Starknet の Cairo ネイティブ実行では、カスタム プログラミング言語 Cairo を使用して、スケーラビリティの向上、コストの削減、スマート コントラクトのパフォーマンスの向上を図っています。ただし、開発者の幅広い採用、ツールの互換性、エコシステム全体でのイノベーションとアクセシビリティのバランスをとる必要性から、課題が生じています。

はじめに: スタークネットとカイロの処刑

Starknet は、暗号化された STARK (簡潔な透明な知識の議論) 証明を活用して、大規模な検証可能な計算を実行する Ethereum レイヤー 2 (L2) プロトコルです。他の L2 ブロックチェーンと同様に、Starknet は分散化を維持しながら、L2 トランザクションに意味のあるスケーラビリティとセキュリティを提供できます。

Starknet の中核には Cairo 仮想マシン (VM) があります。これは、STARK の暗号証明機能を活用するために設計された専用の実行環境です。他の VM とは異なり、Starknet の Cairo VM は証明可能なプログラムを実行するように設計されており、計算を検証するための証明の生成に関連するオーバーヘッドを削減します。これにより、Starknet は、信頼性のない検証を維持しながら、膨大な数のトランザクションを処理できます。

とはいえ、エンドユーザーが体験する Starknet のパフォーマンスの真の尺度は、シーケンサーがトランザクションを処理し、実行結果を確認する速度に依存します。「ソフト確認」とも呼ばれるシーケンサーによるトランザクションの成功 (または失敗) の確認は、トランザクションのステータスを知る前に Ethereum L1 でトランザクションが確定するのを待ちたくない、時間に敏感なユーザーにとって便利です。

現状では、Starknet のトランザクション スループットはシーケンサーの効率に大きく依存しています。シーケンサーは、トランザクションを Ethereum に送信して最終検証を行う前に、トランザクションの受信、整理、証明を行います。現在、Starknet は単一のシーケンサーを使用していますが、検閲耐性と障害耐性を高めるためにシーケンサーを分散化する予定です (1 つのオフライン シーケンサーではネットワークを停止できません)。

10 月 29 日、Starknet は 24 時間連続で平均 127 トランザクション/秒 (TPS) を記録しました。これは単なる 1 回限りのピークではなく、通常運用中に達成された持続的なスループットのマイルストーンであり、ロールアップが実際の状況で大量のトランザクションを処理できることを示しています。この成果に加えて、Starknet のパフォーマンスは、超高速のトランザクション確認 (平均 2 秒未満) と超低料金 (トランザクションあたり 0.002 ドル) で際立っており、Ethereum をスケーリングするためのコスト効率が高く効率的なソリューションとなっています。

ただし、このレベルのパフォーマンスを維持するには、特にユーザーの需要が増大するにつれて、継続的なイノベーションが必要です。ここで、Starknet の実行モデルに対する今後の機能強化が役立ち、トランザクション処理の高速化だけでなく、リソース使用の効率化も約束する最適化が導入されます。これらの開発は、急速に進化するエコシステムの需要を満たすために Starknet の実行環境を向上させるための重要なステップとなります。

Starknet は、パフォーマンスを向上させ、UX を強化するために、アーキテクチャに革新的なアップグレードをすでに導入しています (例: Bolt アップグレードによる並列実行やブロック パッキング)。これらのイノベーションにより、シーケンサーがトランザクションをより効率的に処理できるようになり、トランザクション処理時間とガス コストが大幅に削減されました。Bolt アップグレードの詳細と、それが Starknet のスケーラビリティをどのように向上させるかについては、 Starknet Bolt の説明をご覧ください。

この基盤を基に、Starknet は現在、Cairo-Native による実行環境のさらなる最適化に注力しています。今後の機能強化により、トランザクションの処理方法が再定義され、仮想マシンベースのエミュレーションからネイティブ実行に移行します。これらの変更により、処理速度とリソース効率が大幅に向上し、Starknet がユーザーの高まる需要に対応できるようになります。

次のセクションでは、Starknet の実行環境を詳しく見ていき、Cairo VM とより広範なアーキテクチャが、スケーラビリティと効率性の次の段階をサポートするためにどのように再考されているかを詳しく説明します。さっそく見ていきましょう。

カイロネイティブの処刑への優しい入門

Starknet の実行環境は、パフォーマンスの向上と安全性の確保のために、時間の経過とともに大幅に進化してきました。当初、Starknet は、高レベルの Cairo コードが実行のために CASM (Cairo アセンブリ) に直接コンパイルされる単純なパイプラインに依存していました。このアプローチは機能していましたが、ネットワークは非効率性とセキュリティ リスクに対して脆弱でした。たとえば、無効なコードを証明できず、ガス アカウンティングの保護手段がないため、シーケンサーが潜在的な DoS 攻撃にさらされていました。

