RISC Zero 製品マトリックスの解読：イーサリアムがZK化の未来に向けてどのように支援されるか？

文:リンダベル

最近のDevcon会議で、Ethereum Foundationの中核メンバーであるJustin Drakeは、Beam Chain提案を発表しました。この提案では、zkSNARKとzkVM技術を使用して、Ethereumの合意層をアップグレードし、ネットワークの拡張性、セキュリティ、効率を向上させる計画です。このビジョンはzkVMの重要性を再び注目させました。zkVMは汎用のゼロ知識仮想マシンであり、複雑な計算をより柔軟かつ効率的に処理し、従来のスマートコントラクトロジックへの依存を克服します。

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、この領域のイノベーション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を使用して、Zeth、Kailua、Bonsaiなどの一連のオープンソースツールを開発しました。これにより、ブロックの検証とロールアップの性能が向上し、イーサリアムのZK化のアップグレードに技術的なサポートを提供しています。

RISC zkVMエコロジカル・プロダクト・マトリックス:コア・テクノロジーからシナリオ・アプリケーションまで

RISC Zeroは、RISC-V命令セットアーキテクチャに基づくzkVMの実装であり、汎用のゼロ知識計算プラットフォームとして、RustやC++などのさまざまな主要なプログラミング言語をサポートし、ほぼすべての計算タスクを実行することができます。他のゼロ知識技術プラットフォームと比較して、RISC Zeroのプルーフとヴァリデーターは完全にオープンソースであり、開発者はローカルでプルーフを生成および検証することができます。さらに、RISC Zeroのヴァリデーターはさまざまなプラットフォームと互換性があり、さまざまなブロックチェーンエコシステムに適合し、分散アプリケーションの開発プロセスを簡素化します。

2024年までに、RISC ZeroはzkVMのパフォーマンスとコストを20倍に向上させる予定です。これには、GPUへの完全なプルーフプロセスの移行（80%完了済み）、新しいRISC-V v2回路設計の導入、および再帰回路に対する専用の最適化などが含まれます。また、RISC Zeroは、RSA、Keccak、ECDSAなどのアルゴリズム向けのアクセラレーションモジュールを統合し、Ethereum関連のタスクや暗号操作のパフォーマンスを向上させる予定です。

zkVMのコア機能を中心に、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。たとえば、Bonsaiネットワークを介して証明サービスを提供し、開発者は専用ハードウェアなしでゼロ知識証明を生成することができます。また、Steelツールを使用して複雑なEVM計算をオフチェーン環境に移動し、結果の検証可能性を維持しながらオンチェーンの実行コストを削減することができます。さらに、Blobstream ZeroはCelestiaデータアベイラビリティレイヤーとのブリッジを介して、モジュラーブロックチェーンエコシステムでのデータ共有と検証の可能性をさらに拡大しています。

Zeth：イーサリアムブロック全体が正しく構築されていることを証明する

Zethは、RISC ZeroがzkVM技術をベースに開発したオープンソースのイーサリアムゼロ知識ブロック証明器であり、従来の検証者や同期委員会に頼ることなく、ゼロ知識証明によってイーサリアムブロックの有効性を検証することができます。RISC Zeroは、ZethをType-0 zkEVMと定義し、イーサリアムプロトコルに完全に準拠しており、コードの再利用によって開発効率を向上させています。

イーサリアムの共同創設者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。タイプ1は完全にイーサリアムと同等であることを目指しており、妥協することはありません。タイプ2はEVMと完全に同等であり、イーサリアムと完全に同等ではありません。タイプ3はEVMにほぼ同等であり、タイプ4は完全にイーサリアムと互換性がありません。

RISC Zero zkVMの高いパフォーマンスのおかげで、Zethは数分でEthereumブロックを検証できます。テストデータによると、Zethは1.1MHzの速度でブロック証明を生成し、GPUクラスターを「継続」機能で拡張して、速度を4.7MHzから6.3MHzに向上させることができます。このパフォーマンス最適化により、証明の生成コストが低下しました。テストによると、182件の取引を含むブロックの場合、生成コストはわずか21.72ドルであり、取引あたりのコストは約0.11ドルです。

