StarkWareのアーキテクチャとエコシステムの解析：評価額80億ドルのスケーラビリティポテンシャル

著者：echo_z、链茶馆

イーサリアムのスケーリングロードマップにおいて、ZK Rollupは常に大きな期待を寄せられています。ZK Rollupは非常にシンプルな証明を生成できるため、Optimistic Rollupに比べてオンチェーンのストレージ要件をさらに圧縮し、より大きなオンチェーンスペースを解放することができます（L2の背景知識のポータル：《イーサリアムはどのように変わるのか：合併、スケーリング、L2の争いを理解する》）。

V神の推定によれば、ZK Rollupは理論的にメインネットのTPSを約100倍に引き上げることができ、これはTPSを約20倍に引き上げることができるシャーディングソリューションをはるかに上回ります。

出典：https://vitalik.ca/general/2021/01/05/rollup.html

ZK系Rollupには二つの主要プロジェクトがあります。一つはStarkWare、もう一つはZKSyncです。両者ともに強力な技術力を持ち、テストネット上には多くのエコシステムプロジェクトがありますが、それぞれ異なるZK Rollup技術を採用しているため、製品の能力と進捗にはそれぞれの特徴があります。

その中で、StarkWareはより目立つ資本背景を持っています：最近、80億ドルの評価額で1億ドルのDラウンド資金調達を完了し、主要なRollupプロジェクトの中でトップに立っています。

主流L2プロジェクトの一覧、链茶馆制作

StarkWareがなぜこれほど資本に好まれるのか、その技術力はどのようなスケーリング効果を実現できるのでしょうか？链茶馆はこの記事でStarkWareのアーキテクチャとエコシステムを解析し、その未来の展望を理解しようとします。

1. 製品体系

StarkWareの製品体系は二つの部分に分かれています。

一つはToBサービスのStarkExで、各アプリケーションに特化したRollup技術サービスを提供し、2020年からイーサリアムメインネットに正式に上线され、比較的成熟しています。

もう一つは汎用L2のStarkNetで、任意のスマートコントラクトをデプロイでき、StarkExのように特定のアプリケーションのためにカスタム開発を必要としません。StarkNetは昨年6月にテストネットに上线され、昨年11月にイーサリアムメインネットに上线されましたが、エコシステムプロジェクトはまだテストネットで稼働しています。

両者が使用する基盤技術は共通しており、StarkExは単一のアプリを中心にした集中運営の方法でZK Rollup技術を事前に使用しており、StarkNetはノードネットワークの去中心化タスクを担っています。

以下では、まずStarkWareが採用している基盤アーキテクチャと、二つの製品体系の下での実行の違いを紹介します。次に、ZK Rollup以外のStarkWareの興味深い革新点を紹介します。

1.1 汎用ワークフロー

下の図はStarkExのワークフローで、StarkNetと共通しています。これを概要として、StarkWareの技術的要点を整理します。

出典：https://docs.starkware.co/starkex-v4/overview

1）Applications： ユーザーはアプリに取引リクエストを送信し、アプリはそのリクエストをStarkEx Serviceモジュールに送信します。図中の「Executing」は、何を指しているのかは不明ですが、フロントエンドの処理や前処理を指している可能性があります。

2）StarkEx Service： このモジュールは取引の有効性を検証します。具体的には、ユーザーの身元と資産が一致しているか、ユーザーアカウントに十分な残高があるか、取引が以前に実行されたことがあるかなどを確認します。確認後、有効な取引を十分にパッケージ化し、Cairoプログラムを実行してこれらの取引を処理します。

ここで注目すべきは「Cairo」プログラミング言語です。これはZK Rollupが直面する共通の課題に対するStarkWareの解決策です：既存の多くの証明システムでは、計算結果を特定の領域の多項式方程式に変換する必要がありますが、問題は、スマートコントラクトの実行結果は無数にあり、どのようにして検証可能な多項式方程式に統一できるかということです[1]。

StarkWareの大きな貢献は、Cairoというチューリング完全な言語を通じて、すべてのスマートコントラクトの計算結果を証明可能な多項式方程式に変換することに成功したことです。これにより、スマートコントラクトとValidity Proofが互換性を持つようになりました。

この点において、ZKSyncも独自の解決策を用いていますが、StarkWareとはそれぞれの選択があります。StarkWareが採用している証明システムはSTARKで、これはStarkWareチームが開発した証明システムであり、単位空間内で証明できる取引がより多く、かつより安全です[2]。一方、ZKSyncはSNARKシステムを採用しており、これは比較的成熟した証明システムで、EVM互換性を実現しやすいという利点があります。ZKSync2.0も実際にEVM互換性を実現しています。

