a16z：ブロックチェーンメカニズム設計における8つの課題

原題：《ブロックチェーンのメカニズム設計が難しい8つの理由》

著者：Tim Roughgarden、a16z crypto 研究責任者

翻訳：0xxz、金色财经

ある分野を深く研究することで、現実世界に現れる問題は、適切に解決された問題の拙劣な偽装に過ぎないことを認識することができます。たとえば、私がアルゴリズムの基礎を教えるとき、学生たちは最短経路計算や線形計画問題に帰着する問題を特定する方法を学びます。

このパターンマッチングはメカニズム設計にも当てはまり、これは理想的な結果を達成するためにインセンティブを利用する「逆ゲーム理論」です。メカニズム設計のツールと教訓は、特にオークション理論、市場設計、社会選択理論において有用です。

Crypto と web3 はメカニズム設計の問題であふれています。多くの問題は教科書の内容を適用することで解決できると考えられるかもしれませんが、古い考え方を新たに調整することができます。しかし、許可不要のブロックチェーンプロトコルの独特な課題と制約は、しばしば人々に見かけ上解決された問題の基本原則を再考させることを強いるのです。これにより、web3 におけるメカニズム設計は複雑になります。しかし、まさにこれらの課題が web3 のメカニズム設計を魅力的にしています。

この記事では、web3 のメカニズム設計が直面するいくつかの課題を探ります。これらの課題は暗号ネイティブユーザーにとっては馴染み深いかもしれませんが、メカニズム設計をより深く理解することで、すべてのビルダーにとって、なぜこれらの問題を解決することがこれほど難しいのかを理解するための新しい視点を提供できるはずです。メカニズムデザイナーにとって、新しいアプリケーションを考えているなら、許可不要の環境がもたらす課題に興味を持つかもしれません。

しかしまず、メカニズム設計とは何かを知る必要があります。

メカニズム設計の分野は、少なくとも1961年にさかのぼります。当時、コロンビア大学の経済学者で後のノーベル賞受賞者であるウィリアム・ビックリーが、第二価格封印オークションの方式を正式に提案しました。このオークション方式は1797年に、著者ヨハン・ヴォルフガング・フォン・ゲーテが彼の叙事詩『ヘルマンとドロシー』の原稿を販売する際に使用され、19世紀には切手収集家によって広く使用されましたが、1961年にビックリーによって正式に提案され、現在では「ビックリーオークション」として知られています。このビックリーオークションのモデルでは、最高入札者が勝者となりますが、支払うのは第二高の入札額です。このオークションは入札者の真の好みを引き出し、評価の最も高い人に商品を渡します。

ビックリーオークションは優雅で効率的な設計であり、現実世界で応用され、新しい状況に応じて調整・更新され、実践が理論に情報を提供し、その逆もまた然りです。ビックリーオークションと同様に、メカニズム設計の正式な学問としての発展の歴史は、理論と実践が交錯する歴史であり、深く美しいものです。

ゲーム理論とは対照的に------ゲーム理論は戦略的相互作用の次元を構築し、行動の最も合理的な結果を探求します------メカニズム設計の分野はゲームから始まるのではなく、期待される結果から始まります。メカニズム設計の目的は、ある種のゲームを逆にエンジニアリングし、期待される結果（効率、公平性、または特定の行動を特徴とする可能性がある）を達成することです。ビックリーオークションのケースでは、最終的な目標は、参加者を罰することなく、参加者が支払う意志のある最大金額を引き出すことです。

Web3 におけるメカニズム設計の適用機会は非常に多くあります。たとえば、ブロックチェーンプロトコルは、プロトコル参加者の誠実な行動（期待される行動から逸脱しない）を実現する結果を望むかもしれません。または、プロトコルは取引価値に関する正確な情報を得て、最も価値のある取引にブロック空間を効率的に割り当てることを望むかもしれません。

このようなメカニズム設計の問題は常に挑戦的であり、ブロックチェーン環境ではその挑戦がさらに独特です。

1、 信頼の欠如

信頼できる当事者がメカニズムを実行しない限り、ブロックチェーン分野の設計はより困難になります。

許可不要のブロックチェーンプロトコルを使用することの全意義は、特定の実体や個人を信頼する必要がなく、「平均的なレベル」の信頼仮定、つまりプロトコルを運営するノードの中に十分な数の誠実なノードが存在することを前提とすることです。

しかし、多くのブロックチェーンアーキテクチャの皮肉な点は、チェーンの履歴に追加される各トランザクションのバッチが、単一のノードの一方的な決定の産物であることです。

