“The Merge”正在到來
以太坊2.0的升級自Vitalik Buterin在2013年發布“下一代智能合約和去中心化應用平台”——以太坊白皮書以來就一直熱議不斷，在經歷過數次跳票後，以太坊終於要迎來具有歷史性意義的“The Merge”升級，以太坊主網將和以太坊信標鏈進行合併並完成由POW工作量證明機制遷移至POS權益證明機制的轉變，但“The Merge”只是一個開始，以太坊還將引來“The Surge”、“The Verge”、“The Purge”和“The Splurge”等升級引入分片鏈並優化數據結構以及客戶端成為最終版本。
“可以做發達之後處於守勢的蘋果，但絕對不能做固步自封的諾基亞”，共識機制的轉變是以太坊在成為真正的“世界計算機” 路上必須要經歷的考驗，儘管升級後以太坊的未來充滿了未知，但以太坊邁出了在區塊鏈發展中歷史性的一步！
本文章僅為個人分析，不構成任何投資意見，如出現不正確的內容歡迎各位指出。
目錄
一、以太坊為什麼要升級？
（一）能源消耗問題
（二）可擴展性問題
（三）安全問題
（四）公鏈競爭
二.以太坊2.0將會引來哪些重要升級？
（一）以太坊的“協調者”——信標鏈
（二）以太坊的“數據倉庫”——分片鏈
（三）POS權益證明機制如何運行？
三.POS權益證明機制下的以太坊懲罰機制是什麼樣的？
（一）有哪些懲罰機制？
（二）如何檢測到節點作惡？
四.歷史重演？以太坊2.0升級面臨硬分叉會發生什麼？
（一）現在的硬分叉與過去ETC分叉有什麼區別？
（二）以太坊2.0升級會出現多條硬分叉嗎？
（三）Miner是否可以拆除難度炸彈？為什麼難度炸彈會使得Miner更容易產生意見上的分歧？
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POW工作量證明機制下的以太坊正面臨著能源消耗大、可擴展性低、算力越來越集中威脅網絡以及高性能公鏈不斷侵蝕市場的問題，進行擴容升級才能維持以太坊在公鏈中的霸主地位。
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正在與目前POW機制主鏈平行運行的POS機制信標鏈將會在“The Merge”升級後與主鏈合併並替代POW機製成為主鏈新的共識機制。
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分片技術可以將以太坊的數據放在64條分片鏈上進行處理，極大的提高了TPS處理速度，並且分片節點的硬件要求門檻很低，甚至可能實現在個人筆記本和手機上運行節點，使得網絡節點更加去中心化。
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在POS權益證明機制下信標鏈將會根據幣齡隨機分配驗證節點負責提議區塊並需要通過2/3網絡節點的驗証投票後才可出塊，在極端情況下協議將會啟動緊急狀態解決無法出塊的情況。
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POS權益證明機制下的以太坊有兩套懲罰機制：節點異常運作的懲罰（Penalties）和節點作惡要面臨的削減（Slashing），削減（Slashing）懲罰更嚴重最高面臨損失全部權益且會被驅逐出協議，而懲罰（Penalties）只是進行罰款。
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驗證節點需額外運行Slasher節點才可以檢測網絡上的作惡行為，運行Slasher節點並沒有利潤可言屬於利他行為，全網僅需一個誠實且正常運作的節點即可檢測所有作惡行為。
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以太坊2.0升級面臨的硬分叉與ETC分叉時情況不同，大量的不可複制資產如中心化穩定幣等問題將會使得以太坊POW的分叉鏈陷入混亂，鏈上基礎設施生態也可能會因為缺乏POW鏈預言機的運行而導致無法正常運作，並且中心化穩定幣的發行商在分叉的未來上有決定性影響。