StarkWareのネイティブCairo言語はSTARK証明システムに非常に適しており、STARK証明システムを利用するために生まれた言語と言えますが、これに伴う問題は、開発者にとって学習コストが高く、既存のEthエコシステムが直接移行しにくいことです。そのため、StarkWareは第三者チームのNethermindと協力して、SolidityからCairoへのコンパイラWarp[3]を開発しています。

3）SHARP： Cairoプログラムの実行が完了した後、結果はSHARP、すなわち「共有検証者」（Shared Prover）に送信されます。これはStarkWareが開発したプログラムで、STARK証明システムに基づいてCairoプログラムの実行結果を証明を生成し、L1に送信します。L1のマイナーは検証コントラクトを呼び出して検証を行います。

4）STARK Verifierと5）StarkEx ContractはL1にデプロイされたスマートコントラクトで、前者はSHARPが提出した証明を検証し、後者は更新された取引状態やその他の必要な情報を保存します。L1のマイナーがVerifierを実行し、検証が通過した場合にのみ、StarkEx Serviceモジュールで提出された状態更新がL1に受け入れられ、StarkEx Contract内に保存された取引状態が更新され、取引が完了します。

要約すると、最も重要なモジュールはStarkEx ServiceとSHARPにあります。StarkEx Serviceは取引の有効性を検証し、パッケージ化し、Cairoプログラムを呼び出して実行し、その後SHARPに証明を生成させ、最後に証明をL1のスマートコントラクトに提出してL1ノードが検証します。

CairoプログラムとSHARP証明システムはStarkWareのコア技術を構成しており、全体の技術はStarkWareが独自に開発したSTARK証明システムに基づいており、証明量が多く、より安全な特性を持っていますが、STARKに適応するためにCairo言語はEVMと自然に互換性がなく、開発者にとっては学習コストが高いという問題があります。

では、上記のワークフローの各段階はどのような役割によって実行されるのでしょうか？1.2および1.3の節で詳述します。

1.2 StarkExアーキテクチャとデータ可用性

StarkExでは、すべてのオフチェーン作業、すなわち取引のパッケージ化、Cairoプログラムの呼び出し、証明の生成は、各アプリケーションが自ら実行する完全に集中化された運営方式です。また、StarkExはカスタマイズされたToBサービスであり、各アプリケーションに特化したZK回路を持っているため、運営性能が強化され、StarkExエンジンを使用するプロジェクトは非常に高いTPSを実現できます。

StarkExはまた、各アプリケーションが選択できる二つのデータ可用性モードを提供しています：ZK RollupとValidiumです。

データ可用性はブロックチェーンのシーンにおいて非常に重要であり、チェーン上のノードが各取引の実行に関連するすべてのデータ（取引指令など）を取得できるかどうかを指します。もし取引結果しか取得できず、実行過程のデータがなければ、その取引の有効性はチェーン上で検証できず、任意の単一の取引のデータの有効性に問題があれば、チェーン上の取引履歴全体に危険が及ぶことになります。多くのLayer2が取捨選択する重要なポイントは、どれだけのデータをチェーン上に保存するかであり、これにより異なる安全性が形成されます。

下の図は四つの主要なL2モードに対応する証明システムとデータ可用性のソリューションを示しています。ZK RollupとValidiumは有効性証明（Validity Proof）を採用しており、違いは完全なデータがチェーン上にあるか、オフチェーンにあるかです。

出典：https://twitter.com/vitalikbuterin/status/1267455602764251138

Validiumモードでは、更新された状態のみがL1に送信され、L1ノードはチェーン上のデータを通じて完全な取引履歴を復元することができません。このモードでは、取引の完全な実行データはSHARPによってオフチェーンの「データ可用性委員会」（The Data Availability Committee）に送信されます。これはConsenSys、Infura、Nethermind、Cephalopod、Iqlusion、StarkWareから構成される集中化された委員会で、オフチェーンデータを受け取り、検証を行い、その後署名をL1に送信します。L1のノードは署名を検証することでチェーン上の状態の更新を確認します[4]。Validiumモードは安全性を犠牲にしてより効率的なストレージスペースを得るもので、ユーザーはその委員会を信頼することが前提となります。

一方、ZK Rollupモードでは、新しい状態に加えて、状態変化前後の違いも同時にチェーン上に送信され、L1ノードはチェーン上のデータを利用して完全な取引履歴を復元し、最高の安全性を実現します。

現在、StarkExを採用している四つのプロジェクトの中で、dydxのみがZK Rollupのデータ可用性モードを採用しており、残りの三つのプロジェクトはValidiumモードを採用しています。

出典：https://l2beat.com/

1.3 StarkNetアーキテクチャと成熟度

StarkNetはStarkExに対して、最も重要なアーキテクチャの変化は、オフチェーン作業がアプリケーションからマイナーに移管されたことです。

オフチェーン作業は二つの部分から成り立っています。一つはStarkEx Serviceが担う取引の有効性検証、取引のパッケージ化、Cairoプログラムの実行の作業で、StarkNetでは実行者はSequencerです。もう一つはSHARPが担う証明生成の作業で、StarkNetでは独立したProverがあります。

