イーサリアム（ETH）のスケーラビリティ問題と解決への挑戦

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、技術的な側面を中心に詳細に解説します。

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、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設計では、TPSは約15程度とされており、これはビットコイン（約7TPS）と比較して高いものの、VisaやMastercardなどの既存の決済システム（数千TPS）に比べると著しく低い数値です。この低いTPSが、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。

具体的には、以下の問題が発生しています。

• 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数が制限され、TPS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、当初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（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、汎用的な計算機として設計されていますが、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は、すべてのノードがトランザクションを検証し、ブロックチェーンのコピーを保持するという構造になっています。この構造は、高いセキュリティと分散性を実現する一方で、処理能力のボトルネックとなる可能性があります。

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、様々なアプローチが提案され、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。

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または全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。

• State Channels: 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技術です。Lightning Networkなどが代表的な例です。
• Rollups: 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 RollupsとZK-Rollupsの2種類があります。
• Optimistic Rollups: 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する技術です。
• ZK-Rollups: ゼロ知識証明（Zero-Knowledge Proof）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。
• Sidechains: イーサリアムとは独立したブロックチェーンであり、イーサリアムのメインチェーンと相互運用可能です。Polygonなどが代表的な例です。

レイヤー1ソリューション

レイヤー1ソリューションは、イーサリアムのメイン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ための技術です。

• シャーディング: 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、TPSを向上させる技術です。
• コンセンサスアルゴリズムの変更: PoWからProof-of-Stake（PoS）への移行は、イーサリアムのスケーラビリティ向上に大きく貢献します。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よりも高速かつ効率的な処理が可能です。

The Mergeと今後の展望

2022年9月15日、イーサリアムは「The Merge」と呼ばれる大規模なアップグレードを実施し、コンセンサスアルゴリズムをPoWからPoSへと移行しました。この移行により、イーサリアムのエネルギー消費量は大幅に削減され、スケーラビリティ向上への道が開かれました。

The Mergeは、イーサリアムのスケーラビリティ問題の解決に向けた重要な一歩ですが、これだけで問題が完全に解決されるわけではありません。シャーディングなどのさらなる技術開発が必要となります。

現在、イーサリアムの開発チームは、シャーディングの実装に向けて精力的に取り組んでいます。シャーディングが実現すれば、イーサリアムのTPSは飛躍的に向上し、より多くのユーザーが快適にDAppsを利用できるようになると期待されています。

また、レイヤー2ソリューションの開発も活発に進められています。Optimistic RollupsやZK-Rollupsなどの技術は、すでに実用化されており、イーサリアムのスケーラビリティ向上に貢献しています。

セキュリティと分散性への影響

スケーラビリティを向上させるための技術は、セキュリティや分散性といったイーサリアムの重要な特性に影響を与える可能性があります。例えば、シャーディングは、各シャードが独立して動作するため、セキュリティリスクが増加する可能性があります。また、PoSは、ETHの保有量が多いノードがネットワークを支配する可能性があり、分散性が低下する可能性があります。

これらのリスクを軽減するために、イーサリアムの開発チームは、セキュリティと分散性を維持するための様々な対策を講じています。例えば、シャーディングにおいては、クロスシャード通信のセキュリティを強化する技術が開発されています。また、PoSにおいては、ETHの保有量に関わらず、すべてのノードがネットワークに参加できるような仕組みが導入されています。

まとめ

イーサリアムのスケーラビリティ問題は、その普及と利用拡大を阻む大きな課題です。しかし、レイヤー2ソリューションやレイヤー1ソリューションなど、様々な解決策が提案され、開発が進められています。The MergeによるPoSへの移行は、スケーラビリティ向上への重要な一歩であり、今後のシャーディングの実装によって、イーサリアムのTPSは飛躍的に向上すると期待されます。スケーラビリティ問題の解決は、イーサリアムが真にグローバルなプラットフォームとして成長するために不可欠であり、今後の技術開発の動向に注目が集まります。