V神提出膠水和協處理器計算模型！提高效率和安全性

以太坊共同創辦人vitalik buterin最新撰文，探討了現代運算如何採用「膠水(glue)和協處理器(coprocessor)」架構來提高效率，這種架構將運算分爲兩部分：一個是通用但效率較低的「業務邏輯」，另一個是高度結構化且運算密集型的「昂貴工作」，並通過靈活的通用「膠水」元件和高效的專用「協處理器」來優化這兩種運算形式。

實務上運算分離例子

Vitalik詳細說明了「膠水和協處理器」架構在不同領域的應用，包括以太坊虛擬機(EVM)、人工智能(AI)、網頁應用(Webapps)和可編程密碼學等。

在EVM的例子中，Vitalik分析了一筆交易的Gas費，指出大部分運算(約73%)集中在幾個結構化的昂貴操作上，如存儲讀寫和日誌記錄，而其餘部分則是「業務邏輯」，例如處理交易的具體細節。

在AI領域，Vitalik以PyTorch中的例子說明了如何使用Python編寫高層次的「業務邏輯」，而將密集運算(如矩陣和向量操作)交由CUDA和ASIC來高效處理。

Vitalik還探討了在可編程密碼學中如何實現這種分離，例如STARKs可以通過通用虛擬機(如RISC-V)構建證明器來處理通用業務邏輯，同時使用專門模組來高效處理特定昂貴的運算操作。其他可編程加密技術如SNARKs、多方計算(MPC)和全同態加密(FHE)可能也會採用類似的優化方法。

各領域運算分離例子

運算分離加劇的原因

Vitalik認爲，現代運算越來越傾向於採用這種架構，因爲它允許開發者將運算分離，從而在不同層面上進行優化，並且這種分離正在增加，主要是由於以下幾個原因：

• CPU時脈速度的極限：隨着CPU時脈速度的提升達到瓶頸，進一步的性能提升需要通過並行運算來實現。然而，並行運算難以理解和實現，因此開發者傾向於繼續使用順序邏輯，並將並行化交由後端專門的模塊來處理。

• 業務邏輯運算成本的降低：隨着運算速度的大幅提升，業務邏輯的運算成本變得微不足道。在這種情況下，優化業務邏輯運行的虛擬機(VM)時，更注重開發者友好性、安全性等目標，而將運算效率的需求交給專門的「協處理器」模塊來實現。

• 關鍵昂貴操作的明確化：隨着時間的推移，在密碼學和人工智能等領域，已經越來越清楚哪些是最重要且昂貴的操作類型(如模算數、橢圓曲線計算、快速傅立葉轉換、矩陣乘法等)，這使得專門優化這些操作的協處理器變得更加可行且重要。

膠水和協處理器的優化方向

最後，Vitalik提出了一些關於如何改進EVM、提高運算安全性、推動開源硬體以及加速密碼學主流化的建議。

EVM(以太坊虛擬機)：

• EVM不需要追求效率,而應該注重熟悉度和生態系統。

• 可以通過加入協處理器(預編譯)來提高效率。

• 改進EVM的方法包括添加更好的預編譯/特殊操作碼，以及改進儲存佈局。

安全運算和開源硬件：

• 當前硬件安全面臨複雜性和專有性的挑戰。

• 開源和安全的替代方案正在推進，但效率仍是問題。

• 建議採用「膠水和協處理器」架構：用開源、安全但較慢的主晶片處理敏感計算，並用專有但高效的ASIC模塊處理密集運算。

密碼學：

• 這種架構對密碼學(尤其是可程序化密碼學)的主流化很有利。

• 一些高度結構化的運算(如SNARKs、MPC等)已經有了高度優化的實現。

• 通用VM執行可能仍有較高開銷，但只要密集運算部分使用專門技術處理，整體開銷就可控。

Vitalik補充道，雖然膠水不需要高效能，但在延遲和數據帶寬方面仍有一定要求。對於需要反覆處理相同數據的運算(如密碼學和AI)，膠水的效率可能成爲瓶頸。

結論

Vitalik總結道，這一趨勢對於運算效率的最大化、開發者友好性、安全性和開放性的平衡具有積極意義。通過讓不同部分專注於不同目標，它實現了效率與其他價值(如安全性、開放性和簡單性)的共存。

這種架構讓更專業的客戶端運算變得可能，特別是改善了在用戶本地硬件上運行敏感且高性能要求的運算(如ZK證明、AI推理)的能力。同時，運算的模塊化降低了小型和新興參與者的進入門檻，促進了多個運算領域間的合作與學習。

此外，這種趨勢爲密碼學本身提供了加速機會，併爲區塊鏈的發展開闢了新路徑，允許優化特定功能(如預編譯)而不是整體虛擬機，使得性能和安全性可以同時得到提升。

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