同時、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であるrevm、ethers、alloyなどを十分に活用し、開発者がブロック証明機能を迅速に実装し、さまざまなシーンに適用できるようにしました。この設計により、開発者には柔軟性が提供され、ブロック構築ロジックを必要に応じて調整し、将来のEthereum改善提案に適応させることができます。

アプリケーションレベルでは、Zethはzkロールアップ、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ています。 従来のzkロールアップやzkEVMの構築には多くの時間と費用がかかるため、小規模なチームにとっては手ごわいものです。 一方、Zethはモジュール式のzkVMアーキテクチャに基づいているため、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はブロックの証明を迅速に実現し、ZK Rollupの開発期間を短縮し、資金投入を削減することができます。

軽量クライアント：ブロックを再構築することなくブロックの妥当性を検証し、実行コストを削減します。

クロスチェーンブリッジ：Zethは、ZKPを使用してクロスチェーンデータの正確性を検証することができ、チェーン上の機密情報を漏洩しないため、第三者への信頼依存を減らし、クロスチェーン攻撃のリスクを低減します。

今年5月、Zethは、イーサリアムメインネットから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し、チェーン上で検証することをサポートする拡張に成功しました。つまり、Zethを利用することで、Optimismはトランザクションを効率的に検証し、トランザクションの紛争を解決することができます。

Bonsai：開発者は自身のハードウェアを使用せずに証明を生成することを許可します

Bonsaiは、zkVMアプリケーションのためのリモートプルーフサービスであり、開発者は自身のハードウェアを使用せずに証明を生成することができます。これにより、チェーン上の計算リソースの制約と高コストのジレンマが解決されます。Bonsaiを使用すると、開発者は実行する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。このプロセスでは、開発者が追加のハードウェアをデプロイする必要はありません。さらに、Bonsaiは大量のGPUクラスタを活用し、複数の計算タスクを並列処理することができます。また、Bonsaiは使いやすいAPIとSDKインターフェースを提供し、開発者は既存のシステムに簡単に統合することができます。これにより、開発の難易度がさらに低くなります。

RISC Zeroは、このリモート認証サービスに基づいて、OAuth 2.0認証とZKPテクノロジーを組み合わせたオープンソースツールであるBonsaiPayをリリースし、ユーザーがGoogleアカウントを介してイーサリアム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。 たとえば、Alice が Bob に資金を送金する場合、Alice は Bonsai Pay を使用して Bob の Google メール アドレスと送金する金額を入力できます。 その後、Bob は Bonsai Pay にログインし、メール アドレスを入力して、Google アカウントを確認できます。 Bonsai Pay は OAuth 2.0 を使用して認証トークンを生成し、Bob が実際にメールボックスの所有者であることを証明します。 その後、 Bonsai Pay は構成証明サービスを Bonsai 呼び出して、Bob 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するゼロ知識証明を生成します。 スマートコントラクトが証明を検証すると、資金のロックを解除し、ボブのウォレットアドレスに送金します。

Bonsai Payは、ZKP技術を使用して、「Bob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」ことを検証し、Googleアカウントの具体的な情報を漏洩させることを避けました。

Bonsaiのもう1つの重要な応用は、Bonsai ZKコプロセッサ（ZK Co-processor）です。これは、ゼロ知識証明技術を使用して、複雑な計算タスクをチェーン外に移動し、結果の正確性を保証するために改ざんできない証明を生成します。同時に、Bonsaiコプロセッサの展開も非常に簡単で、開発者は単純なSolidityコントラクトを介してBonsaiを呼び出し、計算を実行し、結果を検証するためにzkVMアプリケーションを作成するだけです。このプロセス全体で、Bonsai証明サービスはチェーン外計算のゼロ知識証明を生成し、これらの証明はチェーン上で検証できます。

