V神提出胶水和协处理器计算模型!提高效率和安全性
以太坊共同创办人Vitalik Buterin最新撰文,探讨了现代运算如何采用「胶水(Glue)和协处理器(Coprocessor)」架构来提高效率,这种架构将运算分为两部分:一个是通用但效率较低的「业务逻辑」,另一个是高度结构化且运算密集型的「昂贵工作」,并通过灵活的通用「胶水」元件和高效的专用「协处理器」来优化这两种运算形式。
实务上运算分离例子
Vitalik详细说明了「胶水和协处理器」架构在不同领域的应用,包括以太坊虚拟机(EVM)、人工智能(AI)、网页应用(Webapps)和可编程密码学等。
在EVM的例子中,Vitalik分析了一笔交易的Gas费,指出大部分运算(约73%)集中在几个结构化的昂贵操作上,如存储读写和日志记录,而其余部分则是「业务逻辑」,例如处理交易的具体细节。
在AI领域,Vitalik以PyTorch中的例子说明了如何使用Python编写高层次的「业务逻辑」,而将密集运算(如矩阵和向量操作)交由CUDA和ASIC来高效处理。
Vitalik还探讨了在可编程密码学中如何实现这种分离,例如STARKs可以通过通用虚拟机(如RISC-V)构建证明器来处理通用业务逻辑,同时使用专门模组来高效处理特定昂贵的运算操作。其他可编程加密技术如SNARKs、多方计算(MPC)和全同态加密(FHE)可能也会采用类似的优化方法。
各领域运算分离例子
运算分离加剧的原因
Vitalik认为,现代运算越来越倾向于采用这种架构,因为它允许开发者将运算分离,从而在不同层面上进行优化,并且这种分离正在增加,主要是由于以下几个原因:
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CPU时脉速度的极限:随着CPU时脉速度的提升达到瓶颈,进一步的性能提升需要通过并行运算来实现。然而,并行运算难以理解和实现,因此开发者倾向于继续使用顺序逻辑,并将并行化交由后端专门的模块来处理。
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业务逻辑运算成本的降低:随着运算速度的大幅提升,业务逻辑的运算成本变得微不足道。在这种情况下,优化业务逻辑运行的虚拟机(VM)时,更注重开发者友好性、安全性等目标,而将运算效率的需求交给专门的「协处理器」模块来实现。
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关键昂贵操作的明确化:随着时间的推移,在密码学和人工智能等领域,已经越来越清楚哪些是最重要且昂贵的操作类型(如模算数、椭圆曲线计算、快速傅立叶转换、矩阵乘法等),这使得专门优化这些操作的协处理器变得更加可行且重要。
胶水和协处理器的优化方向
最后,Vitalik提出了一些关于如何改进EVM、提高运算安全性、推动开源硬体以及加速密码学主流化的建议。
EVM(以太坊虚拟机):
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EVM不需要追求效率,而应该注重熟悉度和生态系统。
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可以通过加入协处理器(预编译)来提高效率。
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改进EVM的方法包括添加更好的预编译/特殊操作码,以及改进储存布局。
安全运算和开源硬件:
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当前硬件安全面临复杂性和专有性的挑战。
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开源和安全的替代方案正在推进,但效率仍是问题。
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建议采用「胶水和协处理器」架构:用开源、安全但较慢的主晶片处理敏感计算,并用专有但高效的ASIC模块处理密集运算。
密码学:
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这种架构对密码学(尤其是可程序化密码学)的主流化很有利。
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一些高度结构化的运算(如SNARKs、MPC等)已经有了高度优化的实现。
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通用VM执行可能仍有较高开销,但只要密集运算部分使用专门技术处理,整体开销就可控。
Vitalik补充道,虽然胶水不需要高效能,但在延迟和数据带宽方面仍有一定要求。对于需要反复处理相同数据的运算(如密码学和AI),胶水的效率可能成为瓶颈。
结论
Vitalik总结道,这一趋势对于运算效率的最大化、开发者友好性、安全性和开放性的平衡具有积极意义。通过让不同部分专注于不同目标,它实现了效率与其他价值(如安全性、开放性和简单性)的共存。
这种架构让更专业的客户端运算变得可能,特别是改善了在用户本地硬件上运行敏感且高性能要求的运算(如ZK证明、AI推理)的能力。同时,运算的模块化降低了小型和新兴参与者的进入门槛,促进了多个运算领域间的合作与学习。
此外,这种趋势为密码学本身提供了加速机会,并为区块链的发展开辟了新路径,允许优化特定功能(如预编译)而不是整体虚拟机,使得性能和安全性可以同时得到提升。
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