そのノードを信頼できるかどうかは不明です。

これが、ブロックチェーン分野でビックリーオークションがほとんど見られない理由です。無邪気にビックリーオークションを実施すると、すぐに信頼できないブロック生産者による操作の問題に直面します。問題は、あるブロック生産者が「シルビッド」という偽の入札を作成し、勝者になる入札のわずかに低い入札を行うことで、勝者にほぼ全額を支払わせることができるということです（実際の次高入札額ではなく）。

信頼できないブロック生産者の偽の入札は、ビックリーオークションを第一価格オークションモデルに戻すことを効果的に引き起こし、これが web3 における第一価格オークションが非常に普及している理由の一つです。（伝統的なメカニズム設計文献における「信頼できるメカニズム」に関する最新の分野も、信頼できない入札者のオークション設計を考慮していますが、視点は異なります。）

2、時折の共謀

ブロックチェーンメカニズム設計が困難なもう一つの理由は、ブロックチェーン参加者間で共謀が行われる可能性があることです。たとえば、第二価格オークションは補償支払いと簡単に結びつくことがあります。理由は簡単です：落札者が第二高入札額を支払うため、入札者は第二高の入札者を賄賂で低く入札させることができます。

メカニズム設計の学術文献は、この問題についてあまり心配していません。その理由の一つは、共謀（特に補償支払いとの共謀）が現実世界で実現するのが難しいからです。共謀後、勝者は賄賂の支払いを拒否できるため、信頼できる補償支払いを得るのが難しいのです。（「泥棒の間には道理がない」と言われます。）

しかし、ブロックチェーンの文脈では、潜在的な共謀者はスマートコントラクトを使用して信頼できる約束を提供し、共謀を実際に機能させることができます。第二の理由は、補償支払いとの共謀を抑制するメカニズムが欠如していることです------「価格公示」メカニズムは、入札額を提供するだけで他に何もありません。

さらに悪いことに、プロトコルユーザーは互いに共謀するだけでなく、（信頼できない）ブロック生産者とも共謀する可能性があります（これは現実世界のオークションにおける入札者とオークション主催者の共謀に相当します）。

この最後の共謀に対抗するための動機の一つが、イーサリアム EIP-1559 取引手数料メカニズムにおける取引手数料の一部を燃焼させることです。「燃焼」（または他の方法でブロック生産者からこれらの収入を差し引く）を行わなければ、ブロック生産者と最終ユーザーは補償支払いで共謀し、このメカニズムが課そうとするいかなる留保価格からも逃れることができます。

3、法治に頼ることはできない

共謀の問題は明らかに新しい問題ではありません。何世紀にもわたり、現実のさまざまなメカニズムを悩ませてきましたが、メカニズム設計文献を見てみると、この問題をほとんど解決していないことに驚くかもしれません。これらの文献は、個々の参加者がメカニズムを一方的に操作する動機については正面から議論していますが、通常は未現の「法治」概念に問題を委ねています。たとえば、メカニズムの参加者は、共謀を行わないことを規定した法的契約に署名するかもしれません。共謀が発覚した場合は、法的手段に訴えることになります。メカニズムデザイナーは、共謀行為を比較的容易に検出できるメカニズムを作成することで助けることができます。

多くのメカニズム設計文献には、暗黙の秘密があります：法治への依存です。許可不要のブロックチェーンプロトコルの分野に法治が存在しないとは言えません------私たちはしばしば、法執行機関が許可不要のブロックチェーン上の犯罪行為を成功裏に起訴するのを目にします------しかし、法治の程度は伝統的なメカニズム設計アプリケーションよりもはるかに少ないです。

もしそのメカニズムの外で法治に頼れないのであれば、設計者はメカニズム内で問題を解決する責任があります。このアプローチは、ブロックチェーン分野のメカニズム設計の意思決定に広く存在します。特にイーサリアムプロトコルでは、EIP-1559 の燃焼基本手数料の収益から、共通の合意プロトコルにおける不正行為を罰する検証者まで、例は数多くあります。

4、設計空間が広い

web3 の設計空間は、メカニズム設計者が慣れているものよりも広いです。したがって、設計者は与えられたすべての問題を再考する必要があります。たとえば、多くのメカニズムは支払いを伴いますが、伝統的なメカニズム設計アプリケーションでは、これらの支払いは米ドルなどの法定通貨で行われます。多くのブロックチェーンプロトコルには独自のネイティブ通貨があり、これらのプロトコル内のメカニズムはこれらの通貨を操作することができます。

想像してみてください。もしあなたが伝統的なメカニズム設計に関する論文を書いていて、あなたのメカニズムの説明の一部が「新しい通貨を印刷し、それを参加者のグループに配布する」というものであったとします。ブロックチェーンの背景を超えて見ると、これは非常に馬鹿げたことです。しかし、ブロックチェーンプロトコルの背景でメカニズム設計について話すと、あなたはそれを完全に実行できます。プロトコルは通貨を制御しているため、プロトコルの一部のメカニズムはトークンを鋳造したり燃焼させたりすることができます。