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以太坊POW的分叉鏈將不會只出現一條，難度炸彈和其他因素可能使得Miner們出現分歧導致出現多條POW分叉鏈，最終大部分分叉鏈的結局可能都會隨著時間而消亡。
一.以太坊為什麼要升級？
（一）能源消耗問題
POW工作量證明機制最讓人詬病的就是其能耗問題，大量的算力被浪費在了競爭出塊權中，這意味著隨著以太坊生態的不斷壯大將會有大量的電力被浪費。下圖顯示了以TWh/yr 為單位的各個行業的估計年能耗（檢索於2022 年6 月），以太坊的總能耗約為112 TWh/年已經高於Netflix每年的總能耗。 POS權益證明機制下的以太坊能耗方面比POW工作量證明機制降低了99.5%，這使得以太坊更加環保的同時也更具有可持續性。
數據來源：ethereum.org
（二）可擴展性問題
隨著以太坊生態的不斷完善和用戶量不斷增長，用戶交互的需求正在不斷增長，以太坊需要可以處理更多事務的能力。當前POW工作量證明機制下的以太坊TPS處理速度僅僅每秒15-17 筆交易，當以太坊交互數量暴增的時候就會出現網絡堵塞導致出現“GAS戰爭”使得交互變得無比昂貴且確認交易極其緩慢，在“312”黑天鵝事件中MakerDAO就曾因為GAS費暴漲問題導致出現“零元購”。 2017年加密貓的爆紅事件導致以太坊的網絡擁堵甚至GAS費達到了以太坊歷史最高的平均GAS價格939.59Gwei，這是極其昂貴的，沒有人願意在如此昂貴的GAS費下進行交互。
數據來源：etherscan
截止至2022年8月4日，此時的以太坊GAS費平均價格僅18Gwei，與939.59Gwei相差52.2倍。
數據來源：etherscan
POW工作量證明機制下的以太坊是不足以支撐起大量的交互請求的，這是以太坊要成長為“世界計算機”的最大阻力之一，以太坊2.0的升級可以很好的解決這個問題，在分片鏈開始上線後結合Layer2的Rollups技術理論上TPS的上限可以達到10 萬筆/秒，相比於POW工作量證明機制的TPS處理速度可以說是天差地別。
（三）安全問題
對於POW工作量證明機制的以太坊來說，Mining Pool的存在使得以太坊的算力呈中心化趨勢且對以太坊的整體網絡安全產生了威脅。 POW機制下攻擊成本體現在設備以及算力的堆積上，當某人或者集體掌握了51%以上的算力就可以對以太坊發動“51%攻擊”且協議本身無法對這種情況起到有效抑制效果。但在以太坊合併轉變POS權益證明機制後發動攻擊的成本轉變為了購買大量的ETH進行質押，在投入資產的同時協議還可以對發動惡意攻擊的節點進行罰沒資產，這種懲罰在工作量證明機制的運作下是無法實現的。
以太坊升級後安全模式會發生改變，因為引入了分片鏈。信標鏈將隨機分配驗證者到不同的分片上——這使得驗證者幾乎不可能通過攻擊一個特定的分片來串通，從而攻擊網絡。在工作量證明模式的區塊鏈中，協議無法控制並分配Miner，所以分片在POW機制中無法獲得如此高的安全性，這使得POS機制下的以太坊更具有安全性。
在分片鏈上線後人們可以使用筆記本電腦和手機就可以運行分片鏈客戶端，這會鼓勵更多的人成為驗證者，增加網絡的去中心化並減少攻擊面。
圖片來源：ethereum.org
（四）公鏈競爭
公鏈作為區塊鏈領域最重要的基礎設施一直都是市場的焦點。以太坊作為龍頭公鏈一直不斷面臨著許多號稱“以太坊殺手”的新興高性能公鏈的挑戰，以太坊的TVL市場份額正在被不斷蠶食，從2021年最高的將近97%的市場份額到目前降低到59.05%的市場份額，公鏈之間的競爭已經進入了白熱化。 POW工作量證明機制下的以太坊已經逐漸無法適應時代的需求，以太坊能做的只有進行升級擴容才能維持住以太坊在多公鏈時代下的霸主地位。
數據來源：Defillama
