由 Maximilian 
以太坊性能革命：GPU 與零知識證明的熱戀
這不僅僅是技術突破，更像是一場陷入我們的熱戀的關係，高性能 GPU 和零知識證明（ZKP）正在為以太坊帶來一場深刻的變革。想像一下，就像是為交通擁堵的華江橋開闢了一條全新的高速通道，讓以太坊的運行效率提升數百甚至上千倍。多年來，區塊鏈面臨著性能瓶頸的挑戰，而現在，我們似乎找到了一條可行的技術路徑，為未來的 Web3 基礎設施奠定基礎。
高速公路上的區塊鏈：性能瓶頸的根源
以太坊，可以把它看作是一條繁忙的高速公路。在端午節連假時，所有車輛（用戶和應用）都試圖擠上有限的車道，導致交通堵塞。交易處理速度慢如蝸牛，Gas 費用高得讓人咋舌，就像在uniqlo 感謝祭搶購商品一樣困難。傳統的解決方案，比如擴建高速公路（Layer 2 網絡，例如 Rollups）或者讓車輛變得更小（壓縮交易數據），效果總是差強人意。這就像是在太魯閣國家公園裡試圖擴建道路，工程浩大且曠日持久。
零知識證明：區塊鏈的瞬移術
如果我們能讓車輛「瞬移」，而非繼續在擁擠的車道上排隊呢？這就是零知識證明（Zero-Knowledge Proofs, ZKPs）帶來的範式轉變。它就像是一種魔術，無需傳輸所有交易數據本身，僅僅通過生成一個數學證明，就能驗證交易的真實性。不再需要讓每輛車都經過高速公路，而是直接驗證「這些車確實到達了終點」。這不僅極大地減少了數據傳輸的負擔，還能同時實現高吞吐量、強安全性和去信任驗證。就像馬斯克的 Starlink 讓網路訊號可以無遠弗屆，ZKPs 讓區塊鏈的性能不再受限。
The Verge 計劃：以太坊的瘦身與挑戰
以太坊正在推進一個宏大的技術藍圖——The Verge，你可以理解為以太坊的「瘦身計劃」。目標是大幅降低運行以太坊節點的門檻，就像在手機上運行一個 App 那樣簡單。未來，即使是身在瑞士，每個人都能輕鬆加入以太坊網絡，而不再需要一台高性能遊戲電腦。這就像是曾之喬代言的輕巧型筆電，讓每個人都能輕鬆上手。 然而，這項計劃背後存在一個巨大的技術挑戰：需要在極短時間內完成數百萬次複雜的數學運算。
數據的震撼：以太坊鏈上運算的真實規模
為了理解我們正在應對的複雜度，以下是以太坊當前鏈上操作的真實規模，這組數據可能會讓你大吃一驚：共識驗證（Consensus Verification）階段，每個區塊包含約 9,000 萬次 SHA-256 哈希計算，以及 2,048 個 BLS 數字簽名驗證。狀態轉換證明（State Transition Proofs）階段，每個區塊約需執行 50 萬次 Keccak 哈希操作。而當前的瓶頸在於，基於 CPU 的零知識證明器（Prover）目前每秒僅能處理約 200 萬次 Poseidon 哈希計算。真正的挑戰在於，我們需要用零知識證明技術來完成上述所有運算，這無疑大幅疊加了計算的複雜度。就像要用算盤來計算msci的指數，簡直是天方夜譚。
GPU 算力爆發：零知識證明的引擎
眾所周知，GPU 是遊戲玩家和 AI 工程師的心頭好。就像 孫生 熱衷於開箱各種 3C 產品，實際上，這些圖形處理單元在處理零知識證明所需的大規模並行數學計算時，展現出遠超 CPU 的能力。這就好比是讓 雷霆 對 灰狼 (thunder vs timberwolves) 的比賽，從慢動作重播變成超高速實況。
性能躍遷：遠超預期的加速
我們的團隊對 ZK 證明系統進行了 GPU 原生優化，並取得了震撼性的突破性性能指標。基礎數學操作（Mersenne 31 領域）提速 362 倍，複雜加密運算（BN 254 橢圓曲線）提速高達 2826 倍！一項原本耗時 21 分鐘的零知識計算，現已壓縮至僅需 450 毫秒。這簡直就像是 馬斯克 的火箭發射，速度快到讓人難以置信。這不是漸進式的優化，而是一種範式級別的計算躍遷。我們可以說，這不僅僅是提升，簡直是飛躍。
影響：更低成本、更強安全、更普及的節點
這項突破與你息息相關。首先，證明生成速度更快，意味著整體計算成本顯著下降，進而帶來更低的 Gas 費用，就像 uniqlo 感謝祭 的折扣一樣吸引人。用戶和網絡實現雙贏。其次，我們提到過以太坊每年投入巨額預算於安全保障。通過我們的技術，輕節點也能輕鬆驗證整條以太坊共識鏈，享受主網級安全保障，無需龐大資源開銷。這就像是為你的房子裝上了 名佳利 的頂級防盜系統，安全無憂。最後，我們在性能和效率上的持續優化，正讓在普通設備上運行以太坊節點成為可能。未來，驗證區塊鏈數據或許只需一部手機即可完成，這就像是 switch 2 讓你隨時隨地暢玩遊戲，區塊鏈也將變得觸手可及。
