イーサリアム（ETH）で発生するスケーラビリティ問題とは？

イーサリアムは、ビットコインに次ぐ時価総額を誇る、最も重要なブロックチェーンプラットフォームの一つです。スマートコントラクトの実行能力を備え、分散型金融（DeFi）や非代替性トークン（NFT）といった革新的なアプリケーションを支える基盤となっています。しかし、その普及と利用の拡大に伴い、イーサリアムは深刻なスケーラビリティ問題に直面しています。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、そして解決に向けた様々な取り組みについて、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何か？

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くなる状態を指します。ブロックチェーンにおいては、トランザクションの処理能力が低いと、ネットワークの混雑、トランザクション手数料の高騰、そしてトランザクションの遅延が発生します。これらの問題は、ユーザーエクスペリエンスを著しく低下させ、ブロックチェーンの普及を阻害する要因となります。

イーサリアムの場合、現在のTPSは約15～30程度とされています。これは、VisaやMastercardといった従来の決済システムと比較すると、圧倒的に低い数値です。例えば、Visaは理論上、毎秒数千トランザクションを処理できます。イーサリアムのTPSが低い理由は、そのアーキテクチャに起因します。

2. イーサリアムのスケーラビリティ問題の原因

2.1. ブロック生成時間とブロックサイズ

イーサリアムでは、約12秒ごとに新しいブロックが生成されます。各ブロックには、トランザクションデータが格納されますが、ブロックサイズには制限があります。この制限により、一度のブロックに格納できるトランザクション数には上限があり、それがTPSを制限する要因の一つとなっています。ブロックサイズを大きくすればTPSを向上させることができますが、ブロックのダウンロード時間が増加し、ネットワークの分散化を損なう可能性があります。

2.2. ガス代（Gas Fee）の変動

イーサリアムでは、トランザクションを実行するために「ガス」と呼ばれる手数料を支払う必要があります。ガス代は、トランザクションの複雑さやネットワークの混雑状況によって変動します。ネットワークが混雑すると、トランザクションを優先的に処理してもらうために、より高いガス代を支払う必要が生じます。このガス代の高騰は、DeFiやNFTといったアプリケーションの利用コストを増加させ、ユーザーの参入障壁を高める要因となっています。

2.3. 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と呼ばれる仮想マシン上で実行されます。EVMは、セキュリティを重視した設計がされており、トランザクションの検証に多くの計算リソースを必要とします。この計算リソースの制約が、トランザクションの処理速度を低下させ、スケーラビリティ問題を悪化させる要因となっています。

2.4. ネットワークのコンセンサスアルゴリズム（PoW）

イーサリアムは、当初、プルーフ・オブ・ワーク（PoW）と呼ばれる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能力を必要とし、エネルギー消費量が大きいという問題がありました。また、PoWは、トランザクションの処理速度を遅らせる要因の一つとなっていました。

3. スケーラビリティ問題を解決するための取り組み

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（Rollups）：トランザクションをまとめてオフチェーンで処理し、その結果を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。
• サイドチェーン（Sidechains）：イーサリアムとは独立したブロックチェーンであり、イーサリアムとの間で資産を移動できます。
• ステートチャネル（State Channels）：当事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。

3.2. イーサリアム2.0（The Merge）

イーサリアム2.0は、イーサリアムのスケーラビリティ、セキュリティ、持続可能性を向上させるための大規模なアップグレードです。その中心的な要素は、コンセンサスアルゴリズムをPoWからプルーフ・オブ・ステーク（PoS）に変更することです。PoSは、トランザクションの検証に計算能力ではなく、ETHの保有量を使用します。PoSは、PoWと比較して、エネルギー消費量が少なく、トランザクションの処理速度が速いという利点があります。2022年9月には、The Mergeが完了し、イーサリアムはPoSに移行しました。

3.3. シャーディング（Sharding）

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、各シャードが独立してトランザクションを処理する技術です。シャーディングにより、ネットワーク全体の処理能力を向上させることができます。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が、技術的な課題が多く、実現には時間がかかると予想されています。

3.4. その他のスケーリングソリューション

上記以外にも、様々なスケーリングソリューションが開発されています。例えば、Plasma、Validium、Volitionなどがあります。これらのソリューションは、それぞれ異なるアプローチでスケーラビリティ問題を解決しようとしています。

4. スケーラビリティ問題の現状と今後の展望

The Mergeの完了により、イーサリアムのエネルギー消費量は大幅に削減されましたが、TPSの向上は限定的です。現在、イーサリアムのスケーラビリティ問題の解決には、レイヤー2ソリューションが最も重要な役割を果たしています。特に、ロールアップは、高いスループットとセキュリティを両立できるため、DeFiやNFTといったアプリケーションで広く採用されています。

今後の展望としては、シャーディングの導入が期待されています。シャーディングが実現すれば、イーサリアムのTPSは大幅に向上し、より多くのユーザーが快適に利用できるようになるでしょう。また、レイヤー2ソリューションの技術も進化し続け、より効率的で使いやすいスケーリングソリューションが登場することが予想されます。

5. まとめ

イーサリアムのスケーラビリティ問題は、その普及と利用拡大に伴い、ますます深刻化しています。この問題を解決するためには、レイヤー2ソリューション、イーサリアム2.0、シャーディングといった様々な取り組みが必要です。The Mergeの完了は、スケーラビリティ問題解決に向けた重要な一歩となりましたが、まだ多くの課題が残されています。今後の技術開発とコミュニティの協力により、イーサリアムが真にスケーラブルなブロックチェーンプラットフォームへと進化することを期待します。イーサリアムのスケーラビリティ問題の解決は、DeFi、NFT、そしてWeb3全体の発展にとって不可欠な要素と言えるでしょう。