著：LINDABELL

最近のDevcon会議で、Ethereum財団の核心メンバーであるJustin DrakeはBeam Chain提案を提出し、zkSNARKとzkVM技術を通じてEthereumのコンセンサスレイヤーをアップグレードし、ネットワークのスケーラビリティ、安全性、効率を向上させる計画を発表しました。このビジョンはzkVMの重要性を再び注目させています。普遍的なゼロ知識仮想マシンとして、zkVMはより柔軟で効率的な方法で複雑な計算を処理し、従来のスマートコントラクトロジックへの依存から解放されます。

このトレンドの推進により、RISC Zero、Succinct、Cysicなどのプロジェクトは、この分野の革新を推進する重要な参加者と見なされています。その中で、RISC ZeroはRISC-Vアーキテクチャに基づいたzkVMを活用し、Zeth、Kailua、Bonsaiなどの一連のオープンソースツールを開発し、ブロック検証とRollupの性能を向上させるだけでなく、EthereumのZK化アップグレードに技術的サポートを提供しています。

RISC zkVMエコシステム製品マトリックス：コア技術からシナリオアプリケーション

RISC ZeroはRISC-V命令セットアーキテクチャに基づいたzkVM実装であり、汎用のゼロ知識計算プラットフォームとして、RustやC++などの多くの主流プログラミング言語をサポートし、ほぼ任意の計算タスクを実行できます。他のゼロ知識技術プラットフォームと比較して、RISC Zeroの証明者と検証者は完全にオープンソースであり、開発者はローカルで証明を生成および検証できます。さらに、RISC Zeroの検証者はさまざまなプラットフォームに対応し、異なるブロックチェーンエコシステムに適応し、分散アプリケーションの開発プロセスを簡素化します。

今年の6月、RISC ZeroはzkVM 1.0をリリースしました。zkVM 1.0は、さまざまな言語や複雑な計算タスクをサポートするだけでなく、Continuations技術を利用して大規模な計算を複数の小さなセグメントに分割し、高効率の並行計算と検証を実現します。ロードマップによると、RISC Zeroは2024年末までにzkVMの性能とコストを20倍向上させる予定で、最適化内容には証明プロセスを完全にGPUに移行すること（80％完了）、新型RISC-V v2回路設計の導入、再帰回路に対する特別な最適化などが含まれています。同時に、RISC ZeroはRSA、Keccak、ECDSAなどのアルゴリズムに対する加速モジュールの統合を進めており、Ethereum関連のタスクや暗号操作の性能向上を図っています。

zkVMのコア能力を中心に、RISC Zeroは一連のオープンソースツールと製品を開発しました。例えば、Bonsaiネットワークを通じて証明サービスを提供することで、開発者は専用ハードウェアなしでゼロ知識証明を生成できます。Steelツールを使用することで、複雑なEVM計算をオフチェーン環境で実行し、結果を検証可能に保ちながら、オンチェーン実行コストを削減します。Blobstream Zeroは、Celestiaデータ可用性層をブリッジすることにより、モジュール式ブロックチェーンエコシステム内でのデータ共有と検証にさらなる可能性を提供します。

Zeth：Ethereumブロック全体が正しく構築されていることを証明

ZethはRISC ZeroがそのzkVM技術に基づいて開発したオープンソースのEthereumゼロ知識ブロック証明器で、ゼロ知識証明を通じてEthereumブロックの有効性を検証でき、従来の検証者や同期委員会に依存することなく実現します。RISC ZeroはZethをType-0 zkEVMと定義し、Ethereumプロトコルと完全に互換性があり、コードの再利用を通じて開発効率を向上させています。

Ethereum共同創設者Vitalik Buterinは、「Different types of zk-EVMs」という記事でzkEVMを4つのタイプに分類しました。その中で、Type-1はEthereumと完全に妥協のない等価性を追求し、Type-2はEVMと完全に等価ですがEthereumとは完全には等価ではありません。Type-3はEVMにほぼ等しいですが、Type-4は完全にEthereumと互換性がありません。

RISC Zero zkVMの高性能のおかげで、Zethは数分でEthereumブロックの検証を完了できます。テストデータによると、Zethは1.1 MHzの速度でブロック証明を生成し、「続行（continuations）」機能を利用してGPUクラスターを拡張し、速度を4.7 MHzから6.3 MHzに引き上げることができます。この性能最適化は、証明生成のコストも削減します。テストによると、182件のトランザクションを含むブロックの証明生成コストはわずか21.72ドルで、トランザクションごとのコストは約0.11ドルです。

