📜 [專欄新文章] 區塊鏈管線化的效能增進與瓶頸

✍️ Ping Chen

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使用管線化（Pipeline）技術可以提升區塊鏈的處理效能，但也可能會產生相應的代價。

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區塊鏈的擴容方案

說到區塊鏈的效能問題，目前討論度最高的應該是分片（sharding）技術，藉由將驗證者分成多組的方式，可以同時分別處理鏈上的交易需求，即使單分片效能不變，總交易量可以隨著分片/驗證者集的數量線性增加。

除了分片，另一個常用來提升程式效能的方案是將計算步驟拆解，以流水線的方式將複雜的運算攤平，降低系統的閒置時間，並大幅提升工作效率。為了達到管線化預期的目的，會需要先知道系統的瓶頸在哪。

區塊鏈的效能瓶頸

熟悉工作量證明設計哲學的人應該會知道，區塊鏈之所以需要挖礦，並不是為了驗證交易的正確性，而是要決定交易的先後順序，從而避免雙花和帳本分裂的發生。可以說，區塊鏈使用低效率的單線程設計，並付給礦工高額的成本，都只為了一件事，就是對交易的全局排序產生共識。

在這樣的基礎之上，區塊鏈在一段時間內可以處理的交易數量是有限的，這之中包含許多方面的限制，包括 CPU 效能、硬碟空間、網路速度等。其中，關於 TPS(每秒交易數) 提升和對硬體的要求大致上是線性增加的，但在設計共識演算法時，通訊複雜度常是平方甚至三次方的關係。

以現在的目標 TPS 來說，處理交易和生成一個合法的區塊並不困難，只是因為區塊鏈的特性，新區塊需要透過洪水法的方式擴散到全網路，每個節點在收到更新請求的時候都要先執行/驗證過區塊內的交易，等於整個廣播的延時會是「驗證區塊時間×經過的 hop 數量」這麼多。似乎網路越分散、節點越多，我們反而會需要降低計算量，以免讓共識不穩定。

管線化的共識機制

使用權益證明取代工作量證明算是行業發展的趨勢，除了環保或安全這些比較顯然的好處之外，權益證明對產生共識的穩定性也很有幫助。首先，權益證明在同一時間參與共識的節點數是已知的，比較容易控制數量級的邊界；其次，權益證明的出塊時間相較工作量證明固定很多，可以降低計算資源不足或閒置的機率。

相較於工作量證明是單一節點出塊，其餘節點驗證，權益證明的出塊本身就需要很多節點共同參與，瓶頸很像是從驗證轉移到通訊上。

以 PBFT 為例，每次產新區塊都需要經過 pre-prepare, prepare, commit 三個階段，你要對同意驗證的區塊簽名，還要對「你有收到某人的簽名」這件事簽名，再對「你有收到 A 說他有收到 B 的簽名」這件事簽名，過程中會有很多簽名飛來飛去，最後才能把一個區塊敲定。

為了降低每兩個區塊間都需要三輪簽名造成的延遲，後來的共識演算法包括 HotStuff 和 Casper FFG 採用了管線化的區塊驗證過程。也就是對區塊 T 的 pre-prepare 同時是對 T-1 的 prepare 和對 T-2 的 commit。再加上簽名聚合技術，出塊的開銷在複雜度等級和係數等級都降低許多。

然而，要保持管線化的區塊生產順利，需要驗證者集合固定不變，且網路通訊狀況良好。如果會經常更動驗證者集合或變換出塊的領導者，前後區塊間的相依性會是個大問題，也就是 T 的驗證者集合取決於 T-1 裡有沒有會導致刪除或新增驗證者的交易，T-1 的合法性又相依於 T-2，以此類推。

當激烈的分叉出現的時候，出塊跟共識的流水線式耦合就從優雅變成災難了。為了避免這種災難，更新的共識演算法會限制驗證者變更的時機，有些叫 epoch 有些叫 checkpoint，每隔一段時間會把前面的區塊徹底敲定，才統一讓驗證者加入或退出。到這些檢查點的時候，出塊的作業流程就會退化成原本的三階段驗證，但在大部分時候還是有加速的效果。

