V神揭秘：胶水与协处理器提升计算效率与安全性

以太坊的共同创始人Vitalik Buterin最近写了一篇文章，探讨了如何通过“胶水（glue）和协处理器（coprocessor）”架构来提升现代运算的效率。这种架构将运算分成两部分：一部分是通用但效率较低的“业务逻辑”，另一部分是高度结构化且运算密集型的“昂贵工作”。通过灵活的通用“胶水”组件和高效的专用“协处理器”，可以优化这两种运算形式。

在实际应用中，这种运算分离的例子随处可见。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费用，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，同时使用专门模块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。

这种运算分离在各领域的例子越来越多，原因在于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。这种分离正在增加，主要是由于以下几个原因：

CPU时钟速度的极限：随着CPU时钟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。

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。

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。

最后，Vitalik提出了一些关于如何改进EVM、提高运算安全性、推动开源硬件以及加速密码学主流化的建议。

EVM（以太坊虚拟机）：

EVM不需要追求效率，而应该注重熟悉度和生态系统。

可以通过加入协处理器（预编译）来提高效率。

改进EVM的方法包括添加更好的预编译/特殊操作码，以及改进存储布局。

安全运算和开源硬件：

当前硬件安全面临复杂性和专有性的挑战。

开源和安全的替代方案正在推进，但效率仍是问题。

建议采用“胶水和协处理器”架构：用开源、安全但较慢的主芯片处理敏感计算，并用专有但高效的ASIC模块处理密集运算。

密码学：

这种架构对密码学（尤其是可编程密码学）的主流化很有利。

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。

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，虽然胶水不需要高性能，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。

总的来说，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。