Solana: Новая архитектура для высокопроизводительного блокчейна

Solana: A new architecture for a high performance blockchain

Oleh Anatoly Yakovenko · 2017

Abstract

This paper presents a new blockchain architecture based on Proof of History (PoH) — a proof for verifying order and passage of time between events. PoH is used to encode trustless passage of time into a ledger, creating a historical record that proves that an event occurred at a specific moment in time. When used alongside a Proof of Stake consensus algorithm, PoH can reduce messaging overhead in a Byzantine Fault Tolerant replicated state machine, resulting in sub-second finality times.

The key innovation is the construction of a verifiable delay function implemented as a sequential pre-image resistant hash chain. The PoH sequence continuously runs and outputs a cryptographic proof that some amount of time has elapsed between two events. Data can be inserted into the sequence by appending it to the state that is hashed, thereby creating a timestamp that guarantees the data existed before the next hash was generated. This mechanism establishes a globally available, non-interactive source of time that all participants can verify independently.

By providing a trusted clock before consensus, PoH dramatically reduces the communication complexity of agreement. Validators can verify the relative ordering of events and the passage of time between them without communicating with each other. This allows the system to choose a leader, have that leader sequence user messages, and have validators process those messages in the order dictated by the PoH sequence, all without the traditional overhead of two-phase commit or synchronous coordination. The result is a blockchain capable of processing hundreds of thousands of transactions per second on a standard gigabit network while preserving the decentralization and security guarantees expected of a permissionless system.

The architecture integrates PoH with a Tower BFT consensus mechanism, a data plane optimized for streaming (Turbine), a mempool-less transaction forwarding protocol (Gulf Stream), a parallel smart contract runtime (Sealevel), and a Proof of Replication scheme for distributed storage verification. Together these components form a system whose throughput scales naturally with improvements in hardware — faster processors generate more PoH hashes per second, faster GPUs verify more signatures, and higher-bandwidth networks carry more transaction data — allowing performance to track Moore's Law without protocol changes.

Abstract

В данной статье представлена новая архитектура высокопроизводительного блокчейна. Solana реализует новый механизм хронометража под названием Proof of History (PoH) -- доказательство для верификации порядка и хода времени между событиями. PoH используется для кодирования хода времени без необходимости доверия в леджере, создавая исторический реестр, доказывающий, что событие произошло в определённый момент времени.

Ключевая инновация заключается в том, что PoH позволяет узлам сети устанавливать временной порядок событий без необходимости взаимодействия друг с другом. Используя верифицируемую функцию задержки, реализованную в виде последовательной цепочки хешей, система генерирует криптографические часы, предоставляющие способ верификации хода времени между событиями. Это позволяет сети обрабатывать тысячи транзакций в секунду, сохраняя при этом децентрализацию и безопасность.

PoH интегрирован с механизмом консенсуса Proof of Stake (PoS). Такая комбинация обеспечивает высокооптимизированную архитектуру блокчейна, в которой валидаторы могут верифицировать транзакции параллельно и эффективно достигать консенсуса. Система спроектирована для масштабирования в соответствии с законом Мура, используя повышение производительности аппаратного обеспечения для увеличения пропускной способности без ущерба для гарантий безопасности децентрализованной сети.

Introduction

Blockchains are an implementation of fault tolerant replicated state machines. Currently available public blockchains do not rely on time, or make a weak assumption about the participants' abilities to keep time. Each node in the network typically maintains its own local clock without any guarantee that it is consistent with any other node in the network. The lack of a trusted source of time means that when a message timestamp is used to accept or reject a message, there is no guarantee that every other participant in the network will make the exact same choice. This limitation forces blockchain protocols into complex coordination patterns where nodes must exchange messages to agree on ordering.

The key observation driving Solana's design is that if a reliable source of time is available — a clock that all participants can verify without trusting each other — many of the fundamental scaling limitations of existing blockchains can be removed. In traditional consensus systems like PBFT or Tendermint, every validator must communicate with every other validator to agree on the order of transactions. This produces O(n^2) message complexity, which limits the practical network size and throughput. If ordering is established before consensus begins, validators only need to confirm that they have seen the same sequence, dramatically reducing the communication required.

Proof of History provides exactly this: a cryptographic clock that produces a verifiable record of time passage. PoH is implemented as a sequential computation — a SHA-256 hash chain where each output is used as the input for the next hash. Because SHA-256 is a pre-image resistant function, the only way to produce the output for a given position in the chain is to compute every intermediate hash from the starting point. This means the chain cannot be parallelized or shortcut, and the number of hashes between two events represents a provable lower bound on the real time that has elapsed between them.

The PoH generator runs continuously, producing hashes as fast as the hardware allows. When an event occurs (such as a transaction arriving), its data is mixed into the hash chain by including it as part of the next hash input. The resulting hash and the current counter value form a timestamp for that event. Any verifier can check that the event was incorporated at that specific position in the chain by recomputing the hashes from a known checkpoint. Because SHA-256 is cheap to verify in parallel but expensive to generate sequentially, a single PoH generator can timestamp events at the rate of a single core, while thousands of verifier cores can confirm those timestamps simultaneously.

This paper describes a new blockchain design that leverages PoH as a global clock, enabling a pipeline of optimizations: leader-based block production with predetermined schedules, streaming block propagation, GPU-accelerated signature verification, and parallel transaction execution. The net effect is a system that pushes the bottleneck from consensus messaging to raw hardware throughput — specifically, the bandwidth of the network connection and the speed of the PoH generator's CPU core.

Introduction

Фундаментальная проблема блокчейн-систем заключается в достижении высокой пропускной способности транзакций при сохранении децентрализации и безопасности. Текущие реализации блокчейнов ограничены механизмами консенсуса, которые требуют обширной коммуникации между узлами для согласования времени и порядка событий. Эти координационные накладные расходы создают узкое место, препятствующее масштабированию существующих блокчейнов для удовлетворения потребностей глобальных приложений.

Ключевая проблема — время. В распределённых системах узлы не могут полагаться на внешние часы, поскольку не могут доверять точности временных меток других узлов. Традиционные протоколы консенсуса блокчейна решают эту проблему путём обширной коммуникации узлов для согласования текущего состояния и порядка транзакций. Эти коммуникационные накладные расходы фундаментально ограничивают пропускную способность, так как сеть может обрабатывать транзакции лишь с той скоростью, с которой узлы достигают консенсуса по их порядку.

Solana представляет Proof of History как решение проблемы синхронизации. PoH обеспечивает криптографический способ доказательства того, что между событиями прошло определённое количество времени, без необходимости полагаться на временные метки от потенциально злонамеренных участников. Создавая верифицируемую историческую запись, PoH позволяет узлам обрабатывать транзакции независимо, при этом сохраняя возможность доказать порядок происхождения событий. Этот прорыв позволяет сети параллелизировать обработку транзакций и значительно увеличить пропускную способность.

Ключевое понимание состоит в том, что если мы создадим доверенный источник времени, не требующий доверия, мы сможем устранить координационное узкое место из консенсуса. При наличии криптографических часов PoH валидаторы могут обрабатывать транзакции параллельно и взаимодействовать только для определения канонического порядка. Это архитектурное изменение позволяет Solana достигать уровней производительности, ранее считавшихся невозможными в децентрализованном блокчейне.

Outline

The remainder of this paper is organized as follows. We first describe the Proof of History mechanism in detail, explaining its construction from sequential SHA-256 hashing and the properties that make it suitable as a verifiable delay function. We then describe how data is inserted into the PoH sequence and how the resulting timestamps can be verified efficiently.

