Foresight Ventures: WASM—大きな時代のエンジン

原作者: Mike@Foresight Ventures

TL;DR

WebAssembly (略して Wasm) は、Web ブラウザーで実行できる移植可能な高性能バイナリ命令形式です。複数のプログラミング言語で使用でき、さまざまなプラットフォームで実行できる汎用コンパイル ターゲットとして設計されています。

ブロックチェーンは、暗号化とコンセンサス アルゴリズムの使用を通じてデータのセキュリティと信頼性を保証する分散型分散台帳テクノロジーです。ブロックチェーンは、トランザクションの記録、データの保存、スマート コントラクトの実行などのアプリケーションに使用できます。

Wasm とブロックチェーンの間には、いくつかの関係とアプリケーション シナリオがあります。

1. スマート コントラクト: Wasm はスマート コントラクトの実行環境として使用でき、さまざまなブロックチェーン プラットフォームでコントラクトを実行できます。 Wasm の高いパフォーマンスと移植性により、スマート コントラクトをより効率的に実行でき、プラットフォーム間で使用できます。

2. クロスチェーンインタラクション: Wasm を使用してクロスチェーンインタラクション機能を実装できます。異なるブロックチェーンのロジックを Wasm コードにコンパイルすることで、同じロジックを異なるブロックチェーンで実行して、クロスチェーンのデータ送信と相互作用を実現できます。

3. オフチェーン計算: Wasm を使用すると、ブロックチェーンの外側で計算を実行し、結果をブロックチェーンに送信できます。これにより、データのセキュリティと信頼性を維持しながら、コンピューティングの効率と柔軟性を向上させることができます。

4. データプライバシー: Wasm を使用して、ブロックチェーン上にデータプライバシー保護を実装できます。機密データの処理ロジックを Wasm コードにコンパイルし、ブロックチェーン上で実行することで、計算の検証可能性を確保しながらデータのプライバシーを保護できます。

つまり、Wasm とブロックチェーンを相互に組み合わせることで、より効率的で安全かつ柔軟なブロックチェーン アプリケーションとサービスを提供できます。 Wasm の可搬性と高性能により、ブロックチェーン分野における重要なテクノロジーの 1 つとなっています。

1. WebAssembly とは何ですか?

WebAssembly は、W3C (World Wide Web Consortium) によって開発された効率的かつ軽量の命令セット標準であり、ネットワークとハイパフォーマンスを破壊するものとして知られており、クロスブラウザーの実行をサポートしています。これは、C/C++、Go、Rust などのさまざまなプログラミング言語を統一された標準バイナリ形式にコンパイルし、それを JavaScript の代わりとして使用して、ネイティブに近いコード効率でブラウザ内で実行できることを意味します。

WebAssembly (略して WASM) は、メモリセーフでプラットフォームに依存せず、あらゆる種類の CPU アーキテクチャに完全かつ効率的にマップされ、次のような主な利点があります。

• 効率的: WASM には完全な言語機能が備わっています。実際、WASM はサイズが小さく、ロードが速いバイナリ形式です。その目標は、ハードウェアの機能を最大限に活用してネイティブ言語の実行効率を達成することです。

• セキュリティ: WASM はメモリ安全なサンドボックス実行環境で実行され、既存の JavaScript 仮想マシン内に実装することもできます。 Web 環境では、WASM は同一生成元ポリシーとブラウザのセキュリティ ポリシーに厳密に準拠します。 WASM がコンパイルされるとき、インターフェイスの数は比較的少ないですが、ほとんどの wasm アプリケーションは (ソケットをサポートしていないため) インターネットに接続できず、現在はローカル データベースのみをサポートしています。セキュリティの問題の多くは実行時のメモリ アクセスに起因しますが、Wasm を使用するとコンパイル時の不正なメモリ アクセスを回避できます。

• 互換性: WASM は、バージョンレスで機能テストが可能で、Web との下位互換性があるように設計されています。 WASM は JavaScript によって呼び出すことができ、JavaScript コンテキストに入り、Web API のようなブラウザー関数を呼び出すこともできます。 WASM はブラウザ上で実行できるだけでなく、非 Web 環境 (Node.js、Deno、IoT デバイスなど) でも実行できます。従来の方法では複数のコンパイルが必要になる場合がありますが、WASM はプラグアンドプレイで 1 回実行するだけで済みます。