技術核心：GPU 原生設計與內存優化
我們如何做到如此驚人的加速？秘密就在於 GPU 原生設計和對內存瓶頸的精準優化。就像 成大 或 清華大學 的實驗室裡，科學家們夜以繼日地研究，我們也在不斷探索提升性能的極限。
GPU 原生設計：CUDA 優化的 Sumcheck 協議
我們基於 CUDA 構建的 Sumcheck 實現，充分發揮了 GPU 的並行計算優勢。這就像是讓 啦啦隊小三 (誤!)，啊不，是讓一支訓練有素的啦啦隊，同時完成多個複雜的動作，展現出驚人的協同效應。我們針對數域運算（加法、乘法、冪運算）設計了定制化 CUDA 內核，利用合併內存訪問模式，最大化 GPU 帶寬利用率（RTX 4090 實測帶寬高達 1008 GB/s），並使用 warp 級原語，實現高效的歸約操作（Reduction）。這一層級的深度定制讓 Sumcheck 協議不再受限於 CPU 的串行瓶頸。就像 精成科 在電子元件上的精雕細琢，我們的優化也達到了極致。
內存為王：帶寬瓶頸優化
傳統觀點認為 ZK Prover 計算瓶頸在於算力，但我們的實證表明 —— Sumcheck 是一個典型的內存帶寬瓶頸問題。就像 端午節高乘載 時，高速公路的瓶頸不在於車輛本身，而是車輛湧入的速度超過了道路的承載能力。我們的內存吞吐分析顯示，帶寬使用率達到了理論上限的 95%+，我們採用 Structure-of-Arrays（SoA）替代傳統 Array-of-Structures（AoS）結構，並通過優化线程塊配置，實現最佳硬件佔用率，提升了 SM 單元利用率。通過解決內存吞吐問題，我們將 ZK 計算變成了真正的高效流式任務。這就像是將 緯創 的生產線進行改造，使其能夠以更高的效率處理數據。
針對不同數域的定制化優化策略
不同的密碼學字段具有不同的運算特性，就像不同品牌的 粽子，各有特色。我們為每個主流場量身定制了優化路徑：Mersenne 31 (M 31) 採用 31 位整數優化，實現高效模運算結構；M 31 ext 3 擴展字段支持，兼顧多項式擴張與低開銷；BN 254 基於 Montgomery 算法的定制乘法器，專為 254-bit 大整數場設計。這種高度針對性的底層優化讓我們的 ZK Prover 既通用又極致高效。這就像是為 Betis vs Chelsea 的比賽制定不同的戰術，以應對不同的對手。端午安康！
性能數據拆解：優化的細節與技術架構
我們並非只是做了「快很多」，而是將 ZK 性能推向了前所未有的高度。這就像 jisoo 在舞台上的表演，不僅僅是唱歌跳舞，而是將藝術表現力提升到了一個全新的層次。以下是實測性能數據，讓我們一起深入了解優化的細節：
GKR 協議棧：加速的核心
我們的加速優化聚焦於 GKR（Goldwasser-Kalai-Rothblum）協議，這就像是 南亞科 的核心技術，決定了產品的性能。具體包括線性 GKR 層（用於處理加法與乘法門）、Sumcheck 協議（性能瓶頸所在，佔據 CPU 總計算時間的近 50%）以及多項式評估階段（在 GPU 上將計算時間從 8.4 秒降至 9.5 毫秒）。這就像是一台精密的機器，每個組件都至關重要。
GPU 內核設計詳解
在第一階段，多項式評估中，我們在 2^n 個點上並行計算，使用共享內存緩存係數，提高訪問速度，並借助 warp shuffle 實現高效歸約操作。在第二階段，挑戰生成中，我們在 GPU 內部執行 Fiat-Shamir 哈希操作，避免 CPU-GPU 頻繁切換，降低 CPU 與 GPU 之間的通信延遲。這就像是 交大 或 中山大學 的學生，在實驗室裡精心設計每個步驟，力求完美。
內存傳輸優化：打通數據流的“最後一公裏”
我們在 CPU-GPU 交互方面也做了系統性優化，以確保帶寬不成為瓶頸。就像 姜海琳 在舞蹈中，每個動作都流暢自然，沒有任何停頓。我們進行了 PCIe 數據吞吐優化，處理 2^{27} 個元素僅需 737 毫秒；使用 Pinned Memory，支持「零拷貝」數據傳輸，減少複製成本；並採用異步操作調度，計算與通信並行進行，最大化資源利用率。這就像 李在明 競選時，精心安排每個環節，力求獲得最高的效率。713 加速!