Next, we present the network design of Solana, including the leader rotation mechanism, the data plane used for block-propagation/" class="glossary-link" data-slug="block-propagation" title="block propagation">block propagation, and the transaction forwarding protocol that eliminates the need for a traditional mempool. We explain how the predetermined leader schedule, made possible by PoH's trusted clock, enables clients to send transactions directly to the upcoming leader, reducing confirmation latency.

We then describe how Proof of History integrates with a Proof of Stake consensus algorithm. The consensus mechanism, bft/" class="glossary-link" data-slug="tower-bft" title="Tower BFT">Tower BFT, uses PoH as a cryptographic clock to implement time-based lockouts that grow exponentially with each consecutive vote. This design produces a system where the cost of reverting a confirmed block increases exponentially over time, providing practical finality within seconds.

The paper proceeds to describe Streaming Proof of Replication, a mechanism for validators to prove they are storing a copy of the ledger state. This component addresses data availability — the requirement that enough copies of the blockchain data exist across the network for any participant to reconstruct the full state.

Finally, we present the system architecture as an integrated pipeline. The Transaction Processing Unit (TPU) fetches transactions, verifies signatures on the GPU, executes transactions in parallel using the Sealevel runtime, and writes the results to the ledger. We present performance projections based on the computational limits of current hardware and demonstrate that the system can process over 710,000 transactions per second on a standard gigabit network, with this throughput scaling as hardware improves over time.

Throughout the paper, we compare our approach against existing designs where relevant. Traditional blockchains process transactions sequentially and reach consensus through all-to-all communication. Solana replaces these serial bottlenecks with a pipelined, parallelized architecture where the PoH sequence serves as the coordinating mechanism, allowing each component to operate at its maximum hardware-limited throughput.

Outline

В данной работе описывается техническая архитектура Solana с акцентом на то, как Proof of History обеспечивает высокопроизводительную работу блокчейна. Документ сначала объясняет сам механизм PoH — как последовательная хеш-цепочка создаёт верифицируемый временной порядок событий. Мы подробно описываем криптографические свойства, обеспечивающие безопасность PoH, и демонстрируем, как валидаторы могут эффективно проверять последовательность PoH.

Затем статья исследует интеграцию PoH с консенсусом Proof of Stake. Мы описываем Tower BFT — алгоритм PoS, специально разработанный для использования временных свойств PoH. Интеграция позволяет валидаторам голосовать за состояние реестра при определённых временных метках PoH, создавая механизм консенсуса, который является одновременно быстрым и безопасным. Мы также объясняем условия штрафов, предотвращающих злонамеренное поведение.

Далее мы представляем сетевой дизайн Solana и протоколы распространения данных. Протокол Gulf Stream обеспечивает пересылку транзакций без необходимости в мемпуле, позволяя клиентам отправлять транзакции непосредственно предстоящим лидерам. Мы описываем работу ротации лидеров и способы поддержания высокой пропускной способности сети при смене лидерства.

Наконец, мы обсуждаем архитектуру системы, включая Transaction Processing Unit (TPU), параллельную среду выполнения Sealevel и Proof of Replication для верификации хранения данных. Прогнозы производительности показывают, что Solana может обрабатывать более 700 000 транзакций в секунду в стандартной гигабитной сети, при этом пропускная способность масштабируется с улучшением оборудования.

Network Design

Solana's network operates on a rotating leader model where a single validator at a time is designated as the leader, responsible for producing the PoH sequence and ordering transactions into blocks. Validators are assigned leader slots according to a stake-weighted schedule that is derived deterministically from the PoH sequence itself. Because every validator can independently compute the same leader schedule from the same PoH state, the rotation is globally consistent without requiring any coordination messages.

Solana network design showing transaction flow through the leader validator to the rest of the network

A leader slot lasts for a fixed number of PoH ticks (currently configured at 800ms worth of hashes). During its slot, the leader ingests transactions from clients, orders them into the PoH stream, and produces a block that is streamed to the rest of the network. At the end of its slot, the next leader in the schedule takes over, continuing the PoH sequence from where the previous leader stopped. If a leader fails to produce a block during its slot — due to a crash, network partition, or malicious behavior — the slot is skipped and the next leader begins its rotation, with the gap in the PoH sequence serving as a verifiable record that time passed but no block was produced.

The data plane uses a protocol called Turbine, which is designed to maximize the use of network bandwidth while minimizing the data each individual validator must transmit. When a leader produces a block, it does not broadcast the entire block to every validator. Instead, the block is broken into small packets called shreds using Reed-Solomon erasure coding. The leader sends each shred to a different validator in a tree structure called a fanout tree. Each validator that receives a shred retransmits it to a fixed number of downstream validators in the tree, and those validators retransmit to their downstream neighbors, and so on. This creates a propagation pattern similar to BitTorrent, where the network's aggregate bandwidth is used to distribute the block rather than requiring the leader to have enough bandwidth to serve every validator directly.

Erasure coding is critical to Turbine's design. The leader encodes each block into data shreds and recovery shreds such that any sufficiently large subset of the total shreds is enough to reconstruct the full block. Even if some shreds are lost due to network failures or if some validators in the fanout tree fail to retransmit, the remaining validators can still recover the complete block from the shreds they did receive. This provides resilience against both random packet loss and targeted adversarial behavior.

Gulf Stream is Solana's transaction forwarding protocol, which eliminates the traditional mempool used by most blockchain networks. In a conventional blockchain, transactions are broadcast to the entire network and stored in each node's mempool until they are included in a block. This approach wastes bandwidth, as every transaction is transmitted to every node regardless of whether that node will process it. Gulf Stream instead forwards transactions directly to the expected leader. Because the leader schedule is known in advance (derived from the PoH state), clients and validators can determine which validator will be the leader for upcoming slots and forward transactions accordingly.

When a client submits a transaction, it includes a recent blockhash (a reference to a recent PoH checkpoint) that serves as a transaction lifetime marker. The transaction is valid only for a limited number of slots after the referenced blockhash. If the transaction is not processed within that window, it expires and the client must resubmit it with a more recent blockhash. This expiration mechanism prevents stale transactions from accumulating and allows validators to prune unprocessed transactions efficiently, keeping memory usage bounded without maintaining a global mempool.

The combination of known leader schedules, direct transaction forwarding, and transaction expiration means that by the time a validator becomes the leader, it already has most of the transactions it needs to build its block. There is no need to wait for mempool synchronization or to gossip unconfirmed transactions across the network. This design reduces confirmation latency because transactions arrive at the leader before it begins its slot, and it reduces network bandwidth consumption because transactions are forwarded along targeted paths rather than broadcast to all validators.

Network Design

Сетевой дизайн Solana основан на системе ротации лидеров, где валидаторы по очереди производят блоки. Лидер отвечает за упорядочивание входящих транзакций в поток PoH и публикацию результирующих блоков в сети. Лидеры выбираются с помощью алгоритма, взвешенного по стейку, а расписание ротации известно заранее, что позволяет сети оптимизировать пересылку транзакций.

Solana network design showing transaction flow through the leader validator to the rest of the network

Протокол Gulf Stream устраняет необходимость в традиционном мемпуле, позволяя клиентам пересылать транзакции непосредственно предстоящим лидерам. Когда клиент отправляет транзакцию, она пересылается ожидаемому лидеру на основе расписания ротации. Если текущий лидер не может обработать транзакцию, она пересылается следующему ожидаемому лидеру. Такой дизайн снижает задержку подтверждения и позволяет валидаторам выполнять транзакции заранее, дополнительно оптимизируя пропускную способность.