さらに: Web は、あらゆるデバイスからアプリにアクセスできる唯一の真のユニバーサル プラットフォームです。これにより、単一のコード ベースを維持できるため、更新が簡素化され、すべてのユーザーがアプリケーションに確実にアクセスできるようになります。 WASM は、CPU 命令に 1 対 1 で対応する 64 ビットおよび 32 ビットの整数演算をサポートします。浮動小数点演算を削除することで、コンセンサス アルゴリズムに必要な決定性を簡単に実現できます。

LLVM コンパイラ インフラストラクチャ プロジェクトを利用しているということは、Wasm が 10 年以上にわたる LLVM コンパイラの最適化の恩恵を受けることができることを意味します。 WASM は Google、Apple、Microsoft、Mozilla、Facebook などの大手企業によって継続的に開発されており、これらの大手企業が開発するブラウザのバックエンドはすべて wasm のコンパイルをサポートしています。

WASM の利点は、魔法のエンジンのようなもので、どこでも実行でき、バイナリ形式であるためダウンロードやインストールの必要がないことです。ワンクリックするだけで、必要なときにすぐに Web アプリケーションを実行できます。ブラウザにはセキュリティ メカニズムが組み込まれており、ブラウザ内で実行されているコードがシステムに損害を与えることがないため、バイナリを直接ダウンロードして実行するよりも安全です。また、Web アプリケーションの共有も同様に簡単です。リンクはクリック可能な文字列であり、どこにでも配置できます。

2. WebAssembly が必要な理由は何ですか?

2.1 Web2

ブラウザーに組み込まれた機能と Web が提供する双方向性のおかげで、Web はハイパーテキストの静的コンテンツと小さなスクリプト言語から、驚くべきアプリケーションと機能を備えた非常に強力で人気のあるプラットフォームに進化しました。しかし、これまでのところ、Web アプリケーションは依然として基本的に同じスクリプト言語 (JavaScript) によって駆動されていますが、JavaScript 設計の主な目標はこれを達成することではありませんでした。

JavaScript は、軽量のハイパーテキスト ドキュメントで満たされた Web アプリケーションに対話性をもたらすように設計された単純なスクリプト言語として始まりました。学びやすく、書きやすいように設計されており、高速になるように設計されていません。長年にわたり、ブラウザーは JavaScript 解析のパフォーマンスを大幅に向上させ、その結果、パフォーマンスが大幅に向上しました。

JavaScript の実行速度が速くなったことで、ブラウザ上で実行できることが大幅に広がりました。新しい API は、インタラクティブなグラフィックス、ビデオ ストリーミング、オフライン ブラウジングなどの機能をもたらします。同時に、ますます多くのアプリケーション (以前はローカル アプリケーションに限定されていました) が Web に参入し始めています。現在では、ブラウザーで簡単にドキュメントを編集したり電子メールを送信したりできますが、JavaScript のパフォーマンスが課題となる領域がまだあります。ブラウザ以外に使用しているソフトウェア (ゲーム、ビデオ編集、3D レンダリング、音楽制作など) について考えてみましょう。これらのアプリケーションは多くの計算を実行し、高いパフォーマンスを必要とします。 JavaScript がこの高いパフォーマンス要件を満たすのは困難です。

ただし、インターネット全体が JavaScript なしでは成り立たないため、JavaScript を置き換えるのは現実的ではなく、実現するには数十年かかる場合もあります。さらに、JavaScript を常に改善している人もたくさんいます。確かに、他の言語と比較すると、JavaScript は null や == などのいくつかの点で十分ではありませんが、これらの問題がテクノロジー全体を置き換えるには十分ではありません。