これらの問題に対処するため、Cairo 1.0 アップグレードでは、安全性を設計段階で強化する中間表現 (IR) である Sierra が導入されました。Rust などの言語にヒントを得た Sierra は、開発者がより厳格なコーディング パターンに従うことを保証し、ランタイム エラーを効果的に排除して、正確なガス計算を可能にします。このアップグレードは Starknet のメインネットですでに稼働しており、より堅牢で安全な実行環境に向けた重要な一歩となります。

Cairo-Native はこの進歩を基に、ネイティブ実行を可能にすることで Starknet のパフォーマンスをさらに向上させます。ネイティブ実行は、Cairo VM でプログラムを実行するという従来のパターンからの脱却であり、Starknet のパフォーマンスの面での新たな飛躍を表しています。

Cairo-Native の実行はどのように機能しますか?

これまで、Starknet シーケンサーはコードをエミュレートする仮想マシンを使用してプログラムを実行していましたが、これにより大きなオーバーヘッドが発生し、トランザクション処理が遅くなっていました。このコンテキストでのエミュレーションでは、CPU を理論上の Cairo CPU のように動作するようにプログラミングし、命令を段階的に解釈します。このプロセスは機能的ではありますが、CPU がネイティブの機能と実行スタイルを完全に活用できないため、本質的に非効率的です。

対照的に、ネイティブ実行ではこの不便さが解消され、プログラムは CPU のネイティブ命令セットでオペレーティング システム上で直接実行できます。この変更により、実行速度とリソース効率が大幅に向上し、Starknet はこれまで以上に高速にトランザクションを処理できるようになりました。

これを実現するために、Cairo-Native 実行には、MLIR ( Multi-Level Intermediate Representation ) や LLVM ( Low Level Virtual Machine ) などの高度なコンパイル技術が統合されています。これらのツールは、コードを最適化されたマシンレベルの命令にコンパイルするために、現代のソフトウェア開発で広く使用されています。

Cairo-Native は Sierra プログラムを中間形式 MLIR に編成し、高度な最適化も可能にします。一方、LLVM はこれをさらにコンパイルして、基盤となるオペレーティング システムに合わせて調整されたネイティブ実行可能ファイルにします。この 2 層コンパイル プロセスにより、生成された実行可能ファイルは高速かつ効率的で、追加のオーバーヘッドなしで直接実行できるようになります。

このアップグレードがシーケンサーのパフォーマンス (およびネットワーク全般) に与える影響は甚大です。

• 速度の向上: VM エミュレーションの必要性を排除することで、ネイティブ実行によりシーケンサーはトランザクションを大幅に高速に処理できるようになり、ネットワーク全体の遅延が削減されます。
• リソース利用率の向上: LLVM によって生成される最適化された実行可能ファイルはシステム リソースをより有効に活用し、シーケンサーがより多くのトランザクション ボリュームを処理できるようにします。
• コストの削減: 手数料メカニズムがないため、実行速度が速いだけではガス料金の削減にすぐにはつながりませんが、Starknet はコスト効率を継続的に実証しています。たとえば、Starknet の記録的なパフォーマンスでは、ガス料金はトランザクションあたり平均約 0.002 ドルでした。Cairo-Native を導入する 0.13.4 アップデートには、価格関連の改善も含まれています。ただし、これらの改善は Cairo-Native 自体に直接関係するものではありません。Cairo-Native のトランザクション料金のスケーラビリティの潜在能力はまだ十分に発揮されていませんが、このスケーラビリティと将来の手数料関連の機能強化を組み合わせることで、Starknet は Ethereum 向けの非常に手頃でスケーラブルなソリューションとして位置付けられます。
• 強化されたイノベーション: ネイティブ実行によるパフォーマンスの向上により、より複雑で動的なアプリケーションを Starknet 上で実行できるようになり、開発者にとって革新的なユースケースと機会が生まれます。

ネイティブ実行により速度が大幅に向上しますが、シーケンサーと証明者間の二重実行ワークフローに関して、開発者の間で当然の懸念が生じます。シーケンサーはネイティブ アーティファクトを使用してトランザクションを実行することで速度が向上しますが、証明者は依然として Cairo VM を使用してトランザクションを段階的に実行し、Ethereum の STARK 検証者に証明できるようにします。

CASM は、Ethereum の STARK 検証者によって検証された表現であるため、このプロセスではまだ使用されています。この二重性 (同じトランザクションを 2 つの異なるシステムで実行する) により、一貫性と正確性に関する正当な疑問が生じる可能性があります。具体的には、ネイティブ実行と Cairo VM 実行の結果が常に一致することをどのように確認できるでしょうか。