Распространение транзакций использует многоуровневый подход. Клиенты отправляют транзакции валидаторам, которые пересылают их текущему или предстоящему лидеру. Лидер упорядочивает транзакции в потоке PoH, создавая полный порядок. После упорядочивания лидер передаёт поток PoH и данные транзакций валидаторам, которые проверяют последовательность PoH и выполняют транзакции параллельно.

Сетевой дизайн также включает протокол распространения блоков Turbine, который разбивает блоки на более мелкие пакеты и распространяет их по сети в древовидной структуре. Этот подход минимизирует требования к пропускной способности для отдельных валидаторов, обеспечивая быстрое распространение блоков. В сочетании со способностью PoH верифицировать порядок транзакций эта архитектура позволяет Solana достигать высокой пропускной способности без ущерба для децентрализации.

Proof of History

Proof of History is a sequence of computations that provides a cryptographic way to verify the passage of time between two events. It uses a sequential pre-image resistant hash function — specifically SHA-256 — that is run continuously, with the previous output used as the next input. Periodically, the current count and hash output are recorded, and each recorded sample can be verified by an external computer in the time it takes to evaluate the hash function from the starting state to the recorded sample.

The construction is straightforward. Starting from some initial hash value hash_0, the PoH generator computes:

hash_1 = SHA256(hash_0)
hash_2 = SHA256(hash_1)
hash_3 = SHA256(hash_2)
...
hash_n = SHA256(hash_{n-1})

Proof of History sequence showing sequential SHA-256 hash outputs with counter values

Each hash in the sequence can only be computed after the previous one. Because SHA-256 is pre-image resistant, there is no known way to find hash_n without computing all intermediate hashes hash_1 through hash_{n-1}. This property means the sequence acts as a verifiable delay function (VDF): producing n hashes requires sequential work proportional to n, and no amount of parallel hardware can accelerate the computation. The elapsed wall-clock time to generate n hashes on a given processor provides a lower bound on the real time that passed during generation.

The critical asymmetry exploited by PoH is between generation and verification. While the hash chain must be generated sequentially on a single core, it can be verified in parallel by splitting it into segments. If a verifier receives the sequence along with checkpoints (hash value and counter pairs), it can divide the work among multiple cores. For example, given checkpoints at positions 0, 1000, 2000, and 3000, four cores can simultaneously verify the segments [0,1000], [1000,2000], [2000,3000] by each recomputing 1000 hashes and checking that the endpoint matches. This means verification is approximately c times faster than generation, where c is the number of cores available to the verifier.

Generation (sequential, single core):

  hash_0 → hash_1 → hash_2 → ... → hash_999 → hash_1000 → ... → hash_2000

Verification (parallel, multi-core):

  Core 1: hash_0    → ... → hash_999  ✓ matches checkpoint
  Core 2: hash_1000 → ... → hash_1999 ✓ matches checkpoint
  Core 3: hash_2000 → ... → hash_2999 ✓ matches checkpoint

Proof of History verification using multiple CPU cores to check hash chain segments in parallel

Inserting external data into the Proof of History hash sequence to create a verifiable timestamp

Proof of History input with a back reference ensuring consistency and causal ordering of events

Data can be inserted into the PoH sequence to create timestamps. When external data — such as a transaction hash, a photograph of a newspaper front page, or any arbitrary bytes — needs to be timestamped, it is appended to the current hash state and included in the next hash computation. For example, if the current state is hash_n and external data D arrives, the generator computes hash_{n+1} = SHA256(hash_n || SHA256(D)), where || denotes concatenation. The PoH record then includes the entry (n+1, D, hash_{n+1}), proving that data D existed before hash_{n+1} was computed and after hash_n was computed. The data insertion is irreversible: removing or altering D would change hash_{n+1} and every subsequent hash in the chain.

This data insertion mechanism provides a total ordering of events. If event A is inserted at position n and event B is inserted at position m where n m, then the hash chain proves that A was recorded before B. The number of hashes between positions n and m provides a lower bound on the time that elapsed between the two events. This ordering is non-interactive — any observer who has access to the hash chain can independently verify the ordering without communicating with the generator or any other observer.

The security of PoH rests on the pre-image resistance of SHA-256. An attacker who wants to forge a PoH sequence — inserting a different event at a given position while maintaining a valid hash chain — would need to recompute the entire chain from the point of forgery. Because the generator is running continuously at the maximum speed of a single core, the attacker's forged chain would always be behind the legitimate chain. To catch up, the attacker would need hardware that is faster than the generator's hardware on a single-core sequential SHA-256 computation, which is bounded by the laws of physics and the current state of semiconductor technology. This makes PoH manipulation economically and physically impractical for any reasonably provisioned generator.

Proof of History

Proof of History — это верифицируемая функция задержки, реализованная в виде последовательной хеш-цепочки с использованием SHA-256. Генератор PoH непрерывно вычисляет хеши SHA-256, используя каждый выход в качестве входа для следующего хеша. Это создаёт последовательную цепочку, где каждый хеш может быть вычислен только после предыдущего, устанавливая верифицируемый временной порядок. Вычислительные требования для генерации каждого хеша обеспечивают минимальную временную задержку между событиями.

Proof of History sequence showing sequential SHA-256 hash outputs with counter values

Ключевое свойство PoH заключается в том, что верификация обходится дёшево, а производство — дорого. Верификатор может проверить всю последовательность хешей параллельно, разделив её на сегменты и проверив каждый сегмент независимо, а затем убедившись, что сегменты правильно соединяются. Однако генерация должна быть последовательной — нет способа предсказать выход хеш-цепочки без фактического вычисления каждого промежуточного шага. Эта асимметрия между генерацией и верификацией делает PoH практичным.

Proof of History verification using multiple CPU cores to check hash chain segments in parallel

Внешние события и данные транзакций вставляются в последовательность PoH путём их смешивания с хеш-цепочкой. Когда поступает транзакция, её хеш комбинируется с текущим состоянием PoH, создавая запись, доказывающую существование транзакции в данной точке последовательности. Генератор PoH периодически фиксирует контрольные точки, публикуя текущее значение хеша вместе с количеством хешей, вычисленных с последней контрольной точки. Эти контрольные точки позволяют валидаторам эффективно проверять последовательность PoH без пересчёта каждого хеша.

Inserting external data into the Proof of History hash sequence to create a verifiable timestamp

Последовательность PoH служит криптографическими часами для всей сети. Поскольку хеш-цепочка является последовательной и верифицируемой, любой узел может доказать, что между двумя событиями прошло определённое количество времени, просто показав хеши, вычисленные за этот интервал. Это устраняет необходимость для узлов доверять внешним временным меткам или координироваться друг с другом для установления временного порядка, устраняя фундаментальное узкое место в традиционном консенсусе блокчейна.

Proof of History input with a back reference ensuring consistency and causal ordering of events

Proof of History Sequence

The Proof of History sequence is a continuous stream of hash computations that serves as the backbone of Solana's temporal ordering system. The sequence begins with an arbitrary seed value and proceeds indefinitely, with the generator computing SHA-256 hashes as fast as the underlying hardware allows. Alongside the hash values, the generator maintains a monotonically increasing counter that records the total number of hashes computed since the sequence began. This counter serves as the canonical "clock tick" for the network.