二.以太坊2.0將會引來哪些重要升級？
（一）以太坊的“協調者”——信標鏈
信標鏈（Beacon Chain）是以太坊用來解決POS權益證明共識問題以及協調分片鏈的區塊鏈，在2020年12月1日上線，目前正在與以太坊主鏈平行並獨立運行著。它可以讓ETH持有者質押ETH成為驗證節點來替代POW Miner，同時也可以在分片鏈上線後與分片鏈進行連接並進行協調工作向分片鏈隨機分配驗證者從而構成一個可以相互協作的整體，但信標鏈目前無法處理賬戶以及智能合約。
“The Merge”升級最重要的就是將信標鏈以及主鏈進行合併，合併後信標鏈上的驗證節點將會替代所有的POW Miner負責整個以太坊的共識機制。並且主網將為POS權益證明系統帶來執行智能合約的能力，向所有ETH持有人和使用者保證過渡順利。
（二）以太坊的“數據倉庫”——分片鏈
以太坊分片鏈（Shard Chain）指的是創建多個新鏈/分片鏈來同時處理以太坊上的數據，從而達到減少網絡擁堵、增加TPS處理速度以及降低GAS費的效果。但分片鏈沒有處理智能合約的權利，而是成為以太坊的“數據倉庫”，分片鏈的驗證者將會由信標鏈來負責隨機協調分配。在分片鏈上線後，以太坊將切割成64個分片鏈來同步運行，理論上配合Layer2的Rollups技術可以使得以太坊的TPS處理速度達到10萬筆/秒，這極大提高了整個以太坊的吞吐量，使得以太坊可以承載更大的生態以及用戶量，分片技術將會在下一次升級“The Surge”中上線。
分片技術（Sharding）在理論上可以用來解決所謂的“不可能三角” 問題，即可擴展性、去中心化、安全性
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可擴展性：分片鏈可以處理比單條鏈更多的事務，解決網絡擁堵問題。
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去中心化：分片鏈大大降低了硬件需求的門檻，使得人人都可以通過消費級筆記本電腦甚至是手機都可以運行分片鏈客戶端。
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安全性：信標鏈的隨機分配機制使得攻擊者無法將他們的力量聚集在一條分片鏈上，並且只要有一條分片出現壞塊，一旦發現就會被丟棄，整條鏈都會避免這個壞塊。
分片鏈如何與信標鏈連接？
分片鏈與信標鍊鍊接需要依靠交聯(crosslinks)來進行實現。交聯是指將一個信標區塊和分片區塊連接起來並可以引用。同區塊下分片區塊會接受來自同區塊的信標區塊的哈希值，該信標區塊的哈希值內包含了該信標區塊接受到的所有交聯的哈希值，而在下一個區塊中的信標區塊將會接受來自上一個區塊的分片區塊的交聯並將本區塊的信標區塊的哈希值發送給同區塊的分片區塊。某些信標區塊可能會丟失分片區塊的引用，但是每個分片區塊必須連接到信標區塊，所以錯過的分片區塊可以交聯在下一個信標區塊中。
由於信標鏈目前只支持64個分片，所以一個信標區塊最多可以容納64個交聯，如果出現一個區塊中有63個分片區塊沒有被提議出塊的話，那麼下一個信標區塊將會出現只有1個交聯的情況，信標鏈就像以太坊的“頸椎”，所有的分片鏈都是連著這條以太坊的“頸椎”的“頸椎骨”。
（三）POS權益證明機制如何運行？
POS權益證明是區塊鏈用來實現分佈式共識的一種共識機制。在POW工作量證明機制中，Miner通過算力的堆積競爭出塊權。而在POS權益證明機制中，Miner通過質押的ETH數量來競爭出塊權。 Miner需要質押至少32個ETH成為驗證節點或質押任意數量的ETH參與聯合質押來參與Mining，當用戶在分片上提交交易時，驗證者將負責將交易添加到分片區塊中，信標鏈通過算法偽隨機選擇驗證者以提出新的塊。
POS權益證明機制如何進行驗證並出塊？