Sequencer+ProverはETHネットワークのマイナーに相当し、取引プールから取引を選択し、取引を実行し、証明を生成するプロセスを完了します。これにより、StarkNet上のブロックが生成されます。SequencerとProverの役割が統合されるか分かれるかについては、公式からまだ提案はありません。ここには複雑な問題があります：Proverが証明を出すのに必要な時間はSequencerがブロックを生成するのに必要な時間よりもはるかに長いため、ブロック生成と証明生成の間には数時間の時間差が生じます。この時間差の問題を解決するために分業を利用することは、大きな課題となるでしょう[5]。

出典：https://www.youtube.com/watch?v=wFZ_YIetK1o

汎用L2として、StarkNetのアプリケーションシーンはStarkExよりも広範ですが、製品自体の成熟度はまだ十分ではありません。

第一に、StarkNetの性能は十分ではありません。これは、StarkNetがZK汎用回路を作成する必要があるのに対し、StarkExは各アプリケーションに特化した回路をカスタム開発しているため、StarkNetが処理する問題の複雑さはStarkExをはるかに上回ります。

公式はStarkNetのTPSデータを公開していませんが、ブロックエクスプローラーから見ると、メインネット（左）でもテストネット（右）でも、約300〜400件の取引、または毎分15件の取引しか実現できず、TPSは0.1〜0.25に過ぎません。もちろん、この数字はユーザー数が少ないことが原因かもしれませんが、全体のTPSが高くないのが現状です。

出典：https://voyager.online/；https://goerli.voyager.online/

第二に、StarkNetはまだ去中心化を実現していません。現在、SequencerとProverはStarkWareの公式チームによって運営されており、去中心化されたマイナーノードは構築されていません。しかし、この点に関しては、実際にOptimisticやArbitrumも中心化されたSequencerノードによって運営されており、L2が直面する共通の問題です。

公式は2月にブログを発表し、StarkNetは現在可用性（Usability）を実現しており、次に達成すべき目標は性能（Performance）を向上させ、去中心化（Decentralization）を実現することだと述べています。性能の面では、2022年の下半期にETHよりも1桁高いTPSを実現することを目指しています[6]。

1.4 未来の構想

STARK証明システムに基づくスケーリングソリューションの他に、StarkWareは他にも多くの革新を構想しています。例えば、クロスL2の共同LPプール：ユーザーは複数のL2のLPプールでトークンを交換して流動性を高めることができます。しかし、これを行うことの代償は無常損失のリスクを増加させることであり、必ずしも理想的なソリューションではありません[7]。

しかし、StarkWareには非常に壮大な未来を示す設計構想があります：L3（またはLn）を通じてフラクタルレイヤリング（Fractal Layering）を実現することです。簡単に言えば、StarkNet上でフラクタルデザインを用いてZK Rollupsを段階的に構築し、性能を倍増させるということです。また、公式のMediumによれば、将来的にStarkExもStarkNetに移行し、L3として他のプロトコルにサービスを提供する予定です。

出典：https://medium.com/starkware/dydx-now-on-mainnet-c21c84d8e342

もしLnのフラクタルレイヤリングデザインが本当に実現できれば、TPSの向上は少なくとも100倍になるでしょうし、イーサリアムはもはやシャーディングを必要としないかもしれません。もちろん、この構想は多くの課題に直面することは間違いありません。例えば、L2が証明を生成する際に遅延が生じるため、レイヤリングの遅延がさらに深刻になるかどうか、どのように対処するか、各レイヤーの安全性をどのように確保するかなどです。フラクタルレイヤリングの実現は、まだかなり遠い未来のことかもしれません。

2. エコシステム運営

ToBサービス側では、StarkExが提供するサービスは比較的成熟しており、現在のTVLは約10億ドルで、そのうちdYdXが95％以上を占めています。

出典：https://starkware.co/starkex/；https://l2beat.com/

ToCサービスL2側では、現在TVLなどのデータはありませんが、StarkWareは非常に強いエコシステムの魅力を持っています。公式は60以上の構築中のプロジェクトを収集しており、その中にはDefi、ゲーム、NFTが中心です。

出典：https://starkware.notion.site/Projects-Building-on-StarkNet-a33dee55778a4515a9be9bdae02ee682

注目すべきは、AAVEやMakerといった二つの有名プロジェクトもStarkNetにデプロイされる予定です。二週間前、MakerはDAIのメインネットとStarkNet間の送金を開始しました。AAVEも最近コミュニティ内で発表し、6月に第一段階のデプロイを完了する予定で、StarkNetにaTokensを上线する予定です[8]。