The PoH output is recorded as a series of entries, each containing the counter value, the hash output, and optionally any data that was mixed into the hash at that position. Not every hash is recorded — the generator may output entries at regular intervals (for example, every 800,000 hashes), producing checkpoints that divide the sequence into verifiable segments. Between checkpoints, the generator may also produce entries at irregular intervals whenever data is inserted into the sequence. The complete sequence of entries forms the PoH log, which serves as a verifiable timeline for all events on the network.

Two Proof of History generators synchronizing by inserting each other's output state for horizontal scaling

Multiple data items can be inserted at the same PoH index by hashing them together before mixing into the state. For example, if transactions Tx_1 and Tx_2 arrive simultaneously, the generator computes hash_{n+1} = SHA256(hash_n || SHA256(Tx_1) || SHA256(Tx_2)). The ordering within a single PoH index is determined by the generator (the leader), while the ordering between different PoH indices is determined by the hash chain. This two-level ordering scheme provides both fine-grained (intra-tick) and coarse-grained (inter-tick) temporal resolution.

Verification of the PoH sequence proceeds in two phases. In the first phase, a verifier checks the structural integrity of the hash chain by recomputing hashes between checkpoints and confirming that the computed output matches the recorded checkpoint value. This can be parallelized across multiple cores, with each core independently verifying one segment. In the second phase, the verifier checks that data insertions are correct by confirming that the hash at each insertion point correctly incorporates the declared data. Both phases can run simultaneously on different cores, making verification significantly faster than generation.

The PoH sequence also supports light proofs. A node that wants to prove that a specific event occurred at a specific position in the PoH sequence need not transmit the entire hash chain. Instead, it can provide the event data, the PoH hash at the insertion point, the hashes at the surrounding checkpoints, and a compact proof that the checkpoints are part of the canonical PoH sequence (confirmed by validator votes). The verifier can then check the segment containing the insertion point and confirm the event's position without processing the full sequence.

A critical design consideration is the speed of the PoH generator. The generator should use the fastest available single-core hardware for SHA-256 computation, because the rate of hash production determines the "tick rate" of the cryptographic clock. If an adversary has access to significantly faster hardware, they could generate an alternative PoH sequence faster than the legitimate generator, potentially creating a forged timeline. In practice, the fastest SHA-256 hardware available is commodity ASIC or high-end CPU hardware, and the difference in single-core performance between the fastest and second-fastest hardware is small — typically within a factor of two. This means an attacker's forged sequence would still fall behind the legitimate sequence as long as the legitimate generator starts first and the attacker cannot sustain twice the single-core hash rate indefinitely.

The PoH sequence naturally handles the passage of time during periods of inactivity. When no transactions are being submitted, the generator continues to compute hashes, producing "empty ticks" that advance the clock without recording any events. These empty ticks prove that time passed even when no activity occurred, which is important for features like transaction expiration and for distinguishing between a leader that produced an empty slot (because no transactions arrived) and a leader that failed to produce any output at all.

Proof of History Sequence

Последовательность Proof of History представляет собой непрерывную цепочку хешей SHA-256, где каждый хеш зависит от предыдущего выхода. Последовательность начинается с начального значения-зерна, которое хешируется для получения первого выхода. Этот выход становится входом для следующего хеша, и процесс повторяется бесконечно. Генератор также ведёт счётчик, отслеживающий общее количество вычисленных хешей, который служит «временной меткой» PoH для событий в реестре.

Two Proof of History generators synchronizing by inserting each other's output state for horizontal scaling

Когда данные необходимо вставить в последовательность (например, хеши транзакций или подписи валидаторов), они комбинируются с текущим состоянием хеша с использованием детерминированной функции смешивания. Например, если текущее состояние хеша — hash_n и мы хотим вставить данные D, мы вычисляем hash_{n+1} = SHA256(hash_n || D), где || обозначает конкатенацию. Точка вставки записывается вместе со значением счётчика, доказывая, что данные D существовали в этой конкретной точке последовательности.

Верификация последовательности PoH может быть распараллелена путём разделения цепочки на сегменты. Например, валидатор может получать контрольные точки PoH каждые 10 000 хешей. Для верификации последовательности между контрольными точками валидатор может разделить 10 000 хешей на 100 сегментов по 100 хешей, проверить каждый сегмент независимо и параллельно, а затем убедиться, что сегменты правильно соединяются. Это позволяет верификации горизонтально масштабироваться с количеством доступных ядер CPU.

Последовательность также поддерживает эффективные доказательства того, что два события произошли в определённом порядке. При наличии двух вставок данных при значениях счётчика n и m, где n m, любой может проверить, что событие при n произошло до события при m, проверив хеш-цепочку между этими точками. Это свойство позволяет Solana создавать верифицируемую историческую запись всех событий в сети без необходимости постоянного нахождения узлов в сети или доверия внешним источникам времени.

Timestamp

Each hash and counter published by the PoH generator represents a unique timestamp. This timestamp is a proof that the data was created before the hash was generated. The PoH sequence can be used to embed wall-clock time estimates that validators collectively agree upon, creating a bridge between the cryptographic clock and human-readable time.

The mechanism works as follows. Each PoH tick represents a cryptographic timestamp — a position in the hash chain that can be verified but that does not directly correspond to a wall-clock time. To establish a mapping between PoH ticks and real-world time, validators periodically submit signed observations of their local wall-clock time along with the current PoH tick count. These observations are recorded in the PoH stream. After collecting observations from a sufficient number of validators, the network can compute a bounded estimate of the real-world time at each PoH tick by taking the stake-weighted median of the reported times.

Validator Timestamp Observations:

PoH Tick 500000:
  Validator A (10% stake): 2017-11-15T12:00:00.000Z
  Validator B (15% stake): 2017-11-15T12:00:00.012Z
  Validator C (20% stake): 2017-11-15T12:00:00.005Z
  Validator D (5% stake):  2017-11-15T12:00:00.008Z

Stake-weighted median → 2017-11-15T12:00:00.006Z
Bound: ±20ms (based on PoH tick rate and observation spread)

The bound on the wall-clock estimate depends on two factors: the variance in network propagation delays (which affects when different validators observe the same PoH tick) and the granularity of the PoH clock (which depends on the hash rate of the generator). On a 4GHz processor computing approximately 4 million SHA-256 hashes per second, the PoH clock has a resolution of approximately 0.25 microseconds per tick. Network propagation delays are typically on the order of tens to hundreds of milliseconds, so the bound on wall-clock estimates is dominated by network latency rather than PoH resolution.

This timestamp mechanism is important for several protocol features. Transaction expiration relies on timestamps to determine when a transaction's referenced blockhash has become too old. Stake lockup periods use timestamps to determine when staked tokens can be withdrawn. Oracle integrations use timestamps to verify the freshness of external data feeds. And any on-chain program that needs to implement time-dependent logic — such as scheduled payments, time-locked contracts, or rate limiting — can use the PoH-derived timestamps as a trusted time source.

A critical security property of PoH timestamps is that they cannot be manipulated by a single malicious leader. A leader could attempt to assign incorrect wall-clock times to PoH ticks, but because the wall-clock estimates are computed from the stake-weighted median of multiple validators' observations, a single malicious validator (even one with significant stake) cannot significantly skew the median. To shift the median by more than the normal observation variance, an attacker would need to control a majority of the stake, which would compromise the security of the consensus mechanism itself and is therefore outside the threat model.