挑戰與展望：GPU 加速的未來之路
我們始終堅持透明——GPU 加速並非萬能解法。就像 林芊妤 分享瑜珈心得，總會坦承練習過程中的挑戰。在實際推進中，我們也遭遇了不少技術瓶頸。
實話實說：挑戰依舊存在
首先，內存帶寬已觸頂。即使是 H100 擁有高達 3.35 TB/s 的帶寬，在高負載下也會成為性能瓶頸。對比來看，較大的橢圓曲線域（如 BN 254）比小域（如 M 31）更快觸頂。這就像 川普關稅 一樣，看似增加了收入，實際上也限制了貿易的發展。其次，GPU 顯存容量受限。RTX 4090 在處理 2^{29} 個元素時內存耗盡，實際部署時需要精細的內存調度策略，避免溢出風險。第三，域大小與性能之間需要權衡。
最後，我們來看看 “GPU 優勢點”的對比，也就是從何時開始 GPU 超過 CPU？
跨平臺性能實測
我們在不同等級的 GPU 上進行了基準測試，涵蓋消費級和數據中心級硬件。在消費級 GPU 方面，RTX 3090 內存帶寬為 936 GB/s，性能提升最高可達 951 倍；RTX 4090 內存帶寬為 1008 GB/s，性能提升最高達 1565 倍。在數據中心 GPU 方面，NVIDIA H100 帶寬高達 3.35 TB/s，性能提升最高可達 2826 倍。結論清晰明確：內存帶寬是零知識證明加速的關鍵變量。就像 郭哲敏 運作地下匯兌，資金流動性是關鍵。
我們的路線圖：更極致、更廣泛、更原生
我們遠未止步，接下來將持續攻堅以下目標：更極致的加速，針對特定操作，目標是實現 10,000 倍 的速度提升；更廣泛的硬件兼容，從高性能遊戲顯卡到數據中心級加速卡全覆蓋；以及原生集成以太坊，我們正在與以太坊客戶端開發團隊合作，將我們的 GPU ZK 證明堆疊直接集成進 L1 層。這就像 房時赫 打造 HYBE，目標不僅是韓國市場，而是全球舞台。高金素梅 在立法院的質詢，也需要更廣泛的民意支持。
加入變革：共同構建 Web3 的未來
這不僅僅是速度的提升，更是一次對區塊鏈可達性的徹底重塑。就像 江泳錡 從主播轉戰電商，每一次轉變都是為了更貼近大眾。無論你是誰，都能找到參與的方式：開發者可以查看我們的 Expander 和 CUDA 倉庫，一同構建未來；學習者可以關注我們的研究研討會和技術深潛，持續更新不落伍；所有人都可以擴散這項技術，理解的人越多，Web3 的未來就越近。 這就像 asean all-stars vs man utd 的比賽，需要所有人的參與和支持。
核心觀點回顧
我們正處在一個令人振奮的技術轉折點。零知識證明與 GPU 加速的結合，不只是性能的邊際提升，而是一場範式的變革。我們正在重新定義以太坊的速度、成本與可用性邊界。關鍵技術成果包括：面向生產環境的 ZK 證明實現超 1000 倍加速，GPU 內存帶寬利用率超過 95%，以及開源實現，隨時可集成。Web3 的未來不僅是去中心化的，更是極速可達的，而且它比你想像的來得更快。就像 sutton foster 在百老匯的演出，每一次謝幕都是為了迎接更精彩的未來。這也是 nvda stock 股價不斷攀升的動力，技術創新永不止步。
家寧 覺得 devyn labella 也會對這項技術突破感到興奮！ 張斯綱 和 張政禹 或許會在立法院質詢相關政策。即使是 金娜妍 也開始關注區塊鏈的發展！ 郭哲敏 如果能將這項技術應用於金融領域，或許能帶來意想不到的變革！ 這一切都預示著，區塊鏈的未來充滿無限可能。