したがって、WebAssembly は JavaScript に置き換わることはありませんが、将来的に誰も WASM を使用しなくなるわけではありません。実際、WASM の使用はますます普及するでしょう。 WASM は、画像処理やゲームなどの強力なコンピューティング機能を Web ページにもたらすことができるからです。 WASM を使用すると、非常に快適に動作する Web バージョンの Photoshop を作成したり、ブラウザーで 60 フレーム/秒以上で実行できる 3D ゲームを作成したりできます。ゲームはオーディオとビデオの同時処理を必要とするだけでなく、物理的効果と AI の調整も必要となるため、特に困難です。ブラウザ上でゲームを効率的に実行できる WASM の機能により、他の多くのアプリケーションをブラウザに導入できる可能性への扉が開かれます。

上図は JavaScript と wasm のワークフローを比較したものですが、wasm の方が JavaScript よりもはるかに単純であることがわかります。

2.2 Web3

WASM VM

2018 年、イーサリアム エコシステムは、WASM VM のパフォーマンスが EVM よりも優れていると考えたため、スマート コントラクト仮想マシンとして WASM VM を使用することについて議論し始めました。 EVM の発明者である Gavin Wood 氏は、EVM に代わる WASM の実現可能性を表明しており、Vitalik 氏も、より多くの開発ニーズを満たすために Ethereum 2.0 が Wasm コントラクト (eWASM) にアップグレードされると述べています。さて、Wasm コントラクトの開発は一定の形をとりました。

2.3 EVM はどのように設計されていますか?なぜ非効率なのでしょうか?

スキーマのサイズが大きすぎます

従来のコンピューターには、32 ビットまたは 64 ビットの入力のみを受け入れる命令セットが含まれています。 EVM は 256 ビット コンピュータであるという点で異なり、特別です。イーサリアムのハッシュ アルゴリズムの処理を容易にするために意図的にこのように設計されており、明示的に 256 ビット出力を生成します。

ただし、EVM プログラムを実際に実行するコンピューターは、スマート コントラクトを実行するために 256 ビット ワードをネイティブ アーキテクチャに分割する必要があるため、システム全体が非常に非効率的で非実用的になります。

また、基本的な OPCODES を使用してイーサリアムに SHA 256 のような複雑なアルゴリズムを実装したい場合は、頑張ってください。命令セットを通じて複雑なプログラムを実行することによって引き起こされる高ガスの問題を解決するために、イーサリアムは、プログラムを EVM にコンパイルして一定量のガスを消費するプリコンパイルの概念を導入しました。注目に値するプリコンパイルの 1 つは、イーサリアム ハッシュ アルゴリズムです。このアルゴリズムが仮想マシンに実装されている場合、コントラクトの呼び出し時に非常に高額な料金が発生するためです。

肥大化したプリコンパイル

プリコンパイルの問題は、現在の命令セットと仕様の非効率で貧弱な設計という中核的な問題が解決されずに、仮想マシンの肥大化と複雑さが増大し続けることです。

これらの複雑なプログラムをプリコンパイルする必要がなく、基本的な命令だけで効率的に実装できる新しい仕様と命令セットを定義できたらどうなるでしょうか?ここで WASM が役に立ちます。

2.4 EVM と WASM VM の比較

• スピード: WASM は、EVM よりも高速に実行できるように設計されています。 EVM はスマート コントラクトのコンパイルと実行を処理する際に効率の問題が発生する可能性がありますが、WASM はコンパイルされたコードに直接変換することで読み込み速度と処理能力を向上させます。

• プリコンパイル済み: EVM はプリコンパイルされたコントラクトに依存して暗号計算を効率的に実行しますが、これによりハード フォークのリスクが生じる可能性があります。 WASM はプリコンパイルされたコントラクトへの依存を排除​​し、開発者が効率的かつ高速なスマート コントラクトを作成できるようにします。

• 取引手数料：Wasm 仮想マシンが高速になると、トランザクションのスループットが大幅に向上し、契約の展開とトランザクションのコストも大幅に削減できます。 Wasm契約は、イーサリアムにおける高額な取引手数料と取引混雑という現在の問題を解決したと言えるでしょう。