成熟したDefiプロジェクトの他に、新しいプロジェクトの中で比較的有名なのはJediswapで、手数料ゼロの取引を実現できると主張しており、Twitter上には約10kのフォロワーがいます。

チームはゲーム開発にも注力しているようで、StarkNetは大きな計算量を処理できると考えられており、質の高いゲームの開発に非常に有利です[9]。現在、比較的複雑なゲームである@LootRealmsや@TheDopeWarsなどが上线準備中であり、比較的シンプルなゲームもすでに使用可能です。例えば、@briqNFTはユーザーが自由にピクセル画像を描いてNFTを生成できるプロジェクトです。

さらに、エコシステムにはStarkNetのネイティブウォレットArgent Xや、SolidityをCairo言語にコンパイルする開発ツールWarpなども含まれています。

3. チームと資金調達

StarkWareはイスラエル出身のチームで、非常に強力な学術的および技術的背景を持ち、コアチームはエンジニアが多く、合計4人のパートナーがいます。

共同創設者兼会長のEli Ben-Sassonは、2001年にヘブライ大学で理論計算機科学の博士号を取得し、暗号学とゼロ知識証明を専門としています。彼はSTARK証明システムの発明者の一人であり、Zcashを含む複数の暗号プロジェクトの設立に関与してきました。StarkWareを共同設立する前は、イスラエル工科大学で計算機科学の教授を務めていました。

共同創設者兼CEOのUri Kolodnyは、ヘブライ大学で計算機科学の学士号を取得し、MIT Sloan（マサチューセッツ工科大学スローン経営大学院）でMBAを取得しました。Uriは連続起業家であり、医療機器会社OmniGuideやビッグデータ可視化開発ツールMondriaなど、複数のテクノロジー企業を共同設立しました。以前は、二つのイスラエルのVCでEIR（エンタープライズ・インキュベーター）を務め、マッキンゼーのアナリストも経験しています。

共同創設者であり、チーフアーキテクトのMichael Riabzev博士は、Eli Ben-Sassonの博士課程の学生であり、ZK-STARKプロトコルの共同発明者です。

最後の共同創設者であり、チーフサイエンティストのAlessandro Chiesaは、Eli Ben-Sassonと共にZcashを共同設立し、UCバークレーの計算機科学科で教鞭を執っています。

StarkWareは非常に強力な資本支援も受けています。ちょうど先月、StarkWareは80億ドルの評価額で1億ドルのDラウンド資金調達を発表しました。現在までに、StarkWareは累計で2.73億ドルの資金調達を行っており、投資家にはCoatue、Greenoaks Capital、Sequoia、Paradigm、3Arrows、Alameda Research、Ethereum Foundationなどが含まれています。これはイーサリアムコミュニティの支持を受けるだけでなく、資本からも大きな関心を集めています。

4. 強みと課題

StarkWareは非常に明確な強みを持っています：

1）創設チームはZcashから引き継がれ、強力な学術的および技術的背景を持ち、成功した暗号分野の起業経験もあり、非常に希少なスターチームです。

2）スケーリングの潜在能力が大きく、STARKに基づく証明システムはオンチェーン情報を最大限に圧縮でき、この点でZKSyncやOP系の選手を上回り、コア技術はすべて自社開発であり、技術の掌握能力が強いです。

3）優れた評判はエコシステムの構築にも有利であり、すでにAAVEやMakerのような成熟したプロジェクトを引き寄せており、開発者に対する強い呼びかけ力を示しています。

StarkWareが直面する主な課題には以下が含まれます：

1）EVM互換性を持たず、開発者にとってのハードルが高いことが、ZKSyncとの重要な違いです。この点において、第三者チームのNethermindがSolidityからCairoへのコンパイラWarpを開発しており、エコシステムの発展速度にとって重要な変数となるでしょう。

2）現在、StarkNet上のSequencerは依然としてチームによって集中化された運営が行われており、去中心化を実現しつつ安全性を確保することが難題となります。この問題は、ArbitrumやOptimismなどの比較的成熟したL2プロジェクトにも共通しており、両者のSequencerも中心化された方式で運営されています。StarkNetにとっては、取引を選択し、ブロックを生成するSequencerの役割に加えて、証明を生成するProverの役割もあり、後者は前者に比べて遅延が生じるため、この問題はさらに厄介です。

StarkWareはまだトークンを発行していませんが、すでに80億ドルの高評価を達成しています。これに対して、Optimismの現在のFDVは約25億ドルであり、ベアマーケットの中でStarkWareのトークン価格が逆転する可能性も排除できません。これにより、StarkWareはトークン発行に対してより慎重になるかもしれません。チームは資金に困っておらず、ユーザーにとってZK Rollupの手数料は自然に低いため、財務問題はOP系ほど顕著ではありません。もちろん、二次市場の個人投資家にとっては、良いエントリー機会を生むかもしれません。