簡単に答えると、厳格なテストと検証です。具体的には、 LambdaClassチームは、過去の Starknet ブロックを新しいシステムで再実行し、すべてのトランザクションが同じ結果を生成することを確認するプロセスである、広範なリプレイ テストを実施しました。

リプレイ テストは、2 つの異なる実行パスがあっても出力が一貫していることを確認するための重要な方法です。したがって、開発者は、この広範な検証プロセスによって不一致のリスクが大幅に最小限に抑えられることを確信できます。

さらに、Starknet は常に 2 つの別々の実行フローで動作していることも注目に値します。Cairo-Native 以前でも、シーケンサーはシステムコールや状態アクセスなどのタスクを Cairo VM に完全に依存していませんでした。これらはすでに別の方法で処理されており、証明者は Ethereum 上の Starknet の状態を更新するための暗号証明の作成に重点を置いていました。

この意味で、ネイティブ実行の導入は、Starknet の確立されたアーキテクチャからの逸脱ではなく、進化を表しています。これはまた、開発者が Starknet の新しい実行モデルで動作するアプリケーションを設計する際に問題がほとんど発生しないことを意味します。

全体として、Cairo-Native は Starknet のスケーラビリティと速度を新たなレベルに引き上げます。VM ベースのエミュレーションからネイティブ実行に移行することで、ネットワークはより多くのユーザーをサポートし、より大きなトランザクション ボリュームを処理し、開発者とエンド ユーザーの両方にシームレスなエクスペリエンスを提供できます。この変革により、Starknet は主要な L2 ソリューションとしての地位を固め、Ethereum エコシステムにおけるさらなるイノベーションへの道が開かれます。

Cairo-Native と Cairo: Starknet 実行モデルの比較

Cairo-Native は、Starknet の実行環境における画期的な改善であり、従来の Cairo VM に比べて大幅な高速化を実現します。LambdaClass と Nethermind が実施した広範なベンチマークにより、ネイティブ実行によるパフォーマンスの向上が定量化され、トランザクションと契約の処理速度を大幅に向上させる Cairo-Native の能力が強調されました。

実行ベンチマーク

ベンチマークの結果、Cairo-Native は Cairo VM と比較して平均 5 倍の高速化を達成し、特定のコントラクトに応じてパフォーマンスが 1.5 倍から 20 倍向上することが明らかになりました。これらの結果は単なる数字ではなく、ネイティブ実行がユーザーと開発者に直接どのようにメリットをもたらすかを示しています。

たとえば、2 つの Argent アカウント間の単純な STRK 転送は、完了が 2.3 倍速くなっただけでなく、ERC-20 契約ロジックが 4.8 倍高速化しました。ユーザーにとって、これはトランザクションの待ち時間が短縮され、分散型アプリケーション (dApps) とのやり取りがスムーズになることを意味します。開発者にとって、これらの改善により、ネットワーク負荷が高い場合でも、アプリケーションがより高速かつ確実に実行されるようになります。

STRK/ETHスワップやInfluencethなどのゲームアプリケーションなど、より要求の厳しいシナリオでは、メリットはさらに明らかです。Influencethトランザクションは10.5倍のトランザクション速度向上を記録し、一部の契約実行は最大70倍も改善されました。これらの進歩により、開発者は複雑で高性能な分散型アプリケーションを作成できるようになり、より豊かなゲーム体験、高度なDeFiプロトコル、その他の計算集約的なユースケースへの道が開かれます。

エミュレーションからネイティブ実行への移行が、これらの進歩の基盤となっています。プログラムをマシンネイティブ コードに直接コンパイルすることで、Cairo-Native は、CPU が基本的に別の仮想 CPU を模倣する Cairo 命令のエミュレーションの非効率性を排除します。ネイティブ実行により、ハードウェアはフル稼働が可能になり、すべてのトランザクション タイプで比類のないパフォーマンスの向上が実現します。

コンパイルベンチマーク

Cairo-Native は、より高度なコンパイル パイプラインを導入し、Sierra コードをネイティブ実行可能ファイルに変換するためのいくつかの手順を追加します。これには、Sierra を MLIR に変換し、コードを最適化し、最後にマシン ネイティブ命令にコンパイルするなどのプロセスが含まれます。このより複雑なパイプラインにより、全体的なコンパイル時間が長くなるように直感的に思えるかもしれませんが、ベンチマークでは、追加の手順が全体のコンパイル時間の 15% 未満にしか影響しないことが示されており、プロセスが効率的であることが実証されています。

また、ネイティブ実行可能ファイルは CASM アーティファクトと比較してサイズが大きいことにも注意してください。この増加は、マシンネイティブ コードに必要な詳細と最適化が追加されたことを反映していますが、ネットワーク パフォーマンスには影響しません。重要なのは、コンパイルはコントラクトがネットワークに展開されたときに 1 回だけ実行されるため、このステップがシーケンサーのリアルタイム パフォーマンスに影響を与えないことです。

カイロ発の処刑はスタークネットにとってどのような意味を持つのでしょうか?