• 柔軟性と相互運用性: Wasm は、スマート コントラクト開発者が利用できる言語シリーズを拡張し、Wasm 高水準言語 (Rust、C++、JavaScript など) を使用した複雑なビジネス ロジックの開発と記述をサポートしています。つまり、スマート コントラクトを記述できることになります。 Rust ベースの最も成熟した ink! や AssemblyScript ベースの Ask! など、使い慣れた言語であれば何でも構いません。

EWASM チームは、イーサリアムの実行層がより効率的かつシンプルになるように WebAssembly をイーサリアムに統合し、完全な分散型コンピューティング プラットフォームとして適したものにしています。 WASM は、実行層を強化するために WASM を使用している Dfinity や EOS など、他の多くのプロジェクトで標準として採用されています。

2.5 Stylus（Arbitrum）

Stylus プロジェクトは、イーサリアムの第 2 層ネットワーク Arbitrum 上に WebAssembly (WASM) 仮想マシンを導入することで、スマート コントラクトの実行パフォーマンスを向上させます。ガスコストを削減しながら、Solidity よりも速く契約を実行できます。これにより、Arbitrum ネットワーク上で高性能のスマート コントラクトを構築することが容易になり、現在 C、C++、Rust でのコンパイルがサポートされています。

カスタムプリコンパイルのサポート:Stylus はカスタム プリコンパイルもサポートしているため、開発者は独自の Rust または C++ プリコンパイルを Arbitrum ネットワークにデプロイできます。これは、オンチェーンのアップグレードを待つことなく、新しい暗号アルゴリズムやその他の特定の機能をオンチェーンに導入するのに役立ちます。たとえば、テンソル計算をプリコンパイルして推論コストを削減でき、これはオンチェーンの機械学習に役立つ可能性があります。

EVM との相互運用性:Stylus は、イーサリアム仮想マシン (EVM) との相互運用性を通じて、既存のイーサリアム エコシステムとの統合を可能にします。これは、Stylus コントラクトが既存の EVM コントラクトと相互運用でき、同じグローバル状態を EVM と共有できることを意味します。

再入可能:Cosmos wasm とは異なり、Stylus Rust SDK では再入可能性が導入されており、開発者がそれを手動で有効にすることができます。これにより、コントラクトをより柔軟に相互運用できるようになりますが、開発者はセキュリティを確保するために状態を注意深く管理する必要があります。

arbitrum エコシステムの人気を考えると、stylus は wasm の最も有意義な統合である可能性があり、zkrollup における arbitrum の競争力にも利益をもたらします。

2.6 Gear（Polkadot）

Gear Protocol は、スマート コントラクトをホストするツールとなる Polkadot パラチェーンとして展開できるテクノロジーを開発しています。 Polkadot と同様に、Gear は Substrate フレームワークを使用します。これにより、特定のアプリケーション用にさまざまなブロックチェーンを作成するプロセスが簡素化されます。 Substrate はすぐに使用できる広範な機能を提供するため、ユーザーはプロトコル上にカスタム エンジンを作成することに集中できます。

以前は、ブロックチェーンの立ち上げには費用がかかりましたが、Gear を使用すると、dApp 開発者はブロックチェーン全体を最初から構築して運用するのではなく、自分のプロジェクトに集中できるようになります。

Gear プロトコルのメイン エンジンはスマート コントラクト モジュールです。 Gear の場合、スマート コントラクトはすべて、さまざまな言語 (Rust、C、C++ など) でコンパイルされた WebAssembly プログラムです。使い慣れた環境でスマートコントラクトを構築できるため、暗号通貨の世界以外から来た開発者にとっては参入障壁が低いです。開発者はスマート コントラクト プログラミング言語を試しやすくなります。

Gear のスマート コントラクト アーキテクチャは内部でアクター モデルを使用し、次の機能を提供します。

• 不変プログラムに永続メモリを提供する

• 非同期メッセージ処理

• ブロックチェーンコンテキスト向けの最小限、直観的かつ適切な API サーフェス

• オンチェーン コンポーネント間のアクター通信プロキシ モデルは、より高い構成可能性、並列コード実行およびシャーディングとのより優れた互換性を提供します。

各プログラムには固定量のメモリがあり、Gear で制御できます。プログラムは自身のメモリ内でのみ読み書きでき、他のプログラムのメモリ空間にはアクセスできません。各プログラムは独立したメモリ空間を持ち、Gear ノード上の情報を並行して処理できます。