管線化的狀態更新

另一個可以用管線化加速的是區塊鏈的狀態更新。如前所述，現在公鏈的瓶頸在於提高 TPS 會讓區塊廣播變慢，進而導致共識不穩定，這點在區塊時間短的以太坊上尤其明顯。可是如果單看執行一個區塊內的交易所花的時間的話，實際上是遠遠低於區塊間隔的。

只有在收到新區塊的時候，節點才會執行狀態轉移函數，並根據執行結果是否合法來決定要不要把區塊資訊再廣播出去。不過其實只要給定了交易集合，新的狀態 s’ = STF(s, tx) 應該是確定性的。

於是我們有了一個大膽的想法：何不乾脆將交易執行結果移出共識外呢？反正只要大家有對這個區塊要打包哪些交易有共識，計算的結果完全可以當作業留給大家自己算吧。如果真的不放心，我們也可以晚點再一起對個答案，也就是把這個區塊執行後的新狀態根包在下個區塊頭裡面。

這就是對狀態更新的管線化，在區塊 T 中敲定交易順序但暫不執行，區塊 T+1 的時候才更新狀態（以及下一批交易）。這麼做的好處十分顯而易見，就是將原本最緊繃的狀態計算時間攤平了，從原本毫秒必爭的廣播期移出來，變成只要在下個塊出來之前算完就好，有好幾秒的時間可以慢慢來。新區塊在廣播的每個 hop 之間只要驗證交易格式合法（簽名正確，有足夠的錢付手續費）就可以放行了，甚至有些更激進的方案連驗簽名都省略了，如果真的有不合法交易混進去就在下個區塊處罰礦工/提案者便是。

把負擔最重的交易執行移出共識，光用想的就覺得效能要飛天，那代價呢？代價是區塊的使用程度會變得不穩定。因為我們省略了執行，所以對於一筆交易實際用掉多少 gas 是未知的。本來礦工會完整的執行所有交易，並盡可能的塞滿區塊空間，然而在沒有執行的情況下，只能以使用者設定的 gas limit 當作它的用量，能打包的交易會比實際的上限少。

緊接著，下一個問題是退費困難。如果我們仍然將沒用完的手續費退還給使用者，惡意的攻擊者可以透過發送 gas limit 超大，實際用量很小的交易，以接近零的成本「霸佔」區塊空間。所以像已故區塊鏈 DEXON 就直接取消 gas refund，杜絕濫用的可能。但顯然這在使用者體驗和區塊空間效率上都是次優的。

而最近推出的 smartBCH 嘗試擬了一套複雜的退款規則：交易執行後剩餘的 gas 如果小於 gas limit 的一半（代表不是故意的）就退款；如果剩餘量介於 50%-75% 可以退一半；超過 75% 推斷為惡意，不退款。乍看是個合理的方案，仔細一想會發現製造的問題似乎比解決的還多。無論如何，沒用掉的空間終究是浪費了，而根據殘氣比例決定是否退款也不會是個好政策，對於有條件判斷的程式，可能要實際執行才知道走哪條路，gas limit 一定是以高的情況去設定，萬一進到 gas 用量少的分支，反而會噴更多錢，怎麼想都不太合理。

安全考量，退費大概是沒希望了。不過呢，最近以太坊剛上線的 EIP1559 似乎給了一點方向，如果區塊的使用程度能以某種回授控制的方式調節，即使偶爾挖出比較空的區塊似乎也無傷大雅，也許能研究看怎麼把兩者融合吧。

管線化方案的發展性

考慮到以太坊已經堅定地選擇了分片的路線，比較激進的單鏈高 TPS 管線化改造方案應該不太有機會出線，不過管線化畢竟是種歷史悠久的軟體最佳化技巧，還是很有機會被使用在其他地方的，也許是 VDF 之於信標鏈，也許是 rollup 的狀態轉換證明，可以坐等開發者們表演。

倒是那些比較中心化的 EVM fork/sidechain，尤其是專門只 for DeFi 的鏈，管線化加速可以在不破壞交易原子性的前提下擴容，確實是有一些比分片優秀的地方可以說嘴，值得研究研究，但這就要看那些機房鏈們有沒有上進心，願不願意在分叉之餘也投資發展自己的新技術了。

