イーサリアム（ETH）のスケーラビリティ問題の現状と解決策

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現状を詳細に分析し、現在提案されている解決策について、技術的な側面を含めて解説します。

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。イーサリアムのブロックチェーンは、1ブロックあたり約15〜20トランザクションしか処理できません。ブロック生成間隔は約12秒であるため、1秒あたり約1.4トランザクションしか処理できない計算になります。これは、VisaやMastercardなどの既存の決済システムと比較すると、圧倒的に低い処理能力です。

この低い処理能力が、以下の問題を引き起こします。

• 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、ユーザーエクスペリエンスを損ないます。
• 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の利用コストを増加させます。
• ネットワークの混雑: ネットワークが混雑すると、DAppsのパフォーマンスが低下し、利用者が離れてしまう可能性があります。

これらの問題は、イーサリアムの普及を妨げる大きな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は、主に以下の要因によって引き起こされます。

• ブロックチェーンの構造: イーサリアムのブロックチェーンは、すべてのノードがトランザクションの検証とブロックの保存を行うため、ネットワーク全体の処理能力が制限されます。
• 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するため、処理速度が遅くなります。
• EVM（Ethereum Virtual Machine）の設計: EVMは、スマートコントラクトを実行するための仮想マシンですが、その設計が複雑であり、処理効率が低いという課題があります。

これらの要因を克服するために、様々な解決策が提案されています。

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、現在、主に以下の3つのアプローチが検討されています。

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、別のネットワークを構築することで、トランザクション処理能力を向上させる方法です。レイヤー2ソリューションには、以下の種類があります。

• ステートチャネル: 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メインチェーンに記録することで、トランザクションの処理量を削減します。Lightning Networkなどが代表的な例です。
• サイドチェーン: メインチェーンとは独立したブロックチェーンを構築し、メインチェーンとの間で資産を移動させることで、トランザクション処理能力を向上させます。Polygonなどが代表的な例です。
• ロールアップ: 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ことで、トランザクションの処理量を削減します。Optimistic RollupとZK-Rollupの2種類があります。

レイヤー2ソリューションは、イーサリアムのセキュリティを維持しながら、スケーラビリティ問題を解決できる可能性があります。しかし、レイヤー2ソリューションの導入には、複雑な技術的な課題や、ユーザーの学習コストなどの問題も存在します。

2. 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、各シャードが独立してトランザクションを処理することで、ネットワーク全体の処理能力を向上させる方法です。シャーディングによって、各ノードはすべてのトランザクションを検証する必要がなくなり、処理負荷が軽減されます。

イーサリアム2.0では、シャーディングが重要な機能として実装される予定です。しかし、シャーディングの導入には、シャード間のデータ整合性の確保や、セキュリティ上の課題など、克服すべき課題が数多く存在します。

3. コンセンサスアルゴリズムの変更

イーサリアムは、PoWからProof of Stake（PoS）へのコンセンサスアルゴリズムの変更を行いました。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。

イーサリアム2.0（The Merge）によってPoSへの移行が完了し、スケーラビリティ問題の解決に大きく貢献することが期待されています。しかし、PoSには、富の集中や、セキュリティ上の脆弱性などの課題も存在します。

その他の解決策

上記以外にも、以下のような解決策が提案されています。

• EVMの改善: EVMの設計を改善し、処理効率を向上させることで、トランザクション処理能力を向上させます。
• データ圧縮: ブロックチェーンに保存されるデータを圧縮することで、ブロックサイズを削減し、トランザクション処理能力を向上させます。
• 新しいプログラミング言語の導入: スマートコントラクトの開発に使用するプログラミング言語を改善し、処理効率を向上させます。

これらの解決策は、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補完的な手段として、検討されています。

イーサリアム2.0（The Merge）と今後の展望

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解決するための大規模なアップグレードであり、PoSへの移行、シャーディングの実装、EVMの改善などが含まれています。2022年9月に完了したThe Mergeは、PoSへの移行を完了し、エネルギー効率の大幅な向上を実現しました。今後の段階的なアップグレードによって、シャーディングが実装され、トランザクション処理能力が飛躍的に向上することが期待されています。

イーサリアム2.0の完成は、DAppsの普及を加速させ、Web3の実現に大きく貢献すると考えられます。しかし、イーサリアム2.0の導入には、技術的な課題や、コミュニティの合意形成など、克服すべき課題も存在します。

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、レイヤー2ソリューション、シャーディング、コンセンサスアルゴリズムの変更など、様々な解決策が提案されています。イーサリアム2.0は、これらの解決策を統合し、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。今後のイーサリアムの開発動向に注目し、Web3の未来を共に創造していくことが重要です。