同時に、Zethの開発プロセスで、RISC ZeroチームはRustエコシステムのコンポーネント（revm、ethers、alloyなど）を最大限に活用し、開発者が迅速にブロック証明機能を実現し、さまざまなシナリオに適用できるようにしました。この設計は、開発者に柔軟性を提供し、必要に応じてブロック構築ロジックを調整し、将来のEthereum改善提案に適応できるようにします。

アプリケーションの観点から、Zethはzk Rollup、ライトクライアント、クロスチェーンブリッジに効率的なソリューションを提供します。従来のzk RollupやzkEVMの構築には多くの時間と資金が必要であり、小規模なチームは手をこまねくことになります。一方、ZethはモジュラーなzkVMアーキテクチャに基づいており、開発者はブロック検証ロジックを簡単にカスタマイズできます。例えば：

  • zk Rollup：Zethは迅速にブロック証明を実現し、ZK Rollupの開発サイクルを短縮し、資金投入を削減できます。

  • ライトクライアント：ブロックを再構築することなく、ブロックの有効性を検証し、運用コストを削減します。

  • クロスチェーンブリッジ：ZethはZKPを使用して、チェーン上の機密情報を漏洩することなく、クロスチェーンデータの正確性を検証できます。これにより、第三者への信頼依存が減少し、クロスチェーン攻撃のリスクが軽減されます。

今年の5月、ZethはEthereumメインネットからOptimismのブロックデータを抽出し、ZKPを生成してブロックの正確性を検証することに成功し、オンチェーンでの検証もサポートしました。つまり、Zethを利用することで、Optimismは取引をより効率的に検証し、取引の争議を解決できます。

Bonsai：開発者が自分のハードウェアを使用せずに証明を生成できるようにする

BonsaiはzkVMアプリケーション用に設計された遠隔証明サービスであり、開発者が自分のハードウェアを使用せずに証明を生成できるようにします。これにより、オンチェーン計算リソースの制約と高コストの矛盾を解決します。Bonsaiを使用することで、開発者は実行する必要のあるzkVMアプリケーションと入力データを定義するだけで、Bonsaiがバックグラウンドで計算を実行し、対応するゼロ知識証明を生成します。このプロセスは、開発者が追加のハードウェアデバイスを展開することなく完全に実行されます。また、Bonsaiは大量のGPUクラスターを利用し、複数の計算タスクを並行処理することをサポートします。さらに、Bonsaiはシンプルで使いやすいAPIとSDKインターフェースを提供し、開発者が既存のシステムに簡単に統合できるようにし、開発の難易度をさらに下げています。

この遠隔証明サービスに基づいて、RISC ZeroはオープンソースツールBonsai Payを発表しました。OAuth2.0認証とZKP技術を組み合わせ、ユーザーがGoogleアカウントを使用してEthereumネットワーク上でトークンを送受信できるようにします。例えば、アリスがボブに資金を送金したい場合、アリスはBonsai Payを使用してボブのGoogleメールアドレスと送金額を入力できます。その後、ボブはBonsai Payにログインし、メールアドレスを入力してGoogleアカウントの認証を行います。Bonsai PayはOAuth 2.0を使用して承認トークンを生成し、ボブがそのメールアドレスの所有者であることを証明します。その後、Bonsai PayはBonsai証明サービスを呼び出し、ゼロ知識証明を生成して、ボブのGoogleアカウントがウォレットアドレスに関連付けられていることを証明します。スマートコントラクトが証明を検証すると、資金が解除され、ボブのウォレットアドレスに送金されます。

このプロセス全体で、Bonsai PayはZKP技術を通じて「ボブのGoogleアカウントとウォレットアドレスが関連付けられている」という事実を検証し、Googleアカウントの具体的な情報を漏洩することを回避しました。

Bonsaiのもう一つの重要なアプリケーションはBonsai ZKコプロセッサー（ZK Co-processor）です。これはゼロ知識証明技術を通じて、複雑な計算タスクをオンチェーンからオフチェーンに移転し、結果の正確性を確保するために改ざん不可能な証明を生成します。同時に、Bonsaiコプロセッサーの展開も非常に簡単で、開発者はロジックを処理するためにzkVMアプリケーションを記述し、シンプルなSolidity契約を通じてBonsaiを呼び出して、計算を実行し、結果を検証します。このプロセス全体で、Bonsai証明サービスがオフチェーン計算のゼロ知識証明を生成し、これらの証明はオンチェーンで検証できます。