2.7 CosmWasm（Cosmos）

CosmWasm は、Cosmos-SDK に簡単にプラグインできる、最新の強力な Wasm ベースのスマート コントラクト プラットフォームです。これは、CosmWasm の主な利点の 1 つを示しています。CosmWasm で作成されたコントラクトは、IBC (ブロックチェーン間通信) とネイティブかつ緊密に統合されており、開発者とユーザーは現在 Rust でのみサポートされているマルチチェーンの未来に参入できるようになります。

CosmWasmの利点

1. 安全性：Rust 言語を使用したスマート コントラクトのセキュリティの向上。

2. クロスチェーン互換性:Cosmos エコシステムにおける IBC (Inter-Blockchain Communication) プロトコルのサポート。

3. パフォーマンス：従来の EVM (イーサリアム仮想マシン) と比較して、CosmWasm は効率が高く、場合によっては取引手数料が低いことが実証されています。

4. 開発者に優しい:Rust 言語のタイプ セーフティおよびメモリ セーフティ機能は、スマート コントラクトにおける特定の種類のバグを軽減します。

課題と限界

1. 学習曲線: Solidity などのより一般的に使用されているスマート コントラクト言語と比較して、Rust は初心者にとって学習曲線が急峻である可能性があります。 CosmWASM は、大量採用の可能性を得るために、より多くの言語コンパイルをサポートする必要があります。

2. エコシステムとツールのサポート：成長しているとはいえ、CosmWasmの開発ツールとエコシステムは、イーサリアムなどの成熟したスマートコントラクトプラットフォームと比較するとまだ限定されている可能性があります。

3. 市場シェアと人気：スマートコントラクトプラットフォームの中で、CosmWasmはイーサリアムやバイナンススマートチェーンなどに比べて知名度が低い可能性があり、開発者やユーザーを引きつける能力に影響を及ぼします。

4. メンテナンスとアップグレードの課題：CosmWasmはコントラクトのアップグレード機能を提供しますが、スマートコントラクトのメンテナンスとアップグレード管理は依然として複雑なタスクであり、セキュリティの脆弱性を避けるために慎重に処理する必要があります。

5. 互換性の問題: EVM または他のスマート コントラクト環境に慣れているプロジェクトの場合、CosmWasm への移行は互換性の問題に直面する可能性があります。

2.8 ZK-WASM

wasm 仮想マシンに加えて、最近の新興テクノロジー ZKWASM もあり、発明者 Delphinus Labs は ZK-WASM コードを github でオープンソース化しました。 ZKWASM を使用すると、開発者は実行された計算を再実行することなく、その正確さを検証できます。 ZKWASM を活用することで、開発者はさまざまなプログラミング言語を使用して ZKP アプリケーションを柔軟に構築できます。これらのアプリケーションは Web ブラウザでシームレスに実行されます。

ZKWASM の概念は、SNARG とゼロ知識証明のハイブリッドである ZKSNARK から来ています。説明しましょう。通常、ZKSNARK を使用するには、Pinocchio、TinyRAM、Buffet/Pquin、Geppetto、xJsnark フレームワーク、ZoKrates などの算術回路言語または回路に適した言語でプログラムを作成する必要があります。これは既存のプログラムにある程度の障害をもたらし、ZKSNARK の力を活用することが困難になります。ただし、ソース コード レベルで ZKSNARK を使用するのではなく、仮想マシンのバイトコード レベルで ZKSNARK を使用し、ZKSNARK をサポートする仮想マシンを実装する別の方法もあります。 Delphinus Labs は後者のアプローチを採用し、WASM 仮想マシン全体を ZKSNARK 回路に書き込むことで、既存の WASM アプリケーションを変更せずに ZKWASM 上で直接実行できるようにしました。したがって、クラウドサービスプロバイダーは、個人情報を漏らすことなく、計算結果が誠実に計算されたことをどのユーザーに対しても証明することができます。

