以太坊共同創(chuàng)辦人Vitalik Buterin最新撰文，探討了現(xiàn)代運(yùn)算如何采用「膠水(Glue)和協(xié)處理器(Coprocessor)」架構(gòu)來提高效率，這種架構(gòu)將運(yùn)算分為兩部分：一個是通用但效率較低的「業(yè)務(wù)邏輯」，另一個是高度結(jié)構(gòu)化且運(yùn)算密集型的「昂貴工作」，并通過靈活的通用「膠水」元件和高效的專用「協(xié)處理器」來優(yōu)化這兩種運(yùn)算形式。

實(shí)務(wù)上運(yùn)算分離例子

Vitalik詳細(xì)說明了「膠水和協(xié)處理器」架構(gòu)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，包括以太坊虛擬機(jī)(EVM)、人工智能(AI)、網(wǎng)頁應(yīng)用(Webapps)和可編程密碼學(xué)等。

在EVM的例子中，Vitalik分析了一筆交易的Gas費(fèi)，指出大部分運(yùn)算(約73%)集中在幾個結(jié)構(gòu)化的昂貴操作上，如存儲讀寫和日志記錄，而其余部分則是「業(yè)務(wù)邏輯」，例如處理交易的具體細(xì)節(jié)。

在AI領(lǐng)域，Vitalik以PyTorch中的例子說明了如何使用Python編寫高層次的「業(yè)務(wù)邏輯」，而將密集運(yùn)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(xué)中如何實(shí)現(xiàn)這種分離，例如STARKs可以通過通用虛擬機(jī)(如RISC-V)構(gòu)建證明器來處理通用業(yè)務(wù)邏輯，同時使用專門模組來高效處理特定昂貴的運(yùn)算操作。其他可編程加密技術(shù)如SNARKs、多方計(jì)算(MPC)和全同態(tài)加密(FHE)可能也會采用類似的優(yōu)化方法。

各領(lǐng)域運(yùn)算分離例子

運(yùn)算分離加劇的原因

Vitalik認(rèn)為，現(xiàn)代運(yùn)算越來越傾向于采用這種架構(gòu)，因?yàn)樗试S開發(fā)者將運(yùn)算分離，從而在不同層面上進(jìn)行優(yōu)化，并且這種分離正在增加，主要是由于以下幾個原因：

• CPU時脈速度的極限：隨著CPU時脈速度的提升達(dá)到瓶頸，進(jìn)一步的性能提升需要通過并行運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)。然而，并行運(yùn)算難以理解和實(shí)現(xiàn)，因此開發(fā)者傾向于繼續(xù)使用順序邏輯，并將并行化交由后端專門的模塊來處理。

• 業(yè)務(wù)邏輯運(yùn)算成本的降低：隨著運(yùn)算速度的大幅提升，業(yè)務(wù)邏輯的運(yùn)算成本變得微不足道。在這種情況下，優(yōu)化業(yè)務(wù)邏輯運(yùn)行的虛擬機(jī)(VM)時，更注重開發(fā)者友好性、安全性等目標(biāo)，而將運(yùn)算效率的需求交給專門的「協(xié)處理器」模塊來實(shí)現(xiàn)。

• 關(guān)鍵昂貴操作的明確化：隨著時間的推移，在密碼學(xué)和人工智能等領(lǐng)域，已經(jīng)越來越清楚哪些是最重要且昂貴的操作類型(如模算數(shù)、橢圓曲線計(jì)算、快速傅立葉轉(zhuǎn)換、矩陣乘法等)，這使得專門優(yōu)化這些操作的協(xié)處理器變得更加可行且重要。

膠水和協(xié)處理器的優(yōu)化方向

最后，Vitalik提出了一些關(guān)于如何改進(jìn)EVM、提高運(yùn)算安全性、推動開源硬體以及加速密碼學(xué)主流化的建議。

EVM(以太坊虛擬機(jī))：

• EVM不需要追求效率,而應(yīng)該注重熟悉度和生態(tài)系統(tǒng)。

• 可以通過加入?yún)f(xié)處理器(預(yù)編譯)來提高效率。

• 改進(jìn)EVM的方法包括添加更好的預(yù)編譯/特殊操作碼，以及改進(jìn)儲存布局。

安全運(yùn)算和開源硬件：

• 當(dāng)前硬件安全面臨復(fù)雜性和專有性的挑戰(zhàn)。

• 開源和安全的替代方案正在推進(jìn)，但效率仍是問題。

• 建議采用「膠水和協(xié)處理器」架構(gòu)：用開源、安全但較慢的主晶片處理敏感計(jì)算，并用專有但高效的ASIC模塊處理密集運(yùn)算。

密碼學(xué)：

• 這種架構(gòu)對密碼學(xué)(尤其是可程序化密碼學(xué))的主流化很有利。

• 一些高度結(jié)構(gòu)化的運(yùn)算(如SNARKs、MPC等)已經(jīng)有了高度優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)。

• 通用VM執(zhí)行可能仍有較高開銷，但只要密集運(yùn)算部分使用專門技術(shù)處理，整體開銷就可控。

Vitalik補(bǔ)充道，雖然膠水不需要高效能，但在延遲和數(shù)據(jù)帶寬方面仍有一定要求。對于需要反復(fù)處理相同數(shù)據(jù)的運(yùn)算(如密碼學(xué)和AI)，膠水的效率可能成為瓶頸。

結(jié)論

Vitalik總結(jié)道，這一趨勢對于運(yùn)算效率的最大化、開發(fā)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于不同目標(biāo)，它實(shí)現(xiàn)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(gòu)讓更專業(yè)的客戶端運(yùn)算變得可能，特別是改善了在用戶本地硬件上運(yùn)行敏感且高性能要求的運(yùn)算(如ZK證明、AI推理)的能力。同時，運(yùn)算的模塊化降低了小型和新興參與者的進(jìn)入門檻，促進(jìn)了多個運(yùn)算領(lǐng)域間的合作與學(xué)習(xí)。

此外，這種趨勢為密碼學(xué)本身提供了加速機(jī)會，并為區(qū)塊鏈的發(fā)展開辟了新路徑，允許優(yōu)化特定功能(如預(yù)編譯)而不是整體虛擬機(jī)，使得性能和安全性可以同時得到提升。

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