要作為驗證者參與，用戶必須將32 ETH 存入存款合約並運行三個獨立的軟件：執行客戶端、共識客戶端和驗證者。當驗證者被選中進行出塊時，該區塊還需三分之二的總活躍驗證者進行簽名確認才可出塊，從而保證以太坊的安全使得該區塊具有“最終性”。因為不可能存在兩個區塊同時獲得三分之二總活躍驗證者的簽名，當一個驗證者沒有被選中出塊時，它們將參與驗證另一個驗證者的出塊提議，並確認一切都正常。
關於出塊時間。在工作量證明下，區塊的時間由Mining難度決定，而在權益證明中，速度是固定的。權益證明以太坊的時間分為插槽（Slot）和周期（Epoch），這決定了系統中共識的節奏。即每一隔12 秒出一個插槽，每個週期包含32 個插槽，即每隔6.4 分鐘產生一個週期，每個插槽只能創建一個有效區塊，每個插槽中隨機選擇一個驗證者作為區塊提議者，該驗證器負責創建一個新分片區塊並將其發送到網絡上的其他節點。
同樣在每個插槽中，信標鏈會隨機選擇一個由至少128個驗證者組成的“委員會(committees)”來對每一個分片區塊進行證明，其投票用於確定所提議區塊的有效性。 “委員會”驗證者的數量不是固定的而是隨著區塊的變化而改變，每個週期過後，“委員會”都由不同的、隨機的參與者解散與改革，這有助於避免委員會中的不良參與者傷害到分片。 “委員會”除了驗証投票之外，還需要負責將自己所在的插槽中的分片區塊嘗試交聯某個信標鏈上的特定的信標區塊。
通過觀察信標鏈的區塊鏈瀏覽器我們可以看到，下圖詳細信息顯示該週期被99.8%的活躍驗證者即總質押量13,177,296個ETH中的13,150,835個ETH的權益投票簽名並出塊，每個插槽中的分片區塊都由不同的驗證者出塊並經過三分之二以上活躍驗證者的投票簽名通過出塊。
數據來源：beaconcha.in
POS權益證明機制如何選擇驗證節點出塊？
POS權益證明機制的出塊是由協議偽隨機根據權益選擇一個驗證者來負責出塊，驗證者被選擇出塊的概率會隨著質押的ETH數量以及幣齡（CoinAge）的增長而增長。幣齡是POS權益證明機制下的一個參數，Miner沒有出塊的時間越長，幣齡越長且被選中出塊的概率越大，但當Miner被選中出塊後幣齡將會歸零並重新開始累積。
假設質押年收益率為10%，老王質押了100個ETH成為節點進行Mining，此時老王是幣齡為0，但是老王有30天沒有被選擇出塊，此時老王的幣齡為30*100=3000，那麼如果此時老王被選擇出塊的話他的幣齡會歸零並根據區塊獎勵=幣齡年利率/365 的公式獲得0.82ETH=3000*10%/365。
大致出塊機制如下圖，幣齡只能增加被選中的概率，可能出現多次低幣齡節點出塊的可能性。但長期看質押ETH越多的節點越容易被選中，造成了越有錢越佔優勢的現象。
如果信標鏈一直無法出塊怎麼辦？
在POS權益證明機制下的以太坊中，一個區塊需要經過三分之二的驗證節點投票通過才可以出塊來確保區塊的“最終性”，如果發生極端情況導致信標鏈一直無法通過三分之二的驗證節點投票而使得以太坊陷入停滯該怎麼辦呢？
當發生這種極端情況時，以太坊將會啟動一種緊急狀態：不活動洩漏（Inactivity leak），這種緊急狀態的觸發條件為信標鏈連續四個週期都沒有通過三分之二驗證節點驗証投票時，就會進入不活動洩漏狀態。進入這種狀態後，協議將會減少未驗証投票的節點權益，最終使得參與驗証投票的節點的權益超過總驗證節點權益的三分之二從而達到恢復信標鏈的正常運行。
三.POS權益證明機制下的以太坊懲罰機制是什麼樣的？
（一）有哪些懲罰機制？
在POW工作量證明機制中，Miner如果對區塊鏈數據進行修改只會產生一個自己的小分叉無法被集體共識認可，最終還是得和原區塊鏈保持同步，雖然在沒有51%算力的情況下對區塊鏈數據進行篡改並不會對區塊鏈產生影響，但Miner並不會受到任何懲罰。但在POS權益證明機制下的以太坊中，驗證節點的不當行為將會受到來自協議的懲罰，懲罰大致分為兩種：懲罰和削減。
懲罰和削減的區別在於，懲罰是由於驗證節點一直不活動或者產生了不正確的證明而導致的處罰，但懲罰只會對驗證節點的餘額進行罰款並不會把該驗證節點從協議中驅逐出去。