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【推舊文】《進擊的巨人》物理學（下）：巨人的密度和科幻的意義

編按：在上一篇文章「《進擊的巨人》物理學（上）：變身巨人的那一刻就註定了人類的勝利？」討論了如果巨人和人類等密度的話，可能不只會被自己的體重壓垮，還會引發全球的能源危機！這次就讓我們來討論，如果巨人質量不變，他的密度又是多少呢？

指數比巨人更恐怖

在我們的世界中，以現在人類對大自然的科學知識，還沒有辦法進行高維度的物質傳送。因此就必須要憑空產生出額外的物質，無可避免地用到愛因思坦的質能互換定律 E=mc2。可是，這又會引起另一個問題：產生質量的能量太過龐大。這是因為質量與高度立方成正比，所以變出越來越高大的巨人所需的能源是以指數上升的。

讓我來說個比巨人更恐怖的故事。從前有個國王想要賞賜黃金萬貫給他的大臣。其中一位大臣說，我不要黃金萬貫，只要一個棋盤，第一個方格上放一粒米，希望國王能夠答應每天賞賜比前一格多一倍的米就足夠了。國王聽了說沒問題，這不太簡單了麼，我國糧食儲備十年也吃不完！就著人給了這位大臣第一天的賞賜：一粒米。

第二天，大臣來領賞賜，於是拿到了第一天的兩倍：兩粒米。第三天，四粒。第四天，八粒。第五天，十六粒。就這樣，大臣每天都來領米，國王覺得這位大臣真的傻了，有黃金萬貫不要，只要區區的幾粒米！

過了三個禮拜，負責糧倉的官員來找國王，說大事不妙了，我們快沒有糧食了。國王就問，怎麼可能？我們的儲備十年也吃不完啊！官員就說，沒錯，第一個禮拜，大臣只拿到了兩百五十四粒米，可是第二個禮拜就已經三萬二千七百六十六粒了。今天，他剛拿走了二百零九萬七千一百五十二粒米，總計已拿了四百一十九萬四千三百零二粒米了。棋盤有六十四格，可只是到了一半即第三十二天，他就會拿到共八十五億八千九百九十三萬四千五百九十粒米！到了最後一天，我們就得給他總共三千六百八十九京三千四百八十八兆一千四百七十四億一千九百一十萬三千二百三十粒米！

然後國王就被嚇死了，這就是指數的力量。

我們世界裡的巨人 竟然會比空氣密度更低？

延續著上一篇文章「《進擊的巨人》物理學（上）：變身巨人的那一刻就註定了人類的勝利？」的討論，就讓我們看看巨人究竟有多重吧！

《進擊的巨人》的作者諫山創也曾想過巨人如果與一般人類密度相同是否會太重的問題。於是在漫畫之中，也曾明示過「巨人比想像中輕」。

60 米高的超大型巨人身高是 1.7 米高的人類的 60/1.7=35.29 倍，即約 2 的 5 次方多一點。再把這數字立方，即是 2 的 15 次方，即是國王故事裡差不多兩個禮拜的倍數，大約就是幾萬。可是，E=mc2 帶來的能源問題，並不是把巨人變輕一點點、或者輕幾倍、幾十倍就能解決的。這是因為光速實在太快了：使用國際單位制時，光速的數值是 3 後面跟 8 個零。所以，即是變出每 1 公斤的質量，就需要 E=(1)c2，即 9 後面跟 16 個零這麼多的能量。

所以，我們不要忘了還有 c2 這個因子，因此我們必須再在幾萬後面補上 16 個零（還要乘 9），得到的就是有 20 個零以上的天文數字了。我們就算有 20 個零好了，就算你把超大型巨人變得「比想像中輕十萬倍」，也還有 15 個零。

結論是，我們的現實中沒有高維度物質傳送，也不可能用 E=mc2 去變出巨人。所以這次我們就不是假設密度不變，而是質量不變。跟上次一樣，我們只要使用密度=質量／體積，就能夠計算出各種巨人的密度。