Bonsai ZKコプロセッサーは高性能と低コストを必要とするオンチェーンアプリケーションに適しています。例えば、DAOガバナンスでは、複雑な投票計算をオフチェーンに移行し、オンチェーンのガス料金を大幅に削減できます。Bonsai DAO Governorはコプロセッサーを通じて各票のガスコストを50％以上削減し、ガバナンス効率を向上させ、参加のハードルを下げます。

Boundless：検証可能な計算層

従来のブロックチェーンアーキテクチャでは、取引の有効性を確保するために、すべてのノードが各取引のすべての計算を繰り返し実行する必要があります。この「グローバル再実行」モデルは安全性と一貫性を保証できますが、非常に高い計算コストをもたらします。この問題を解決するために、RISC ZeroはBoundlessを発表し、単一のノードが計算を完了した後に検証可能なゼロ知識証明を生成できるようにしました。他のノードはその証明を検証するだけで結果を確認でき、計算を再実行する必要はありません。

Boundlessは再帰的組み合わせ技術を使用して検証プロセスを簡素化しました。複数の小さなゼロ知識証明を1つの全体証明に統合し、検証者はすべてのステージの証明を一つ一つ検証するのではなく、1つの総証明を検証するだけで済みます。ゼロ知識証明の生成効率をさらに最適化するために、Boundlessは専用の暗号学的加速回路を内蔵し、ハッシュ計算やデジタル署名検証などの一般的なタスクの効率を最適化しました。

さらに、開発者はBoundlessを使用する際にゼロ知識技術を深く理解する必要はなく、慣れ親しんだプログラミング言語（RustやSolidityなど）でアプリケーションを記述するだけで済みます。現在、Boundlessは開発者に無料アクセスを提供しています。開発者は既存のシステムを移行したり、検証契約を更新したりすることなく、Boundlessが提供する証明サービスを利用して、任意のブロックチェーン上で迅速にゼロ知識アプリケーションを構築および展開できます。

Blobstream Zero：クロスチェーンデータ検証を簡素化するzkVMのクロスチェーンブリッジ

Blobstream ZeroはRISC ZeroとCelestiaが共同で発表したzkVMに基づくクロスチェーンブリッジで、Celestiaのデータ可用性層を既存のモジュール式ブロックチェーンエコシステムにシームレスに接続することを目的としています。Celestia上のデータを共有および検証することにより、Blobstream Zeroはチェーン間でのより便利なデータ転送と検証を実現しました。

完全オープンソースの公共製品として、Blobstream Zeroは任意のプロジェクトまたは開発者がローカルインスタンスを実行し、ゼロ知識証明を生成することを可能にします。さらに、Blobstream ZeroはZKコプロセッサーをサポートすることもできます。ZKコプロセッサーは本質的にオフチェーン計算ツールであり、計算を実行するためには信頼できるデータが必要です。Blobstream ZeroはCelestiaなどのブロックチェーンからデータを取得し、ZK証明を生成することで、転送されたデータが信頼できることを証明できます。

Steel：オフチェーン実行とオンチェーン検証の新しいスマートコントラクトのパラダイム

SteelはRISC Zeroが提供するオープンソースツールで、zkVM技術を利用してオフチェーンで検証可能なスマートコントラクトの実行を実現します。Steelを使用することで、開発者はEVM操作をオンチェーンからオフチェーンに移動し、同時にゼロ知識証明を生成して計算結果の真実性と検証可能性を確保できます。

従来のスマートコントラクトは、すべてのロジックをオンチェーンで完全に実行する必要があり、ガスコストが高く、複雑なアプリケーションの開発を制限します。一方、Steelのオフチェーン計算とオンチェーン検証メカニズムはこの問題を解決します。例えば、シンプルなスマートコントラクトで、特定のアカウントのERC20残高が1を超えているかどうかを判断し、カウンタ変数をインクリメントする場合、従来の方法ではオンチェーンでロジックを完全に実行する必要がありますが、Steelではオフチェーンで計算を完了し、ゼロ知識証明を生成し、オンチェーンでは証明を検証するだけで済みます。契約ロジックを繰り返し実行する必要はありません。

現在、RISC ZeroはSteel 1.0をリリースしており、すでにパートナーがこのツールを使用してアプリケーションを開発しました。例えば、約40万回のSLOAD操作を処理する契約呼び出しでは、Steelを使用して計算をオフチェーンで実行し、その後オンチェーンで生成されたゼロ知識証明を検証しました。証明生成コストは10ドル未満で、オンチェーン検証コストは30万Gas未満です。