The PoH clock also provides a mechanism for detecting leaders that are running at an abnormal rate. If a leader is generating PoH hashes significantly faster or slower than expected (relative to the observed wall-clock rate of previous leaders), validators can detect this discrepancy and reject blocks from that leader. This prevents attacks where a malicious leader attempts to compress or extend time by manipulating the rate of PoH generation. The expected PoH rate is calibrated based on the observed performance of the network's hardware, and validators maintain a running estimate of the normal rate to detect anomalies.

Timestamp

Proof of History функционирует как децентрализованные часы, присваивающие временные метки событиям без зависимости от реального времени. Каждый хеш PoH представляет дискретный «тик» криптографических часов, а значение счётчика служит временной меткой. Поскольку хеш-цепочка является последовательной и верифицируемой, эти временные метки не требуют доверия — любой наблюдатель может проверить легитимность временной метки, проверив хеш-цепочку.

В Solana каждый валидатор может генерировать собственную последовательность PoH при работе в качестве лидера. При ротации лидерства валидаторы синхронизируют свои последовательности PoH, используя последнюю подтверждённую контрольную точку предыдущего лидера. Это обеспечивает непрерывность временной записи даже при смене валидаторов, производящих блоки. Сеть устанавливает каноническую временную линию путём достижения консенсуса о том, какие последовательности PoH принимать как часть официального реестра.

Система справляется с дрейфом часов и различиями в производительности оборудования посредством комбинации ротации лидеров и консенсуса. Если злонамеренный или неисправный лидер пытается генерировать временные метки PoH с неправильной скоростью (слишком быстро или слишком медленно), валидаторы могут обнаружить это, сравнив частоту тиков PoH со своими локальными генераторами PoH. Значительные отклонения от ожидаемой частоты указывают на проблему, и валидаторы могут отклонить блоки от лидеров, чьи последовательности PoH слишком сильно отклоняются от медианы сети.

Этот механизм временных меток решает одну из фундаментальных проблем распределённых систем: установление общего понятия времени без доверенного центрального органа. Используя PoH в качестве децентрализованных часов, Solana позволяет валидаторам обрабатывать транзакции параллельно, поддерживая глобально согласованный порядок. Временные метки также обеспечивают основу для функций, основанных на времени, таких как истечение срока транзакций, запланированные операции и измерение производительности.

Proof of Stake Consensus

Solana uses a Proof of Stake consensus mechanism called bft/" class="glossary-link" data-slug="tower-bft" title="Tower BFT">Tower BFT that is specifically designed to leverage the temporal guarantees provided by Proof of History. In Tower BFT, validators stake SOL tokens as collateral and vote on the validity of blocks produced by leaders. Validators earn rewards proportional to their stake for correctly participating in consensus, and they risk having their stake slashed if they violate the protocol rules. The stake-weighted voting ensures that the consensus decision reflects the economic interests of the network's stakeholders.

The fundamental innovation in Tower BFT is the use of PoH as a clock for implementing exponentially increasing lockout periods. When a validator votes on a block at a specific PoH slot, it commits to that fork of the ledger. Each consecutive vote on the same fork doubles the lockout period before the validator can switch to an alternative fork. Specifically, if a validator has made n consecutive votes on a particular fork, the lockout period before the oldest of those votes expires is 2^n PoH slots. This exponential growth means that after a modest number of consecutive votes (for example, 32), the lockout period becomes astronomically long — over 4 billion slots, which at typical slot times would take decades to expire.

Tower BFT Exponential Lockout:

Vote #  Lockout (slots)   Cumulative commitment
─────────────────────────────────────────────────
1       2                 Low — can switch forks quickly
2       4
3       8
4       16
5       32
...
12      4,096             Minutes of lockout
...
20      1,048,576         Hours of lockout
...
32      4,294,967,296     Effectively permanent (decades)

This lockout mechanism creates a natural finality gradient. A block that has received votes from validators representing a supermajority of stake, where those validators have many consecutive votes on the fork containing that block, is effectively finalized. Reverting such a block would require those validators to wait for their lockouts to expire — a period that grows exponentially and quickly becomes impractical. In practice, blocks achieve effective finality within seconds, as validators rapidly accumulate consecutive votes on the canonical fork.

The integration with PoH is what makes this lockout scheme practical. In traditional BFT systems, lockout periods would need to be measured in wall-clock time, which requires nodes to trust each other's clocks or engage in complex time-synchronization protocols. With PoH, lockout periods are measured in PoH slots — a verifiable, tamper-proof unit of time. Every validator can independently verify whether a given lockout has expired by checking the PoH sequence, without trusting any other node's clock. This eliminates the ambiguity that would otherwise make time-based lockouts vulnerable to manipulation.

Slashing is the mechanism by which validators are penalized for violating protocol rules. The primary slashable offense is equivocation: voting on two conflicting forks during a period when the validator should be locked out on one fork. If a validator votes on fork A and then votes on a conflicting fork B before their lockout on A expires, any observer who possesses both votes can construct a slashing proof. This proof demonstrates that the validator violated its lockout commitment, and the network can automatically destroy a portion of the validator's staked tokens as punishment. The economic cost of slashing makes equivocation irrational for any validator whose stake exceeds the potential profit from the attack.

Leader selection in Tower BFT is determined by the PoH sequence and the current stake distribution. The leader schedule is computed deterministically from a recent snapshot of the stake distribution and a seed derived from the PoH state. This computation is performed independently by every validator, and because both inputs (stake distribution and PoH state) are part of the consensus state, all honest validators arrive at the same leader schedule. The schedule is computed for upcoming epochs (periods of several hundred thousand slots), giving the network advance notice of which validator will lead each slot. This predictability enables the Gulf Stream transaction forwarding protocol and allows validators to prepare for their leadership slots in advance.

Validators that are not currently serving as leader participate in consensus by voting on blocks produced by the current leader. When a validator receives a block, it verifies the PoH sequence, executes the transactions in the block, and if everything is valid, casts a vote for that block by signing the block's hash along with the PoH slot number. These votes are themselves transactions that are submitted to the leader of the current slot for inclusion in the PoH stream. Once a block has received votes representing more than two-thirds of the total stake, it is considered confirmed and all validators can advance their local view of the finalized state.

Proof of Stake Consensus

Механизм консенсуса Solana, называемый Tower BFT, представляет собой алгоритм Proof of Stake, специально разработанный для использования временных свойств Proof of History. Валидаторы стейкают токены SOL для участия в консенсусе и получения вознаграждений за корректную валидацию блоков. Система голосования, взвешенная по стейку, гарантирует, что валидаторы с большей экономической заинтересованностью в сети имеют пропорционально большее влияние на решения консенсуса.

Ключевая инновация Tower BFT — использование периодов блокировки, экспоненциально возрастающих с каждым последовательным голосом. Когда валидатор голосует за хеш PoH, он берёт на себя обязательство по данному форку реестра на определённое количество тиков PoH. Если он голосует за следующий блок в том же форке, период блокировки удваивается. Это создаёт сильный экономический стимул для валидаторов продолжать голосовать за тот же форк, поскольку переключение на другой форк потребует ожидания истечения предыдущих блокировок.

Конкретно, если валидатор голосует за блок при временной метке PoH t, он не может голосовать за конфликтующий форк, пока не пройдёт 2^n тиков, где n — количество последовательных голосов на текущем форке. Этот механизм экспоненциальной блокировки делает систему устойчивой к атакам дальнего действия, одновременно обеспечивая быструю финализацию. Как только суперБольшинство стейка проголосовало за блок с достаточной глубиной, этот блок фактически финализирован.