ZKWASM は、ブラウザーでの一部の操作の ZK プルーフをチェーンにアップロードできるようにするなど、さまざまな使用例を提供します。 Web ページの操作をブロックチェーンで検証可能にします。別の例としては、オラクル、オフチェーン コンピューティング、自動化、Web2 と Web3 の接続、機械学習とデータ処理、さらにはゲームやソーシャル アプリケーションのプルーフの生成などがあります。導入が増えるにつれて、zkWASM は Web3 の可能性を拡大し、Web2 開発者をこの変革的な状況に引き込みます。

Delphinus Lab の ZKWASM 実装を通じて、開発者はゼロ知識証明の力を利用してアプリケーションのセキュリティとプライバシーを強化し、より信頼性の高い分散型デジタル環境への道を開くことができます。

3. 結論

Web のパフォーマンスとスマート コントラクト プラットフォームの実行層の未来は明るいです。 WASM を統合すると、dApps のパフォーマンスが向上するだけでなく、Rust や Go などの主流言語の堅牢性に慣れている人にとって、Solidity や他のブロックチェーン開発言語を学ぶ必要がなく、スマート コントラクト開発が容易になります。イーサリアム上で有用なアプリケーションを開発するには、さまざまな詳細が必要です。 Evans Data Corporation によると、世界中には約 2,700 万人の開発者がいます。この数は昨年約 3% 増加し、着実に増加しており、2024 年までに 2,870 万人を超えると予想されています。ブロックチェーン上の開発者はわずか 30,000 人に過ぎず、開発者の総数の約 1,000 分の 1 に相当します。この数は着実に増加していますが、開発者が新しいスマート コントラクト言語を学ぶのは依然として難しい可能性があります。ブロックチェーン。

しかし、ますます多くのブロックチェーンが、コンパイルされたスマート コントラクトのバイトコードとして Web Assembly をサポートし始めています。 WASM は、ブロックチェーンに高効率、相互運用性、幅広いアプリケーション シナリオをもたらすだけでなく、開発者を解放し、開発者がブロックチェーンに参入するための敷居を下げるための鍵ももたらします。ブロックチェーンを想像してみてください。近い将来、Web2 開発者がブロックチェーン開発に挑戦したい場合、使い慣れた Python、C++、JavaScript を使用してブロックチェーン上で大規模なアプリケーションを開発し、領域の解放を最大化できるようになります。分散型ネットワークは、まず作成者（開発者）の敷居を下げ、次にユーザーの敷居を下げて、大量導入に向けて進むことです。

4. 索引

https://blog.scottlogic.com/2022/06/20/state-of-wasm-2022.html

https://www.notion.so/ 18 f 67 cee 15 c 147 dfae 68 b 06269 a 455 c 0 ?pvs=21

https://wiki.polkadot.network/docs/learn-wasm

https://docs.arbitrum.io/stylus/stylus-gentle-introduction

https://medium.com/@gear_techs/introducing-gear-easy-to-use-polkadot-parachain-9ccd05437a9c

https://medium.com/cosmwasm/cosmwasm-for-ctos-f1ffa19cccb8

https://www.cncf.io/wp-content/uploads/2023/09/The-State-of-WebAssembly-2023.pdf

https://github.com/DelphinusLab/zkWasm

この記事に関して提案と指導を提供してくれた Maggie、Xinyou Ji (CMU)、および Sinka Gao (Delphinus Labs) に感謝します。

フォーサイト・ベンチャーズについて

Foresight Venturesは、今後数十年の仮想通貨の革新プロセスに賭け、VCファンド、セカンダリーアクティブ運用ファンド、マルチストラテジーFOF、特定目的Sファンド「Foresight Secondary Fund l」の複数ファンドを運用するトータルアセットマネジメントを行っています。規模は4億ドルを超える。 Foresight Venturesは、「ユニーク、独立、積極的、長期的」をコンセプトに、強力なエコロジーパワーでプロジェクトを幅広くサポートします。そのチームは、Sequoia China、CICC、Google、Bitmain、その他のトップ金融およびテクノロジー企業を含むトップ金融およびテクノロジー企業の幹部で構成されています。