これは、ネイティブ通貨がなければ実現できない設計が可能になることを意味します。たとえば、ビットコインマイナーを期待通りにプロトコルに従わせるにはどうすればよいでしょうか？インフレ報酬を通じて：新しいコイン（ビットコイン）を印刷してこれらのブロック生産者を奨励します。ネイティブ通貨がなければ、このような設計は実現できません。

5、ネイティブ通貨が他の問題を引き起こす可能性がある

前のポイントはネイティブ通貨の力を強調しています。ネイティブ通貨を使って二つのことができます：「鋳造」（ビットコインプロトコルがマイナーを奨励するために新しいビットコインを鋳造する方法）と「トークンの燃焼」（イーサリアム EIP-1559 取引手数料メカニズムが共謀を防ぐために ETH を燃焼させる方法）。ネイティブ通貨には、伝統的なメカニズム設計には存在しない危険が潜んでいます：ミクロ経済的な設計決定がマクロ経済的な結果を生む可能性があります。

伝統的なメカニズム設計では、マクロ経済的な力を心配する理由はありません。伝統的なオークション方式は、アメリカの貨幣供給やインフレ率に有意義な影響を与えませんでした。これは web3 の設計分野にとって新たな挑戦です。何が問題になるのでしょうか？二つの例を挙げましょう。一つはビットコインの鋳造、もう一つは ETH の燃焼に関するものです。

ブロック報酬を使用するため------新しいコインを印刷してマイナーを奨励するため------ビットコインはインフレを強いられています。したがって、インフレ率とその時間経過に伴う変化を決定するための相応の貨幣政策も必要です。中本聡は2100万ビットコインのハードサプライ上限も設定しました。ビットコインの数量にはハード上限があるため、インフレ率はゼロに近づかなければなりません。

もしインフレ率が本当にゼロであれば、マイナーがプロトコルを運営し続け、ビットコインに安全性を提供するために何を使うべきでしょうか？人々は取引手数料が失われたブロック報酬を補うことができると期待してきましたが、実際にそうなる可能性は非常に低いです。取引手数料がゼロに近い場合、ビットコインプロトコルは重大な安全問題に直面することが知られています。

プリンストン大学のコンピュータサイエンティストであるマイルス・カールストン、ハリー・カロドナー、マシュー・ワインバーグ、アルヴィンド・ナラヤナンは、取引手数料とブロック報酬の間の別の違いを指摘しました。各ブロックのブロック報酬は同じですが（少なくともブロック報酬の連続する二回の「半減期」の間は）、取引手数料は桁違いに変動する可能性があります------これはプロトコルに新たなゲーム理論的不安定要因をもたらします。この意味で、固定供給上限のマクロ経済的決定は、プロトコルとその参加者に対して負のミクロ経済的結果をもたらします。

ブロック報酬の鋳造がビットコインにとってインフレの力であるのと同様に、EIP-1559 における取引手数料の燃焼はイーサリアムにとってデフレの力です。イーサリアムプロトコル（実際にはインフレ検証者報酬を使用しています）において、これら二つの力の間で綱引きが行われ、デフレがしばしば勝利します。ETH は現在、プロトコル取引手数料メカニズムにおけるミクロ経済的動機設計決定のマクロ経済的結果として、純デフレ通貨となっています。

デフレはイーサリアムプロトコルにとって良いことなのでしょうか？ETH 保有者はデフレを好みます。なぜなら、他の条件が同じであれば、時間が経つにつれて彼らのトークンはより価値が高くなるからです。（実際、この副産物が最終的に公衆の意見を EIP-1559 取引手数料メカニズムへの転換を支持する理由かもしれません。）しかし、デフレという言葉は、伝統的な訓練を受けたマクロ経済学者にとっては警戒すべきものであり、1990年代の日本の経済停滞を思い起こさせます。

誰が正しいのでしょうか？私個人としては、主権法定通貨は ETH のような暗号通貨の正しい類似物ではないと思います。それでは、正しい類似物は何でしょうか？これは依然として未解決の問題であり、ブロックチェーン研究者がさらに探求する必要があります：なぜデフレ通貨はブロックチェーンプロトコルを支える暗号通貨として機能できるのに、主権国家を支える法定通貨にはなれないのでしょうか？

6、基盤スタックを無視できない

コンピュータサイエンスにおいて、私たちが追求するものの一つは、モジュール化とクリーンな抽象化であり、これにより私たちは信頼システムの一部に対する能力を持つことができます。システムの一部を設計・分析する際には、システムの他の部分が出力する機能を知る必要があるかもしれません。しかし理想的には、その機能が基盤でどのように実現されているかを知る必要はありません。

