イーサリアム（ETH）のスケーラビリティ問題と解決策を解説

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、投票システムなど、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、そして現在進行中の様々な解決策について、技術的な側面を含めて詳細に解説します。

1. スケーラビリティ問題とは

スケーラビリティ問題とは、システムが処理できるトランザクション数（TPS: Transactions Per Second）が、需要の増加に追いつかない状態を指します。イーサリアムの初期の設計では、TPSは約15程度とされていました。これは、ビットコインの約7TPSと比較しても大きな改善でしたが、DAppsの利用者が増加し、トランザクション数が増加するにつれて、ネットワークの混雑が深刻化しました。ネットワークが混雑すると、トランザクションの処理に時間がかかり、ガス代（トランザクション手数料）が高騰するという問題が発生します。この結果、DAppsの利用コストが増加し、ユーザーエクスペリエンスが低下するため、イーサリアムの普及を妨げる要因となっています。

2. 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は、主に以下の要因によって引き起こされます。

• 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重要な要素ですが、ブロックサイズが小さいと、一度に処理できるトランザクション数が制限されます。
• ブロック生成時間: イーサリアムのブロック生成時間は約12秒です。これは、ビットコインの約10分と比較すると短いですが、ブロック生成時間が短いほど、ネットワークの処理能力は向上しますが、セキュリティリスクも高まります。
• 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。イーサリアムは、シャーディングの実装を計画していましたが、技術的な複雑さから、実装が遅れていました。
• スマートコントラクトの複雑性: スマートコントラクトは、複雑なロジックを実行できるため、トランザクションの処理に時間がかかる場合があります。特に、複雑な計算処理を含むスマートコントラクトは、ネットワークの混雑を悪化させる可能性があります。
• EVM（Ethereum Virtual Machine）の制約: イーサリアムのスマートコントラクトは、EVM上で実行されます。EVMは、汎用的な計算機ですが、その設計には制約があり、高度な並列処理や最適化が困難です。

3. スケーラビリティ問題の解決策

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、様々な解決策が提案され、開発が進められています。主な解決策としては、以下のものが挙げられます。

3.1. レイヤー2ソリューション

レイヤー2ソリューションは、イーサリアムのメインチェーン（レイヤー1）の上で動作する、スケーラビリティを向上させるための技術です。レイヤー2ソリューションは、トランザクションの一部をオフチェーンで処理することで、メインチェーンの負荷を軽減し、TPSを向上させます。代表的なレイヤー2ソリューションとしては、以下のものがあります。

• 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メインチェーンに記録する技術です。Optimistic RollupとZK-Rollupの2種類があります。Optimistic Rollup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ることで、不正なトランザクションを検出します。ZK-Rollupは、ゼロ知識証明と呼ばれる暗号技術を用いて、トランザクションの有効性を証明します。
• 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ための技術です。ステートチャネルは、事前に合意されたルールに基づいてトランザクションを処理し、最終的な結果のみをメインチェーンに記録します。
• サイドチェーン: サイドチェーンは、イーサリアムのメイン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、独自のコンセンサスアルゴリズムを使用し、メインチェーンとの間で資産を移動することができます。

3.2. イーサリアム2.0（The Merge & シャーディング）

イーサリアム2.0は、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大規模なアップグレードです。イーサリアム2.0は、主に以下の2つの要素で構成されています。

• プルーフ・オブ・ステーク（PoS）への移行: イーサリアムは、当初、プルーフ・オブ・ワーク（PoW）というコンセンサスアルゴリズムを使用していました。PoWは、計算能力を競い合うことでブロックを生成する仕組みですが、消費電力が高く、スケーラビリティにも課題がありました。イーサリアム2.0では、PoSというコンセンサスアルゴリズムに移行しました。PoSは、ETHを預けることでブロックを生成する権利を得る仕組みであり、PoWと比較して消費電力が低く、スケーラビリティも向上します。2022年9月15日にThe Mergeが完了し、イーサリアムはPoSに移行しました。
• 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。シャーディングを実装することで、ネットワークの処理能力を大幅に向上させることができます。シャーディングの実装は、段階的に進められており、今後のアップデートで完全なシャーディングが実現される予定です。

3.3. その他の解決策

上記以外にも、イーサリアムのスケーラビリティ問題を解決するための様々な解決策が提案されています。

• EVMの改善: EVMの設計を改善することで、スマートコントラクトの実行効率を向上させることができます。
• データ圧縮: トランザクションデータを圧縮することで、ブロックサイズを小さくし、TPSを向上させることができます。
• 新しいプログラミング言語: EVMよりも効率的な新しいプログラミング言語を開発することで、スマートコントラクトの実行効率を向上させることができます。

4. 各解決策の比較

各解決策には、それぞれメリットとデメリットがあります。以下に、主な解決策の比較を示します。

解決策	メリット	デメリット
レイヤー2ソリューション	実装が比較的容易、既存のイーサリアムネットワークとの互換性が高い	セキュリティリスク、複雑性
イーサリアム2.0	根本的な解決策、高いセキュリティ	実装に時間がかかる、複雑性
EVMの改善	既存のスマートコントラクトとの互換性を維持できる	効果が限定的

5. まとめ

イーサリアムのスケーラビリティ問題は、その普及を阻む大きな課題ですが、現在、様々な解決策が開発されており、着実に進展しています。レイヤー2ソリューションは、短期的にはスケーラビリティを向上させるための有効な手段であり、イーサリアム2.0は、長期的には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取り組みです。これらの解決策が組み合わされることで、イーサリアムは、より多くのユーザーに利用される、より強力なプラットフォームへと進化していくことが期待されます。今後の技術開発とコミュニティの協力によって、イーサリアムのスケーラビリティ問題が克服され、分散型アプリケーションの普及が加速することを願います。