書き込み量を減らし、トランザクション手数料を削減することができます。ロールアップには、Optimistic RollupとZK-Rollupの2つの種類があります。
• サイドチェーン：サイドチェーンは、イーサリアムのブロックチェーンとは独立したブロックチェーンです。サイドチェーンは、イーサリアムのブロックチェーンと相互運用することができ、イーサリアムのブロックチェーンの負荷を軽減することができます。
• ステートチャネル：ステートチャネルは、2者間のトランザクションをオフチェーンで処理する技術です。ステートチャネルは、イーサリアムのブロックチェーンへの書き込み量を減らし、トランザクション手数料を削減することができます。

レイヤー2ソリューションは、イーサリアムのプロトコルを変更することなく、スケーラビリティを向上させることができるため、Ethereum 2.0の完成までの間、重要な役割を果たすと期待されています。

各ソリューションの詳細

Ethereum 2.0 (The Merge)：2022年9月に完了したThe Mergeは、イーサリアムのコンセンサスアルゴリズムをPoWからPoSへと移行させました。これにより、エネルギー消費量が大幅に削減され、セキュリティが向上しました。PoSでは、トランザクションを検証するために、マイナーが計算能力を競うのではなく、バリデーターがETHを預け入れ、その量に応じてトランザクションを検証する権利を得ます。これにより、ネットワークの分散性が高まり、攻撃に対する耐性が向上します。

シャーディング：シャーディングは、イーサリアムのブロックチェーンを複数のシャードに分割し、各シャードが独立してトランザクションを処理する技術です。これにより、ネットワーク全体の処理能力を大幅に向上させることができます。各シャードは、独自のトランザクション履歴と状態を保持し、異なるバリデーターによって検証されます。シャーディングの実装は、複雑な技術的課題を伴いますが、イーサリアムのスケーラビリティ問題を根本的に解決するための重要なステップです。

Optimistic Rollup：Optimistic Rollupは、トランザクションをオフチェーンで処理し、その結果をイーサリアムのブロックチェーンに記録する技術です。Optimistic Rollupでは、トランザクションが有効であると仮定し、異議申し立て期間を設けます。異議申し立て期間内に異議申し立てがない場合、トランザクションは有効とみなされます。Optimistic Rollupは、比較的実装が容易ですが、異議申し立て期間中に資金がロックされるというデメリットがあります。

ZK-Rollup：ZK-Rollupは、ゼロ知識証明と呼ばれる暗号技術を使用して、トランザクションの有効性を証明する技術です。ZK-Rollupでは、トランザクションをオフチェーンで処理し、その結果とゼロ知識証明をイーサリアムのブロックチェーンに記録します。ゼロ知識証明は、トランザクションの内容を明らかにすることなく、トランザクションが有効であることを証明することができます。ZK-Rollupは、Optimistic Rollupよりも複雑な技術ですが、異議申し立て期間中に資金がロックされるというデメリットがありません。

今後の展望

イーサリアムのスケーラビリティ問題は、依然として解決すべき課題が多く残されていますが、Ethereum 2.0とレイヤー2ソリューションの進展により、着実に解決への道筋が開かれています。Ethereum 2.0の完全な実装と、レイヤー2ソリューションの普及により、イーサリアムは、より多くのユーザーが利用できる、高速で低コストなプラットフォームへと進化すると期待されます。

また、DeFiやNFTといった分野の成長に伴い、イーサリアムの需要はますます高まることが予想されます。そのため、スケーラビリティ問題の解決は、イーサリアムの将来にとって不可欠な要素となります。

まとめ

イーサリアムのスケーラビリティ問題は、ブロックサイズ制限、ブロック生成間隔、シャーディングの未実装といった要因によって引き起こされています。この問題を解決するために、Ethereum 2.0やレイヤー2ソリューションといった様々な取り組みが行われています。Ethereum 2.0は、コンセンサスアルゴリズムをPoSに変更し、シャーディングを実装することで、トランザクション処理能力を飛躍的に向上させることが期待されています。レイヤー2ソリューションは、ロールアップ、サイドチェーン、ステートチャネルといった技術を使用して、イーサリアムのブロックチェーンへの負荷を軽減し、トランザクション手数料を削減することができます。これらの取り組みにより、イーサリアムは、より多くのユーザーが利用できる、高速で低コストなプラットフォームへと進化し、様々な分野での応用が拡大すると期待されます。