イーサリアム（ETH）が抱えるスケーラビリティ問題と解決策

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・実行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、サプライチェーン管理、投票システムなど、多岐にわたる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と利用拡大に伴い、スケーラビリティ問題が顕在化し、その解決が喫緊の課題となっています。本稿では、イーサリアムが抱えるスケーラビリティ問題の詳細、その原因、そして現在検討・開発が進められている様々な解決策について、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、以下の問題を引き起こしています。

• トランザクション遅延: ネットワークが混雑すると、トランザクションの承認に時間がかかり、ユーザーは長い待ち時間を経験することになります。
• ガス代の高騰: トランザクションを優先的に処理してもらうためには、高いガス代（トランザクション手数料）を支払う必要があり、DAppsの利用コストが増加します。
• ユーザーエクスペリエンスの低下: トランザクションの遅延や高額なガス代は、DAppsのユーザーエクスペリエンスを著しく低下させ、普及の妨げとなります。

これらの問題は、イーサリアムの潜在能力を最大限に引き出す上で大きな障壁となっており、その解決はイーサリアムの持続的な成長にとって不可欠です。

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は、主に以下の要因によって引き起こされています。

• ブロックサイズ制限: イーサリアムのブロックサイズは、セキュリティと分散性を維持するために制限されています。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の数が制限され、処理能力が低下します。
• コンセンサスアルゴリズム: イーサリアムは、Proof-of-Work（PoW）というコンセンサスアルゴリズムを採用していました。PoWは、トランザクションの検証に膨大な計算資源を必要とし、処理速度が遅いという欠点があります。
• EVMの制約: イーサリアム仮想マシン（EVM）は、スマートコントラクトを実行するための環境ですが、その設計上の制約から、複雑な計算処理に時間がかかる場合があります。
• ネットワークの構造: イーサリアムのネットワーク構造は、すべてのノードがすべてのトランザクションを検証する必要があるため、処理能力が制限されます。

これらの要因が複合的に作用し、イーサリアムのスケーラビリティ問題を深刻化させています。

スケーラビリティ問題を解決するためのアプローチ

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、様々なアプローチが検討・開発されています。これらのアプローチは、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つに分類できます。

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、イーサリアムのブロックチェーン自体を改良することでスケーラビリティを向上させるアプローチです。

• Proof-of-Stake（PoS）への移行: イーサリアムは、2022年にコンセンサスアルゴリズムをPoWからPoSに移行しました。PoSは、トランザクションの検証に計算資源ではなく、ETHの保有量を利用するため、PoWよりもエネルギー効率が高く、処理速度も向上します。
• 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（断片）に分割し、各シャードが並行してトランザクションを処理することで、処理能力を向上させる技術です。イーサリアム2.0では、シャーディングの導入が計画されています。
• EVMの改良: EVMの設計を改良し、より効率的なスマートコントラクトの実行を可能にすることで、処理速度を向上させることができます。

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追加のレイヤーで、トランザクションをオフチェーンで処理することでスケーラビリティを向上させるアプローチです。

• State Channels: State Channelsは、参加者間で直接トランザクションを交換し、最終的な結果のみをイーサリアムのブロックチェーンに記録することで、トランザクションの処理負荷を軽減する技術です。
• Rollups: Rollups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ことで、トランザクションの処理負荷を軽減する技術です。Rollupsには、Optimistic RollupsとZK-Rollupsの2つの種類があります。
• Sidechains: Sidechains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あり、イーサリアムのブロックチェーンと相互運用可能です。Sidechainsは、イーサリアムのブロックチェーンの処理負荷を軽減し、特定のアプリケーションに特化したブロックチェーンを構築することができます。

各ソリューションの詳細

Proof-of-Stake (PoS): PoSは、バリデーターと呼ばれるETHの保有者がトランザクションを検証し、ブロックを生成する仕組みです。バリデーターは、ETHをステーク（預け入れ）することで、ネットワークのセキュリティに貢献し、その見返りとして報酬を得ることができます。PoSは、PoWよりもエネルギー効率が高く、処理速度も向上するため、イーサリアムのスケーラビリティ問題の解決に大きく貢献すると期待されています。

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、各シャードが並行してトランザクションを処理することで、処理能力を向上させる技術です。各シャードは、独立したブロックチェーンとして機能し、それぞれが独自のトランザクション履歴と状態を保持します。シャーディングを導入することで、イーサリアムの処理能力を大幅に向上させることができます。

Optimistic Rollups: Optimistic Rollups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 Rollups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 Rollupsは、比較的簡単に実装できるという利点がありますが、異議申し立て期間中に資金がロックされるという欠点があります。

ZK-Rollups: ZK-Rollups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する技術です。ZK-Rollups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。ZK-Rollupsは、Optimistic Rollupsよりもセキュリティが高いという利点がありますが、実装が複雑であるという欠点があります。

今後の展望

イーサリアムのスケーラビリティ問題の解決は、DAppsの普及とWeb3の実現にとって不可欠です。現在、様々なソリューションが開発されており、今後数年間でこれらのソリューションが成熟し、イーサリアムのスケーラビリティが大幅に向上することが期待されます。特に、PoSへの移行とシャーディングの導入は、イーサリアムのスケーラビリティを根本的に改善する可能性を秘めています。また、レイヤー2ソリューションの進化も、イーサリアムのスケーラビリティ向上に大きく貢献すると考えられます。

まとめ

イーサリアムは、その革新的な技術と多様な応用可能性から、ブロックチェーン業界において重要な役割を果たしています。しかし、スケーラビリティ問題は、イーサリアムの普及と利用拡大を阻害する大きな課題となっています。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、そして現在検討・開発が進められている様々な解決策について解説しました。これらのソリューションが成熟し、実装されることで、イーサリアムはよりスケーラブルで効率的なプラットフォームとなり、Web3の実現に大きく貢献することが期待されます。