Cairo-Native が Starknet のエコシステムに与える影響は広範囲にわたります。このアップグレードにより、トランザクションの実行がより高速かつ効率的になり、ネットワーク上のすべてのアプリケーションのユーザー エクスペリエンスが大幅に向上します。2024 年末までにネットワークは 1 秒あたり約 1,000 件のトランザクション (TPS) を処理できるようになると予想されており、Starknet は Ethereum エコシステムで最もスケーラブルで応答性の高い L2 チェーンの 1 つになります。

ユーザーにとって、Cairo-Native アップグレードは、トランザクションの確認が速くなり、コストがさらに下がることを意味します。今年初めの Starknet の記録的なパフォーマンスでは、ガス料金はトランザクションあたり平均約 0.002 ドルでした。Cairo-Native により、これらのコストはさらに下がると予想され、Starknet は最も手頃なレイヤー 2 ネットワークの 1 つとしての地位を確立します。

Cairo ネイティブ実行の導入により、次のユースケースも強化されます。

オンチェーンゲームアプリケーション

Starknet はすでにブロックチェーン ベースのゲームのプラットフォームとして人気を集めていますが、Cairo-Native はこれを次のレベルに引き上げます。複雑なロジックとテンポの速いインタラクションに依存するInfluencethなどのゲームは、速度の向上によって大きな恩恵を受けるでしょう。実行時間が速くなるとゲーム内のレイテンシが減り、プレイヤーにとってよりスムーズな体験が可能になります。

開発者は、パフォーマンスのボトルネックを気にすることなく、リアルタイムのマルチプレイヤー機能や動的な NFT インタラクションなどのより複雑なゲーム メカニクスを導入することもできます。これにより、従来の競合製品に匹敵するゲームプレイを備えた、新しいクラスのオンチェーン ゲーム アプリケーションが実現します。

ソーシャルメディアプラットフォーム

分散型ソーシャル メディア プラットフォームでは、投稿、コメント、投票などのシームレスなユーザー インタラクションを確保するために、高いトランザクション スループットと低いレイテンシが求められます。Cairo-Native を使用すると、これらのプラットフォームは数百万のユーザーをサポートできるように拡張でき、リアルタイム フィードと即時の反応を提供して、従来の Web2 の同等機能に匹敵するパフォーマンスを実現します。ガス コストの削減によりアクセシビリティがさらに向上し、分散型ソーシャル メディアは集中型プラットフォームのより現実的な代替手段となり、主流に採用される準備が整います。

分散型金融（DeFi）

Starknet の DeFi エコシステムも Cairo-Native のメリットを享受します。スワップ、レンディング、イールドファーミングなどの複雑な金融業務には、高いスループットと精度が必要です。実行時間が短縮されると、取引と清算がリアルタイムで行われるようになり、スリッページが最小限に抑えられ、ユーザーにはより良い結果がもたらされます。さらに、ガス料金が下がるとマイクロトランザクションが可能になり、より幅広いユーザーが DeFi プロトコルにアクセスしやすくなります。

結論

Cairo-Native 実行は、 Starknet ロードマップにおける重要なマイルストーンです。新しいレベルの実行を導入することで、Starknet は主要なレイヤー 2 プラットフォームとしての地位を固めるだけでなく、より広範な Ethereum ロールアップ エコシステムの先例も確立します。Starknet のイノベーションは、ロールアップが比類のないスケーラビリティと効率性を実現する方法を示し、分散化とセキュリティの原則を維持しながら、Ethereum が大規模導入のビジョンに近づくのに役立ちます。

Cairo-Native は、より動的で革新的なアプリケーションをサポートする堅牢で高性能な環境を開発者に提供します。実行時間とリソースのオーバーヘッドを削減することで、開発者はこれまでネットワークの制限によって制約されていた、よりリッチでインタラクティブなエクスペリエンスの作成に集中できます。

ツイートで述べたように、さらなる最適化の余地はまだ残っており、Cairo-Native のパフォーマンスは時間の経過とともに向上し続ける可能性があります。この意味で、Cairo-Native 実行へのアップグレードは、高速でスケーラブルで開発者に優しいプラットフォームとしての Starknet の潜在能力を最大限に実現し、Ethereum のエコシステム全体でロールアップ テクノロジーの機能を向上するための重要なステップを表しています。

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