Условия штрафования обеспечивают честное поведение. Если валидатор голосует за два конфликтующих форка в период, когда он должен быть заблокирован, он штрафуется — его застейканные токены частично уничтожаются и он исключается из набора валидаторов. Это делает экономически иррациональным попытки двойного голосования или иного византийского поведения. Сочетание верифицируемых временных меток PoH и экспоненциальных блокировок Tower BFT создаёт механизм консенсуса, который является одновременно быстрым и безопасным, достигая финализации за секунды при сохранении гарантий безопасности традиционных BFT-систем.

Streaming Proof of Replication

Proof of Replication (PoRep) addresses the data availability problem in blockchain systems: ensuring that sufficient copies of the ledger data exist across the network so that any participant can reconstruct the complete state. In many blockchain designs, there is no verifiable mechanism to ensure that validators are actually storing the data they claim to store. A validator might discard historical data after processing it, relying on other validators to maintain copies. If enough validators adopt this strategy, the network's data redundancy degrades and the ledger may become unrecoverable.

Solana implements a streaming version of PoRep that allows validators to continuously prove they are storing and replicating ledger segments. The approach is based on encrypting the ledger data with a validator-specific key and then proving that the encrypted data exists and is stored correctly. Because each validator's encrypted copy is unique (due to the validator-specific key), a validator cannot fake their storage proof by copying another validator's encrypted data.

The encryption process uses CBC (Cipher Block Chaining) mode, where each encrypted block depends on the plaintext of the current block and the ciphertext of the previous block. This chaining property is essential: to produce the encrypted version of block n, the validator must possess both the plaintext of block n and the ciphertext of block n-1. This means the validator cannot compute arbitrary encrypted blocks without having processed all preceding blocks, ensuring that the encrypted ledger is a faithful replica of the original data.

Sequential CBC encryption diagram showing chained block cipher used in Solana Proof of Replication

Fast Proof of Replication using Merkle hash tree for verifiable storage challenges

The validator-specific encryption key is derived from the validator's identity (their public key) and a PoH-derived seed that changes periodically. This periodic key rotation ensures that validators must re-encrypt their stored data at regular intervals, preventing them from performing the encryption once and then discarding the plaintext. The PoH seed for key derivation is chosen such that the encryption key for a given period cannot be known until that period begins, preventing validators from pre-computing encrypted data.

Storage challenges are issued through the PoH sequence. The network periodically selects random positions in the encrypted ledger and requests validators to provide the encrypted block at that position along with a Merkle proof demonstrating its position in the validator's encrypted ledger tree. Because the challenge positions are derived from the PoH state (which cannot be predicted in advance), validators cannot selectively store only the blocks that they expect to be challenged on. They must store the complete encrypted ledger to respond correctly to arbitrary challenges.

The verification of challenge responses is efficient. A verifier needs only the validator's public key, the PoH-derived encryption seed, the challenged position, and the Merkle root of the validator's encrypted ledger (which is published on-chain). The verifier computes the expected encryption key, checks that the provided encrypted block is consistent with the claimed plaintext at that position using CBC decryption, and verifies the Merkle proof against the published root. This entire verification can be done without accessing the validator's full encrypted ledger.

The streaming aspect of Solana's PoRep means that the encryption and proof generation happen continuously as new blocks are produced, rather than in discrete rounds. As the leader produces new blocks, validators encrypt them into their local PoRep store immediately. Challenge responses can be generated at any time by looking up the requested position in the local encrypted ledger and constructing a Merkle proof. This continuous operation ensures that proof of replication is always current and does not introduce latency spikes from periodic proof generation.

The combination of PoRep with PoH creates a complete accountability framework for data storage. PoH provides verifiable timestamps that record when data was created, and PoRep provides verifiable proofs that the data is being stored and replicated across the network. Together, they ensure that the blockchain's historical data remains available and intact, even if individual validators leave the network or attempt to discard data to reduce their storage costs.

Streaming Proof of Replication

Proof of Replication (PoRep) — это механизм, позволяющий валидаторам доказать, что они хранят данные реестра, не раскрывая сами данные и не требуя интенсивных вычислений. Solana реализует потоковую версию PoRep, где валидаторы непрерывно демонстрируют репликацию состояния блокчейна. Это необходимо для безопасности сети, так как обеспечивает правильное распределение данных реестра между валидаторами, а не их концентрацию в нескольких местах.

Механизм PoRep работает следующим образом: валидаторы шифруют сегменты реестра с использованием шифрования в режиме CBC (Cipher Block Chaining) с уникальным ключом валидатора, полученным из его идентификатора. Процесс шифрования таков, что каждый зашифрованный блок зависит от предыдущего, создавая цепочку, уникальную для каждого валидатора. Это предотвращает простое копирование зашифрованных данных между валидаторами — каждый валидатор должен хранить и обрабатывать исходные данные реестра для генерации своей уникальной зашифрованной версии.

Sequential CBC encryption diagram showing chained block cipher used in Solana Proof of Replication

Fast Proof of Replication using Merkle hash tree for verifiable storage challenges

Периодически сеть выдаёт задания валидаторам, требуя предоставить определённые зашифрованные блоки. Поскольку шифрование является цепочечным, валидатор должен хранить все предшествующие блоки для генерации правильного ответа. Валидатор предоставляет свой зашифрованный блок вместе с доказательством Меркла, показывающим его положение в зашифрованном реестре. Сеть может быстро проверить это доказательство без необходимости расшифровки или повторного шифрования данных.

Этот потоковый подход к PoRep имеет низкие накладные расходы по сравнению с традиционными системами доказательства хранения. Валидаторы могут шифровать данные по мере их поступления и отвечать на задания с минимальной задержкой. Система также обеспечивает восстановление в случае потери данных — если валидатор теряет часть реестра, он может загрузить её у других валидаторов и повторно зашифровать. Сочетание PoRep с временными метками PoH создаёт полную систему подотчётности, где сеть может проверить как время создания данных, так и их правильное хранение по всей сети валидаторов.

System Architecture

Solana's system architecture is organized as a multi-stage pipeline, analogous to the instruction pipeline in a modern CPU. Each stage of the pipeline performs a specific function, and multiple stages operate concurrently on different batches of transactions. This pipelining ensures that the hardware is utilized continuously — while one batch of transactions is being executed, the next batch is having its signatures verified, and the batch after that is being fetched from the network. The result is a system that achieves throughput limited by the slowest pipeline stage rather than the sum of all stage latencies.

Solana system architecture showing the Transaction Processing Unit pipeline from fetch to write

The Transaction Processing Unit (TPU) is the core component of the pipeline. It consists of four stages that process transactions sequentially within each stage but concurrently across stages:

Solana PoH generator network throughput limits showing bandwidth and processing constraints

The Fetch stage receives transaction packets from the network. Transactions arrive via UDP, and the fetch stage groups them into batches for the next pipeline stage. UDP is used instead of TCP because the overhead of TCP connection management and congestion control is unnecessary when transactions are small, independently verifiable, and can be safely dropped and retried. The fetch stage also performs basic structural validation, discarding malformed packets before they consume resources in later stages.

The SigVerify stage performs cryptographic signature verification on each transaction. Solana uses Ed25519 signatures, and this stage offloads the verification to GPUs using CUDA. A single modern GPU can verify over 900,000 Ed25519 signatures per second by executing thousands of verification operations in parallel across its CUDA cores. This is the key to removing signature verification as a bottleneck — while a single CPU core might verify only a few thousand signatures per second, a commodity GPU can handle nearly a million. The GPU receives a batch of transactions, verifies all signatures in parallel, and returns the results indicating which transactions have valid signatures.