ブロックチェーンプロトコルでは、私たちはまだその理想的な状態に達していません。ビルダーやメカニズムデザイナーはアプリケーション層に焦点を当てることを好むかもしれませんが、基盤インフラ層の運用方法やその詳細を無視することはできません。

たとえば、自動マーケットメイカーを設計している場合、信頼できないブロック生産者が取引の順序を決定する可能性を考慮する必要があります。また、（L2）ロールアップのために取引手数料メカニズムを設計する際には、L2 のリソース消費に対して支払うだけでなく、基盤の L1 プロトコルによって発生するすべてのコスト（たとえば、calldata の保存）にも支払う必要があります。

これら二つの例では、一つの層の有効なメカニズム設計には他の層の詳細な理解が必要です。おそらく、ブロックチェーン技術が成熟するにつれて、異なる層を明確に分割することができるようになるでしょう。しかし、私たちは今のところその程度には達していません。

7、制約された環境での作業を要求される

ブロックチェーンプロトコルが実現する「空のコンピュータ」は、制約された計算環境です。伝統的なメカニズム設計は経済的インセンティブにのみ焦点を当て、計算問題を無視しています（たとえば、有名なビックリー - クラーク - グローブスメカニズムは高度に複雑な配分問題には実行不可能です）。

ニサンとロネンが1999年にアルゴリズムメカニズム設計を提案したとき、彼らは現実世界で実際の意味を持つメカニズムを実現するために、ある種の計算可能性が必要であることを指摘しました。したがって、彼らは問題のパラメータとして一定量を使用する多項式（指数ではなく）関数の拡張に焦点を絞ることを提案しました。

ブロックチェーンプロトコルの仮想マシンの計算量は非常に少ないため、オンチェーンメカニズムは非常に軽量でなければなりません------多項式時間と通信は必要ですが、それだけでは不十分です。たとえば、希少性は自動マーケットメイカーがイーサリアム DeFi を完全に支配する主な理由であり、限価注文簿のようなより伝統的な解決策ではありません。

8、まだ初期段階にある

一般的に、人々が web3 がまだ初期段階にあると言うとき、彼らは投資機会か採用状況のいずれかを指しています。しかし、科学的な観点から見ると、私たちはそれよりもさらに早い段階にいます。これは難しさを増すだけです------機会は巨大ですが。

成熟した研究分野で働くことの利点は、誰もが当然のことと見なしています。公認のモデルと定義があります。最も重要な問題に関して合意が得られています。進展の測定に関しても重要な調整が形成されています。公共の用語集と膨大な公共の知識ベースがあります。厳密に審査された教科書、オンラインコース、その他のリソースを含むいくつかの加速経路もあります。

一方、ブロックチェーン分野の多くの側面では、「正しい」モデルや定義がまだわからず、重要な問題について明確に考え、進展を遂げることができません。たとえば、ブロックチェーンプロトコルの文脈で、互換性インセンティブの最も重要な概念は何でしょうか？web3 スタックにはどのような層がありますか？最大可抽出値（MEV）にはどのような構成要素がありますか？これらはすべて未解決の問題です。

ブロックチェーン科学に興味がある人にとって、この分野の未成熟さは確かに挑戦です。しかし、今すぐにでも早期に参加することは、独自の機会をもたらすことにもなります。

メカニズム設計は、インターネットアプリケーション層の有用なツールであり続けています------たとえば、リアルタイム広告オークションや、eコマースからグループ購入に至るまで、今日のほとんどのオンライン消費アプリケーションに普遍的に存在する二国間市場設計などです。

しかし、web3 において、メカニズム設計は基盤インフラ自体の設計決定にも情報を提供します。

1980年代のことを思い出してください。当時、インターネットのルーティングプロトコルはまだ議論と設計の段階にありました。私の知る限り、インセンティブやメカニズム設計の専門家はその中に一人も存在しませんでした。事後的に見ると、私たちはそのような人々が設計に有用な情報を提供できたことを認識しています。一方、web3 では、最初のビットコインホワイトペーパーの発表とともに、インセンティブメカニズムは最初から議論の一部でした。

web3 の「正しい」モデル、定義、成功指標に関する混乱は、実際には私たちが黄金時代にいることを示しています。後の世代の学生や科学者たちは、私たちが正しい時期に、正しい場所で、この技術の発展の軌跡を形作る機会を持っていることを羨むでしょう。したがって、この分野の教科書はあまり多くはありませんが、いつか必ず出てくるでしょう。そして、それらの書籍に記される内容は、私たちが今行っている作業です。