Kailua：Rollupアーキテクチャの革新を推進するハイブリッドZKソリューション

Zethをリリースした後、RISC ZeroはKailuaを発表し、楽観的Rollupに対してハイブリッドZK Rollupのアップグレードソリューションを提供しました。従来の楽観的Rollupは通常7日間の挑戦期間が必要で、取引の最終性が遅くなりますが、ZK Rollupは迅速に最終性を実現できるものの、継続的にゼロ知識証明を生成するコストが高すぎます。Kailuaは両者の利点を組み合わせ、混合アーキテクチャを通じてコストと効率のバランスを実現しました。Optimism Konaフレームワークの拡張として、Kailuaは未修正のKonaがzkVM上で実行されることをサポートするだけでなく、革新的な争議解決メカニズムを導入し、質権要求を低減し、最終性の遅延を減少させることで、システムの効率と可用性を向上させます。

Kailuaのアーキテクチャでは、争議メカニズムが全く新しい設計を採用しています。まず、争議解決メカニズムは時間制限を廃止し、検証者がネットワークの中断などの特別な状況に直面した場合に、証明を生成するための十分な時間を持てるようにして、システムの弾力性を強化しました。極端な状況でも、RISC Zero zkVMの拡張アーキテクチャは1時間以内に証明を完了できます。さらに、Kailuaのオンデマンド検証機能により、開発者は検証頻度を柔軟に設定でき、低コストで完全検証のRollupモデルに段階的に移行できます。

ZK Rollupとは異なり、Kailuaの設計は継続的に証明を生成する必要がありません。低頻度の空ブロックや特別な契約ニーズを持つRollupに対して、Kailuaはよりコスト効率の良い選択肢を提供します。さらに、KailuaはRollupの質権コスト要件を大幅に削減します。従来の楽観的Rollupでは、質権の量は長い最終性サイクルに従って線形に増加しますが、Kailuaの最適化設計により、質権の要件が固定化され、システムは長サイクルでもより低コストで安全性と活性を維持できます。

現在、Kailuaは完全にオープンソースです。開発者はそのコマンドラインツールを使用してローカルのOptimismテストネットをデプロイし、ZK障害証明をサポートするネットワークに迅速にアップグレードできます。Kailuaは障害提案のシミュレーションもサポートしており、開発者が検証者がどのようにzkVMを通じて誤った状態に挑戦するかを理解し、その争議解決メカニズムを深く理解するのに役立ちます。将来的には、Kailuaはコストと性能のさらなる最適化を行い、より多くのRollupフレームワークのサポートを拡張する予定です。

要約

上記のように、RISC ZeroのzkVM製品マトリックスは、さまざまな分野でのゼロ知識証明技術の発展を促進しています。ZethとKailuaはRollupアーキテクチャの最適化に重点を置き、ブロック検証の効率と争議解決の速度を向上させました。Bonsaiは遠隔証明サービスを提供し、ハードウェア依存性と運用コストを削減し、開発者がアプリケーションをより効率的に構築できるようにします。Blobstream Zeroはクロスチェーンデータを効率的に検証することにより、モジュラーなブロックチェーンエコシステムに信頼できるサポートを提供します。さらに、Steelはオフチェーン計算とオンチェーン検証のモデルを通じて、スマートコントラクトの実行にかかるガスコストを削減しました。

もちろん、zkVM製品マトリックスを継続的に改善する一方で、RISC ZeroはzkVMの基盤技術の革新を推進しています。最近、RISC Zero zkVMは1.2バージョンをリリースし、新しいプリコンパイル方式を導入し、開発者がプリコンパイルロジックをアプリケーションと一緒にデプロイできるようにしました。これにより、開発者は新しいプリコンパイルロジックを追加でき、オンチェーン検証契約を変更したり、証明者の設定を調整したり、zkVMをフォークしたり大幅に変更することなく性能の最適化を実現できます。さらに、アプリケーションが定義したプリコンパイルを通じて、証明生成の計算コストを削減できます。例えば、AutomataがRSAプリコンパイルを統合した後、実行サイクルを3900万から21.7万に削減し、コストを約180倍削減しました。

zkVM技術の継続的な最適化に伴い、その発展の潜在能力はさまざまなアプリケーションシナリオで徐々に発揮されるでしょうが、これらの潜在能力をより良く引き出すには、エコシステムの協力と技術の実績が必要です。