The Banking stage is where transactions are actually executed against the current state of the ledger. This stage uses Sealevel, Solana's parallel smart contract runtime. Sealevel analyzes each transaction to determine which accounts it reads from and writes to. Transactions that access disjoint sets of accounts can be executed in parallel across multiple CPU cores, because they cannot interfere with each other. Transactions that access overlapping accounts are serialized to prevent race conditions.

Executing user-supplied BPF programs in Solana Sealevel runtime with shared intrinsic calls

This account-level parallelism is possible because Solana programs (smart contracts) must declare upfront which accounts they will access. The runtime uses this declaration to build a dependency graph and schedule non-conflicting transactions across available CPU cores. Programs are executed in a sandboxed BPF (Berkeley Packet Filter) virtual machine, which provides memory safety and deterministic execution. The BPF runtime also enforces compute budgets to prevent any single transaction from consuming excessive resources.

The Write stage commits the executed transactions to the ledger and integrates them into the PoH sequence. The leader's PoH generator incorporates the transaction results into the hash chain, producing a PoH entry that timestamps the batch of executed transactions. The entry, along with the transaction data and execution results, is then transmitted to other validators via the Turbine protocol and written to local persistent storage.

The Cloudbreak state storage system is designed to support the parallelism required by the rest of the pipeline. Traditional blockchain state storage uses a single key-value store (such as LevelDB or RocksDB) that serializes all read and write operations. Cloudbreak uses memory-mapped files and a concurrent data structure that allows multiple threads to read and write different accounts simultaneously. Accounts are stored in separate memory regions, so accessing one account does not block access to another. This architecture ensures that the state storage layer does not become a bottleneck even when thousands of transactions are being executed in parallel.

The overall system architecture also includes the Archiver network, which provides long-term decentralized storage for historical ledger data. Active validators need only maintain the recent state and a sliding window of recent blocks. Older blocks are offloaded to Archiver nodes, which prove they are storing the data using the Proof of Replication mechanism described earlier. This separation of concerns allows validators to operate with bounded storage requirements while ensuring that the full history of the ledger remains available to any participant who needs it.

System Architecture

Системная архитектура Solana спроектирована как конвейер, где различные стадии обработки транзакций выполняются параллельно. Transaction Processing Unit (TPU) — центральный компонент, отвечающий за обработку входящих транзакций. TPU состоит из нескольких стадий: fetch (сбор транзакций), верификация подписей, banking (выполнение транзакций) и write (запись в хранилище). Каждая стадия работает параллельно над разными транзакциями, аналогично конвейеру процессора.

Solana system architecture showing the Transaction Processing Unit pipeline from fetch to write

Верификация подписей ускоряется с помощью GPU, которые высокоэффективны в операциях криптографии на эллиптических кривых, необходимых для проверки подписей транзакций. Перенося эту вычислительно интенсивную задачу на GPU, Solana может проверять подписи со скоростью более 900 000 в секунду на стандартном оборудовании. Эта параллельная верификация подписей предотвращает превращение криптографической проверки в узкое место даже при очень высоких скоростях обработки транзакций.

Solana PoH generator network throughput limits showing bandwidth and processing constraints

Среда выполнения Sealevel — это параллельный движок исполнения смарт-контрактов Solana. В отличие от традиционных блокчейнов, выполняющих транзакции последовательно, Sealevel анализирует транзакции для определения используемых аккаунтов и выполняет неконфликтующие транзакции параллельно на нескольких ядрах CPU. Транзакции, обращающиеся к одним и тем же аккаунтам, выполняются последовательно для поддержания согласованности, но транзакции, обращающиеся к разным аккаунтам, могут выполняться одновременно. Этот параллелизм возможен благодаря глобальному порядку, установленному PoH — валидаторы могут выполнять транзакции в любом порядке, если применяют их к состоянию в последовательности, определённой PoH.

Executing user-supplied BPF programs in Solana Sealevel runtime with shared intrinsic calls

Архитектура также включает оптимизированные компоненты для распространения и хранения блоков. Протокол распространения блоков Turbine использует стирающее кодирование для разбиения блоков на более мелкие пакеты, распространяемые по сети в древовидной структуре, минимизируя требования к пропускной способности. Сеть Archivers обеспечивает децентрализованное хранение исторических данных реестра, используя PoRep для гарантии доступности данных. Вместе эти компоненты создают систему, способную обрабатывать сотни тысяч транзакций в секунду, сохраняя свойства децентрализации и безопасности блокчейна.

Performance

The theoretical throughput of the Solana architecture is determined by three potential bottlenecks: network bandwidth, signature verification rate, and transaction execution rate. The system is designed so that improvements in any of these dimensions directly increase throughput, with the overall rate limited by whichever bottleneck is currently the tightest.

On a standard 1 gigabit per second (Gbps) network connection, the maximum data throughput is approximately 125 megabytes per second. A typical Solana transaction is 250 bytes including the signature, account addresses, instruction data, and metadata. At 250 bytes per transaction, a 1 Gbps connection can carry approximately 500,000 transactions per second. With 10 Gbps networking (increasingly available in data centers), this number rises to approximately 5 million transactions per second. The Turbine block-propagation/" class="glossary-link" data-slug="block-propagation" title="block propagation">block propagation protocol ensures that the network's aggregate bandwidth is utilized efficiently, so the bottleneck is the leader's outbound bandwidth rather than the total network capacity.

Throughput Projections by Network Bandwidth:

Network    Bandwidth     Tx Size    Max Throughput
──────────────────────────────────────────────────
1 Gbps     125 MB/s      250 B      500,000 TPS
10 Gbps    1.25 GB/s     250 B      5,000,000 TPS
40 Gbps    5 GB/s        250 B      20,000,000 TPS

Signature verification, often the computational bottleneck in blockchain systems, is addressed through GPU parallelization. A single NVIDIA GTX 1080 Ti GPU can verify approximately 900,000 Ed25519 signatures per second. Higher-end GPUs and future hardware generations will increase this rate further. Because signature verification is embarrassingly parallel (each signature is independent), the verification rate scales linearly with the number of GPU cores. With multiple GPUs, a single node can verify millions of signatures per second, ensuring that cryptographic validation does not constrain the system.

The PoH generator runs on a dedicated CPU core, producing approximately 4 million SHA-256 hashes per second on a 4 GHz processor. This provides a clock resolution of 0.25 microseconds per tick, which is more than sufficient for ordering millions of transactions per second. The sequential nature of PoH generation means this component cannot be parallelized, but the hash rate is high enough that the PoH generator is not a bottleneck. As CPU clock speeds increase and SHA-256 instruction sets improve (Intel SHA Extensions, ARM Cryptography Extensions), the PoH tick rate will increase accordingly.

Transaction execution throughput depends on the complexity of the transactions and the degree of parallelism achievable. For simple value transfers that access only two accounts (sender and receiver), the execution rate is very high because most transfers involve different accounts and can be executed in parallel. For smart contract interactions that access shared state, parallelism is reduced and execution becomes the bottleneck. The Sealevel runtime is designed to maximize parallelism by executing non-conflicting transactions on different CPU cores, and modern server hardware with 32 or more cores provides substantial parallel execution capacity.

