持続可能なブロックチェーン：アルゴランドのPure Proof-of-Stakeのカーボン・フットプリントを見積もる
By Cosimo Bassi（コジモ・バッシ）
ブロックチェーン技術は、デジタル・ネイティブな価値の生成と移転を、媒介されず、安全で、分散化された、スケーラブルな方法で実現するために生まれました。地球上の数十億人の人々が、信頼できる第三者を間に挟む必要性を打ち消す独自のグローバルな分散型計算インフラの中で、国境や障壁を越えて取引を行う可能性を持つことになります。
インターネット時代のデジタル情報のやりとりが通信プロトコルに依存しているのと同様に、デジタル価値のやりとりはコンセンサス・プロトコルに依存しています。コンセンサス・プロトコルは、分散型計算、暗号、ゲーム理論を数学的な平衡状態に組み合わせることで、ブロックチェーンを動かすエンジンとなり、デジタル価値の歴史を、世界規模の単一の分散型データ台帳の中で、一意性、一貫性、改ざん防止性を維持します。
ブロックチェーンの技術的な性能は、そのコンセンサス・プロトコルに依存しています。この技術的な旅の初めには、いわゆるPoW（Proof of Work）コンセンサス・プロトコルが第一世代のブロックチェーンを動かしていました。これは、デジタル・ネイティブな価値の存在を示すというメリットがありますが、同時に、次のブロックデータを検証するために惑星規模の計算機を使った戦いを互いに実行すると、多くの時間と許容できないほどのエネルギーの浪費を伴うという、自らの基盤の限界に直面していました。実際、「Proof of Work」が示すように、計算機やエネルギー資源の割り当てを通じて、エコシステムへの個人的なコミットメントを示すことが、このコンセンサス・メカニズムの中核をなしています。しかし、PoWで動作するブロックチェーンは、スケーラビリティ、分散性、取引速度、コストなどの約束を果たすことができず、エネルギー効率の悪い中央集権的な計算ファームに頼ることになってしまいます。
私たちの住む地球は、もはや持続不可能なテクノロジーを受け入れる余裕はありません。
ここでアルゴランドが登場します。Silvio Micali教授の素晴らしい業績により、最先端の分散型計算、暗号、ゲーム理論の新しい編成が、オリジナルのブロックチェーンの願望を、全く新しいアルゴランドのPure Proof of Stakeコンセンサス・プロトコルに変えました。
Proof of Workに対するProof of Stakeプロトコルの持続可能性を主張することは、あまりにも簡単です。この記事では、アルゴランドの持続可能性の主張をさらに推し進め、Pure PoSと他のPoSを比較して、より強い主張の証拠を示したいと思います。アルゴランドは持続可能性をセキュリティ、スケーラビリティ、分散化と引き換えにしていないのです！
Pure Proof of Stake: セキュリティ、スケーラビリティ、分散化、そして...持続可能性！
Pure Proof of Stakeはエネルギー的に持続可能か？PPoSのエネルギー消費量とカーボン・フットプリントの概算を提案するために、この質問を適切に整理してみましょう。
カーボン・フットプリントの推定は、発電シナリオと地域の再生可能エネルギー源の程度に厳密に依存するため、私はむしろ別の重要な指標を最初に取り上げたいと思います。それは、バリデータあたりの最終取引エネルギーで、バリデータが1つの取引を最終的に確定し、共通の分散型台帳に追加するために費やす平均エネルギー量です。
ここで強調しておきたいのは、このような指標の定義において、確定した取引を参照することは、単なる用語の微妙な違いではないということです。Proof of Workコンセンサス・プロトコルは、実際には「ソフト・フォーク」が起こりやすいものです。不幸にもこれが起こると、これらのブロックチェーンは、同じエコシステム内の一時的に矛盾した複数の真実のソースを表す枝に分裂します。マイナーがそのチェーンで作業を続け、それぞれのハッシュレートを提供し、電力を浪費している間に、「最長のチェーン」の原則に従って、1つのチェーンだけが時間をかけて生き残ることになります。
PoWプロトコルではソフト・フォークの確率が無視できないため、PoWブロックチェーンのトランザクションは6ブロックの深さに達したときに初めて「最終」とみなされるのが一般的です。「孤児チェーン」に属するトランザクションの検証に費やされたエネルギーは全く無駄であり、さらに、これらのトランザクションに費やされたエネルギーは、最終的に最も長いチェーンに追加されるまで、再び費やされなければなりません。これがPoWをさらに非効率なものにしており、最大規模のPoWブロックチェーンの中には、小さな国に匹敵するエネルギー・フットプリントを持つものもあります。
バリデータあたりのアルゴランドの最終的な取引エネルギー
ここでは、非常に大まかな仮定に基づいた、バリデータあたりの最終的な取引エネルギーの推定値を提案します。その目的は、厳密な分析計算ではなく、一貫した仮説の枠内で評価された合理的なデータを用いて、アルゴランドのエネルギー効率に関する議論をサポートするための合理的なベースラインとして意図されているものです。
仮説
ここでは、リレー・ノードを無視して、バリデータ・ノードの消費電力のみを考慮します。
PPoSは、コンセンサスに参加するノードの数にかかわらず、同じバリデータ・ノードのハードウェア要件を維持する。
PPoSは、アルゴランド・ネットワーク内のバリデータ・ノードの数にかかわらず、1秒あたりの最終的なトランザクション数（TPS）を同じにする。
PPoSのTPSがフルに使われているかどうかに関わらず、バリデータ・ノードの実行プロセスはホスティング・ハードウェアの全消費電力に責任がある。
インターネットのエネルギー消費は、コンセンサス・プロトコルの違いによる影響はない。
ノードのキャッチアップとストレージの電力消費は考慮されていません。