對於一個 3 米級的巨人，其體積是一個 1.7 米高的人類的 5.5 倍。如果要維持質量不變，那麼 3 米級巨人的密度就是人類的 1/5.5=0.18，即是只有人類的18%。以人類平均密度大約為 0.95 g/cc 去計算（g/cc 即是每立方厘米克），3 米級巨人的密度就是每平方米 0.17 g/cc。順帶一提，一個大氣壓力下、攝氏 15 度的水的密度是 1 g/cc，這就是為什麼人體是會浮在水面上的原因。而巨人受到的浮力就更加強了，想潛水基本上是不太可能的。

那麼 15 米級的巨人呢？體積是人類的 687 倍，密度是人類的 0.1%，即是 0.0014 g/cc。一個大氣壓力下、攝氏 15 度的大氣密度是 0.0012 g/cc，所以 15 米級巨人的密度原來跟空氣差不多，被其打中應該就像颱風時站在街上的感覺吧⋯⋯

最後，當然少不了大家最關心的超大型巨人了。體積是人類的 44,000 倍，密度就只有人類的 0.0022%，即 0.00002 g/cc。這不就是只有大氣密度的 1.8% 嘛⋯⋯這樣的話，如果超大型巨人真的出現，我們頂多也只會看見一團非常輕薄的肉色氣團，被打中也是不會有什麼感覺的。而且，因為其比空氣密度更低，所以會慢慢升上天空，很恐怖的說⋯⋯哇，什麼時候變成鬼故事了？

科幻是科學的翅膀

在前一篇的文章刊登後有許多的討論，有人曾評論我說「不尊重科幻作品」，我尊重他們發表意見的權利，亦欣賞他們對科幻作品的熱誠。我相信，這種熱情亦是推動好奇心的源動力。而我同時認為，如同《進擊的巨人》這樣好的科幻作品，是能夠激起人們思考科學、社會問題，再應用於我們所生存的這個世界之中的。

我希望藉著有趣的動漫題目，吸引各位思考科學原理。這當然就不是說我要破壞原作者的創作。誰不知道在作品當中，作者就是神、就是物理定律？我們會不會把科普文中提到的科學問題傳給作者叫他修改作品？不會，因為我們明白探討的題目是「如果在我們這個世界打出一記認真拳／打出龜派氣功／變身成為巨人，會發生什麼事情呢？」

就如同從前科學仍未發達的時候，登陸月球被視為幻想。有小說作家幻想登上月球，我們不會去攻擊他「不科學」，而是把這個幻想當成思考科學問題的機會，改善我們的科學技術。想必有些人曾經思考過「如果我們真的能夠飛上月球，會發生什麼事情呢？」

最終，阿姆斯壯踏出了人類的一大步；幻想，成了真實。

科幻絕不應只幻不科。其實，我自己也是《進擊的巨人》的粉絲。吸引我的，除是了那些刺激的戰鬥場面外，也是那些叫人反思現實的情節。高牆和巨人，都一一暗喻了許多發生在我們身邊的社會問題。我們會把作品中對社會的描寫化作現實的反思，為什麼我們不能把作品中的科幻化作現實科學的思考？這樣，科幻才能成就科學。

我相信，這就是科幻的意義。

💁‍♀️最近跟朋友分享自己做了兩次的皮秒的心得後朋友問我到底什麼是皮秒 跟其他雷射項目到底差在哪
而又是什麼原因足以讓皮秒如此廣受青睞 皮秒又代表的是什麼呢🤔
「皮秒」（picosecond)是一個時間單位，一皮秒=一萬億分之一（即10的負12次方）秒，簡單來說因為在肌膚上停留時間相較於其他雷射方式來的短，皮秒能把傷害肌膚的可能性降到最低，使肌膚黑色素淡化，達到淡化疤痕、斑點的效果，同時搭配的鏡片也能收縮毛孔，淡化細紋
皮秒恢復期也快，打後一樣會泛紅不過很快的一兩個小時就會退，所以不用像其他雷射項目要等個一兩天的恢復期，皮秒打完就算立即上妝也不是問題。
但不管怎麼樣我還是提醒大家 想要做什麼都先做一下功課和詢問醫生才知道自己該怎麼選擇💯
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