Pipeline Stage Throughput (approximate, current hardware):

Stage              Hardware         Throughput
─────────────────────────────────────────────────
Fetch              1 Gbps NIC       500,000 TPS
SigVerify          1x GTX 1080 Ti   900,000 SPS
Banking/Execute    32-core CPU      ~400,000 TPS (simple transfers)
PoH Generator      4 GHz core       4,000,000 hashes/sec
Write/Storage      NVMe SSD         ~1,000,000 IOPS

A critical property of Solana's performance model is that it scales with Moore's Law. As hardware improves across all dimensions — faster CPUs, more powerful GPUs, higher-bandwidth networks, faster storage — the system's throughput increases proportionally without requiring any changes to the protocol. This is a deliberate design choice that distinguishes Solana from blockchains whose throughput is limited by protocol-level constraints (such as fixed block sizes or fixed block intervals) that require governance decisions and hard forks to change. In Solana, the protocol automatically takes advantage of whatever hardware is available, meaning that the performance ceiling rises continuously as technology advances.

Latency is another critical performance dimension. The end-to-end latency from transaction submission to confirmation depends on several factors: network propagation time to the leader, the leader's slot length (currently approximately 400ms), the time for the block to propagate to validators via Turbine, and the time for validators to vote and reach confirmation (typically 1-2 additional slots). In total, a transaction submitted to the current leader can be confirmed in approximately 400ms to 800ms under normal conditions. This latency is orders of magnitude lower than proof-of-work blockchains (which require minutes) and comparable to or faster than most proof-of-stake systems.

Performance

Архитектура Solana разработана для достижения уровней производительности, масштабирующихся с улучшением оборудования в соответствии с законом Мура. При стандартном гигабитном сетевом подключении теоретическая максимальная пропускная способность составляет примерно 710 000 транзакций в секунду при размере транзакции 176 байт (включая подписи и метаданные). Этот расчёт основан на пропускной способности сети как основном узком месте, при этом вычислительные узкие места устранены посредством параллелизации.

Верификация подписей, часто являющаяся ограничивающим фактором производительности блокчейна, ускоряется с помощью параллелизации на GPU. Один GPU может проверять более 900 000 подписей ed25519 в секунду, что превышает предел пропускной способности сети. Это означает, что верификация подписей не ограничивает производительность системы — узкое место смещается к пропускной способности сети и выполнению транзакций. Для простых транзакций, только переводящих значение без сложной логики смарт-контрактов, стадия banking может обрабатывать транзакции со скоростью, соответствующей входной скорости сети.

Генератор PoH работает на выделенном ядре CPU, производя примерно 4 000 хешей в миллисекунду на процессоре 4 ГГц. При такой скорости последовательность PoH обеспечивает временные метки с точностью 0,25 микросекунды, что достаточно для упорядочивания миллионов транзакций в секунду. Последовательная природа генерации PoH означает, что этот компонент не может быть распараллелен, но пропускная способность достаточно высока, чтобы не ограничивать общую производительность системы.

По мере улучшения оборудования пропускная способность Solana масштабируется соответственно. Более быстрые сети, более мощные GPU и улучшенные CPU — всё это способствует увеличению скорости обработки транзакций. Система спроектирована для использования этих улучшений без необходимости изменения протокола. Этот подход к масштабированию контрастирует с блокчейнами, фундаментально ограниченными последовательными механизмами консенсуса, позволяя Solana достигать уровней производительности, ранее считавшихся невозможными в децентрализованной системе, при сохранении гарантий безопасности и децентрализации.

Conclusion

This paper has presented a new blockchain architecture built on Proof of History, a mechanism for creating a verifiable, trustless record of time passage using sequential SHA-256 hashing. By establishing a cryptographic clock before consensus, PoH removes the coordination bottleneck that limits the throughput of existing blockchain systems. Validators no longer need to communicate extensively to agree on the ordering of events — the PoH sequence provides a canonical timeline that all participants can verify independently.

The key insight underlying Solana's design is that time is the missing primitive in distributed systems. Traditional consensus protocols must solve two problems simultaneously: agreeing on what happened and agreeing on when it happened. By separating these concerns — using PoH to establish when and consensus to confirm what — the system reduces the complexity of consensus from a coordination-intensive process to a simple confirmation step. This separation enables a pipeline architecture where block production, propagation, signature verification, and transaction execution all happen concurrently, maximizing hardware utilization.

The integration of PoH with the other components of the architecture produces a system with several distinctive properties. bft/" class="glossary-link" data-slug="tower-bft" title="Tower BFT">Tower BFT provides fast finality through exponentially increasing lockouts anchored to verifiable PoH timestamps. Gulf Stream eliminates the mempool by leveraging the predictable leader-schedule/" class="glossary-link" data-slug="leader-schedule" title="leader schedule">leader schedule that PoH enables. Turbine uses erasure coding and tree-structured propagation to distribute blocks efficiently. Sealevel executes non-conflicting transactions in parallel across multiple CPU cores. And Streaming Proof of Replication ensures that the ledger data is properly stored and replicated across the network.

The performance characteristics of this architecture are fundamentally different from those of previous blockchain designs. Instead of being limited by protocol-level constraints — fixed block sizes, fixed block intervals, sequential execution — Solana's throughput is limited only by the hardware available to validators. On current commodity hardware, the system can process hundreds of thousands of transactions per second with sub-second confirmation times. As hardware continues to improve following Moore's Law, these numbers will increase without requiring protocol changes or governance decisions.

The implications for blockchain adoption are significant. Many applications that require high throughput and low latency — decentralized exchanges, payment systems, gaming platforms, social networks, and Internet-of-Things data processing — have been unable to build on existing blockchain infrastructure due to performance limitations. Solana's architecture demonstrates that it is possible to build a blockchain that achieves performance levels comparable to centralized systems while maintaining the decentralization, security, and censorship resistance that make blockchains valuable. Proof of History provides the foundation for a new generation of decentralized applications that can operate at the scale demanded by global adoption.

Conclusion

Proof of History представляет собой фундаментальный прорыв в архитектуре блокчейна, решая проблему синхронизации, которая ограничивала масштабируемость распределённых реестров. Создавая верифицируемые криптографические часы, PoH позволяет валидаторам устанавливать временной порядок событий без обширных коммуникационных накладных расходов, требуемых традиционными механизмами консенсуса. Эта инновация устраняет критическое узкое место и позволяет параллелизировать обработку транзакций по всей сети.

Интеграция PoH с оптимизированными системными компонентами — верификацией подписей с ускорением на GPU, параллельным выполнением транзакций через Sealevel и эффективными протоколами распространения блоков — создаёт блокчейн, способный обрабатывать сотни тысяч транзакций в секунду на стандартном оборудовании. Важнее всего то, что архитектура спроектирована для масштабирования с улучшением оборудования, что означает продолжение роста производительности по мере ускорения процессоров и повышения возможностей сетей.

Дизайн Solana демонстрирует, что высокая производительность и децентрализация не являются взаимоисключающими. Используя PoH в качестве основы для консенсуса и координации системы, сеть достигает уровней пропускной способности, сопоставимых с централизованными базами данных, сохраняя при этом свойства безопасности и устойчивости к цензуре децентрализованного блокчейна. Механизм консенсуса Tower BFT, взвешенный по стейку, обеспечивает безопасность сети от византийских участников при достижении быстрой финализации.

Реализация этой архитектуры обеспечивает практический путь к глобальному принятию технологии блокчейн. Приложения, требующие высокой пропускной способности транзакций — такие как децентрализованные биржи, игровые платформы и финансовые системы — теперь могут быть построены на по-настоящему децентрализованной инфраструктуре без компромиссов в производительности. Proof of History открывает дверь новому поколению блокчейн-приложений, ранее невозможных из-за ограничений масштабируемости.