數據來源：beaconcha.in
而削減則是更為嚴重的一種懲罰機制，只有試圖攻擊以太坊網絡整體穩定性的驗證節點才會被進行削減處罰。在面臨著最高損失高達所有權益的罰款的同時該作惡節點還會被驅逐出協議，通常被削減的情況分為：
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作為提議者，在一個插槽中提議出兩個完全衝突的區塊。 【如果只是簡單的提議出兩個相同的塊則不會面臨削減】
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作為驗証投票者，在一個插槽中為兩個完全衝突的區塊都進行驗證並投票，這被稱為“雙重投票”。 【如果是對兩個相同的區塊進行驗証投票則不會面臨削減】
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作為驗証投票者不按順序進行“環繞投票”試圖反對歷史。
如果作惡節點被進行了削減處罰，該節點將立即受到懲罰並不在進行驗證，並將繼續受到持續約36 天的懲罰，並在36天后的某個週期之後才可以退出，懲罰的金額視作惡的嚴重程度而定，最高罰沒所有權益。
（二）如何檢測到節點作惡？
驗證節點本身並不會檢測以太坊網絡上的作惡行為，而是需要在通過運行信標鏈節點的同時再去運行一個叫Slasher的節點才可以具備捕獲在以太坊網絡中可罰沒的犯罪行為的能力。 Slasher節點就相當於以太坊網絡中的“警察”，為了檢測節點作惡行為，Slasher 會記錄網絡上每個驗證者的證明和提議歷史，然後將這些歷史與廣播的內容交叉引用以查找作惡證據。但是運行一個Slasher節點並不一定會帶來盈利，因為作惡行為並不常見且舉報獎勵並不高。並且運行Slasher節點需要消耗大量的磁盤空間且更加耗能，這意味著允許Slasher節點完全是一種利他行為，但是理論上整個以太坊網絡只需要有一個誠實的，功能正常的Slasher節點在運作就可以發現所有的作惡行為。
當允許Slasher的驗證節點發現作惡行為時，該節點會把作惡證據打包進發生作惡的插槽中並對作惡節點發起削減處罰，下圖例子中我們可以看到，作為驗証投票者的13209節點在134045週期的4,289,592插槽為兩個衝突的區塊進行了驗証投票，作惡證據被打包放進了下一個為4,289,593的插槽中。
數據來源：beaconcha.in
該作惡節點被70929節點舉報，隨後該13209節點被協議進行了削減處罰，立刻被罰款的同時，在134051週期中被驅逐出協議並且將受到連續36天的持續罰款直到142238週期才可退出取出餘額。
數據來源：beaconcha.in
作為舉報者的70929節點獲得了約0.89ETH的舉報獎勵。
四.歷史重演？以太坊2.0升級面臨硬分叉會發生什麼？
關於以太坊2.0升級討論的一個熱點必定離不開以太坊POW硬分叉這個話題，那麼什麼是硬分叉（Hard fork）呢？
硬分叉就是當區塊鏈發生永久性分歧，在區塊鏈系統重大更新後，沒有升級的節點無法驗證已經升級的節點生產的區塊，這時硬分叉就會發生，將會分裂出兩條條某區塊之前賬本完全相同的區塊鏈。硬分叉也可以主動發起，最經典的案例就是來自於以太坊的硬分叉——以太坊經典（Ethereum Classic），硬分叉發起的原因是因為當時一個眾籌了1200萬枚ETH的項目The DAO被黑客攻擊盜取了當時大約價值5000萬美元的ETH使得以太坊收到了很大的打擊。之後以太坊創始人Vitalik Buterin決定主動發起硬分叉來回滾區塊鏈以挽回以太坊受到的損失，然後一部分人依然堅守在被盜的那條以太坊上拒絕升級，使得以太坊分裂成了以太坊經典和現在的以太坊。
（一）現在的硬分叉與過去ETC分叉有什麼區別？