この一連の仮説により、「推定を線形化」し、バリデータ1人あたりの最終的な取引エネルギーを一定にすることができました。
アルゴランドには、ネットワーク上の各バリデータのノードをどのようなハードウェアがホストしているかを判断する方法がないため、合理的なバリデータは、TPSを確保しながらノード・プロセスを実行できる最も効率的なハードウェア（例：Raspberry Pi 4）を選択する傾向にあると考えるのが妥当です。
つまり、平均的に見て、フル・ブロックを想定した場合、「消費者」であるバリデータのノード（Raspberry Pi 4など）では、以下のように結論付けられます。
持続可能性と非中央集権・分散化
Proof of Workに対してPure Proof of Stakeの持続可能性を主張することは難しいことではありませんが、ここでは分散化が重要な要素となった他のPoSとPure PoSを比較してみましょう。Delegated PoSのようなコンセンサス・プロトコルは、例えば、21人のバリデータのネットワークが低エネルギー消費であることを簡単に主張することができ、それは正しいのですが、本当の課題は、持続可能性を分散化と引き換えにすることなく達成することです！
アルゴランドは、バリデータあたりの消費電力の点で非常に優れています。Pure Proof of Stakeは、分散化に関してはデザイン的に持続可能です。バリデータあたりの最終取引エネルギーEt,vn指標を定義した結果、アルゴランド・ネットワーク上で取引を最終的に行うことは、バリデータにとって非常に効率的であり、アルゴランドのコンセンサスを分散化することは持続可能性と矛盾しないという事実の証拠が得られました。この仮説の下では、アルゴランド・ネットワーク全体が確定したトランザクションごとに費やすエネルギー量は、PPoSの分散度に応じて直線的に成長し、その成長の傾きは実に小さいものです。
本稿執筆時（2021年4月）のアルゴランド・ネットワークの分散度を考慮すると、アルゴランド・ネットワークにはバリデータ4kノードがあるので、以下のようになります。
持続可能性とスケーラビリティ
アルゴランドは、分散性を犠牲にすることなく、時間をかけてPPoSのパフォーマンスを向上させることを約束します。つまり、TPSを向上させても、ハードウェアの消費電力を劇的に変化させることはないということです。TPSが高ければCPUの負荷も多少高くなりますが、ここでは、TPSが10倍と46倍増加した結果、バリデータのハードウェアの消費電力がそれぞれ25%と50%増加すると仮定します。この仮説のもとでは、ネットワークの分散化率が同じ（4kバリデータ）であれば、TPSの観点からのPPoSのパフォーマンス向上により、最終的なトランザクション・エネルギーEtはさらに低くなります。
持続可能性とセキュリティ
最終的なステップとして、この比較では、次のブロックのコンセンサスを得てブロックチェーンを安全に保つために異なるプロトコルが費やすエネルギーの全体量を取り上げ、1つのトランザクションの確認のためにネットワーク全体が費やすエネルギーの全体量を評価します。
BitcoinとEthereumのこの指標に関するいくつかのデータ（2021年4月）。
つまり、フル・ブロックを想定した場合、次のようになります。
PoWの意味するところは、トランザクションあたりの膨大なエネルギー必要量ですが、これに加えて2つの検討事項を指摘する価値があります。1つ目は、PoWプロトコルではソフトフォークの確率が無視できないため、ビットコインのトランザクションは一般的に6ブロックの深さに達したときに初めて「最終」とみなされるため、最終的なトランザクションの全体的なエネルギー要件は、単一ブロックの確認よりもさらに高いと考える必要があります。第二に、一般的なブロックチェーン・アプリケーションは、複数のスマートコントラクトの相互作用に依存しており、一連のトランザクションの送信を必要とします。イーサリアムの自動流動性提供のための有名なDeFiプロトコルであるUniswapは、35のトランザクション・セットを必要とします。これは、確定したトランザクションごとに非常に少量のエネルギーを持つことがいかに重要であるかについての洞察を与えます。
結論
それらの試算の結論として、「アルゴランド上でのNFT作成のカーボン・フットプリントは？」という質問に、もっと細かく分けて答えてみましょう。
アルゴランド上でNFTを作成することは、オンチェーンでの取引を確定することを意味するので、先ほどの質問は、次のようなより一般的な質問に変えることができます。「アルゴランドで取引が成立した場合のカーボン・フットプリントは？」。カーボン・フットプリントは、特定の国や州の発電に関わるエネルギー源の種類に厳密に依存しますので、質問は「アルゴランド上の取引を確定するために費やされたエネルギー量はどれくらいですか？」となります。
それはまさに私たちが先ほど推定したものです！
カーボン・フットプリントの証明可能な分析指標を考えようとすると、そんなに簡単ではありません。そこで、アルゴランドでの最終的な取引のためのエネルギー量を推定し、米国の平均的な電力源の排出量である1kWhあたり0.50kgのCO2を考慮してみましょう（イタリアでは、この量は例えば半分以下になるでしょう）。
フル・ブロックで4kバリデータと仮定すると、アルゴランドでNFTを作成するには潜在的に以下のエネルギーが必要となります：1NFTあたり0.0000004kg CO2。
*免責事項：本記事に掲載されている結果は、アルゴランドのパブリック・ネットワークが最終的な取引ごとに消費するエネルギー量の概算としてのみ意図されています。
元記事：https://www.algorand.com/resources/blog/sustainable-blockchain-calculating-the-carbon-footprint
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