以太坊2.0升級是共識機制的徹底改變，在“The Merge“合併後POS權益證明機制將直接取代POW工作量證明機制，POW Miner們面臨著需要尋找其他出路的情況。這一改變觸及了所有POW Miner的利益，這導致Miner們可能會集體發動硬分叉。事實上本文在撰寫期間已經有Miner團體發布聲明要硬分叉出一條POW以太坊，以太坊會再次發生硬分叉基本板上釘釘了，那麼這次硬分叉和以往會有什麼不同呢？
事實上，本次以太坊2.0升級導致的硬分叉和當年以太坊經典分叉的區別還是很大的。首先當時以太坊還處在初始階段，並沒有很豐富的生態，但經過了這麼多年的發展，以太坊已經成長為了公鏈中的龍頭，承載著最豐富的生態以及最龐大的資金體量。如果以太坊再次發生硬分叉，由於硬分叉出來的鏈歷史賬本是一樣的，就會出現兩份USDT、USDC以及wBTC等不可複制資產，兩個以太坊上的協議比如MakerDAO、AAVE等。那麼出現這種情況的時候，分叉導致多出來的中心化穩定幣如USDT、USDC這種資產會因為無法兌現為法幣導致最終歸零，這時以太坊分叉鏈上的生態將變得極其混亂，如果沒有好的解決方案那麼該分叉鏈將會變得無利可圖無法運作下去。
以太坊創始人Vitalik Buterin在8月3日首爾舉行的BUIDL Asia上發表了自己的觀點：“中心化穩定幣可以決定’有爭議’的硬分叉的未來”。可以看出，中心化穩定幣的發行方在硬分叉中起到了決定性的作用。
信息來源：cointelegraph.com
（二）以太坊2.0升級會出現多條硬分叉嗎？
以太坊2.0升級中不會只存在一個硬分叉，可能會出現很多條POW硬分叉鏈，但最終這些POW硬分叉鏈能不能活下來還是個未知數。對於以太坊基金會以及開發人員來說，統一戰線在主鏈——POS信標鏈上很容易達成共識。但對於Miner團體來說，由於去中心化導致Miner很難統一戰線形成利益共同體，並且難度炸彈（Difficulty Bomb）的存在使得Miner團體更加容易產生意見上的分歧。那麼什麼是難度炸彈呢？
難度炸彈是一個可以根據區塊時間調整整條鏈的Mining難度值的機制，在2015年被提出並寫入了以太坊代碼中，目的是人為增加Mining難度使得POW Miner失去動力轉而加入POS信標鏈從而讓POW機制順利的過渡到POS機制。當難度炸彈被激活後，Mining難度將會指數型增長，這就使得Mining的區塊獎勵會變得越來越低直到毫無利潤可言導致所有Miner退出POW鏈。歷史上難度炸彈曾開啟過多次，但每次都被以太坊基金會以及開發人員硬分叉進行推遲了。
下圖中可以觀察到以太坊的出塊時間在難度炸彈開啟後呈大幅上升趨勢並在硬分叉推遲後恢復到正常時間。關於為什麼難度炸彈被推遲多次的原因是以太坊2.0的升級就像在“高速上換輪胎”需要十分謹慎所以十分緩慢，以太坊基金會以及開發人員並沒有做好升級的準備，所以多次推遲難度炸彈。
數據來源：bitinfocharts.com
在最近一次的難度炸彈推遲EIP-5133提案中，難度炸彈被推遲到了2022年9月中旬。
信息來源：eips.ethereum.org
（三）Miner是否可以拆除難度炸彈？為什麼難度炸彈會使得Miner更容易產生意見上的分歧？
難度炸彈是可以被Miner拆除的，只要在難度炸彈發生之前硬分叉出一條新鏈並修改難度炸彈發生的時間即可達到拆除效果，這對於Miner團體來說可能會有一些技術上的風險以及產生額外的資源消耗。而且在難度炸彈開始前的哪個區塊開始分叉？難度炸彈推遲到什麼時候？這些問題上可能會讓Miner們產生意見分歧無法統一戰線使得出現多種不同的以太坊POW分叉鏈。
雖然以太坊可能會出現多條不同的POW硬分叉，但是最關鍵需要解決的問題就是鏈上不可複制資產以及生態問題。以太坊上核心協議的開發團隊們大概率都會追隨POS信標鏈，留在分叉鏈上的基礎設施生態比如AAVE、MakerDAO等協議可能也會因為缺少POW鏈上預言機的運行變得無法正常運作，最終將會成為舊時代的產物變得毫無價值。要在POW分叉鏈上重建新的生態也是一件極其困難且高成本的事情，最終POW分叉鏈面臨的結局可能都會隨著時間而消亡成為人們心中的一道記憶。但一切皆有可能，以太坊硬分叉結局到底如何，讓我們拭目以待！