Bonsai ZK コプロセッサは、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最適です。 例えば、DAOのガバナンスでは、複雑な投票計算をオフチェーンでオフロードし、オンチェーンのガス料金を大幅に削減することができます。 Bonsai DAO Governor は、コプロセッサーを通じてチケットあたりのガス代を 50% 以上削減し、ガバナンスの効率を効果的に向上させ、参加の障壁を下げました。

Boundless: 検証可能なコンピューティング レイヤー

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、すべてのノードがすべての取引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」モードは安全性と一貫性を確保できますが、非常に高い計算コストがかかります。この問題を解決するために、RISC ZeroはBoundlessを導入し、単一のノードが計算を完了して検証可能なゼロ知識証明を生成し、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ます。計算を繰り返す必要はありません。

Boundlessは再帰的な組み合わせ技術によって検証プロセスを簡素化しています。複数の小さなゼロ知識証明を1つの全体的な証明に統合し、検証者は各段階の証明を個別に検証する必要がなく、総合的な証明のみを確認するだけで済みます。さらに、ゼロ知識証明の生成効率をさらに最適化するため、Boundlessには専用の暗号学的アクセラレーション回路が組み込まれており、ハッシュ計算、デジタル署名の検証などの一般的なタスクの効率を最適化しています。

また、開発者はBoundlessを使用する際に、ゼロ知識テクノロジーについて詳しく知る必要はありません。既存のプログラミング言語（RustやSolidityなど）を使用してアプリケーションを開発するだけです。現在、Boundlessは開発者に無料で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必要はありません。Boundlessの提供するプルービングサービスを利用して、任意のブロックチェーン上で素早くゼロ知識アプリケーションを構築および展開することができます。

Blobstream Zero：簡単化されたクロスチェーンデータ検証のzkVMのクロスチェーンブリッジ

Blobstream Zeroは、RISC ZeroとCelestiaが共同開発したzkVMベースの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ラー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指しています。Celestia上のデータを共有および検証することにより、Blobstream Zeroはチェーン間のデータ転送と検証をより便利に実現しています。

Blobstream Zeroは、完全にオープンソースのパブリックプロダクトであり、どんなプロジェクトや開発者も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ができます。さらに、Blobstream ZeroはZKコプロセッサをサポートすることもできます。ZKコプロセッサは本質的にオフチェーン計算ツールであり、信頼性のあるデータが計算を実行するために必要です。Blobstream ZeroはCelestiaなどのブロックチェーンからデータを取得し、そのデータが信頼できることを証明するためにZK証明を生成することができます。

Steel：チェーン下での実行とチェーン上での検証のためのスマートコントラクトの新しい範例

Steelは、RISC Zeroが開発したオープンソースのツールであり、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ています。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することができます。

従来のスマートコントラクトでは、すべてのロジックをチェーン上で完全に実行する必要があり、ガスコストが高くなるだけでなく、複雑なアプリケーションの開発も制限されています。しかし、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、この問題を解決しています。たとえば、単純なスマートコントラクトで、あるアカウントのERC20の残高が1より大きいかどうかを判断し、カウンタ変数を増やす場合、従来の方法ではチェーン上でロジックを完全に実行する必要がありますが、Steelでは計算をオフチェーンで完了し、ゼロ知識証明を生成し、チェーン上では証明を検証するだけで、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、すでにパートナーがこのツールを利用してアプリケーションを開発しています。例えば、40万回のSLOAD操作を処理する契約呼び出しで、Steelを使用して計算をチェーン外で実行し、その後、生成されたゼロ知識証明をチェーン上で検証します。証明生成コストは10ドル未満であり、チェーン上の検証コストは30万Gas未満です。

Kailua：Rollupアーキテクチャのイノベーションを推進するハイブリッドZKソリューション

Zethのリリースに続き、RISC ZeroはKailuaを発表し、オプティミズムRollupのハイブリッドZK Rollupアップグレードソリューションを提供します。従来のオプティミズムRollupは通常、7日間のチャレンジ期間が必要で、取引の最終性が遅いことがありますが、ZK Rollupは最終性を迅速に実現できますが、ゼロ知識証明の生成コストが高すぎます。 Kailuaは両方の利点を組み合わせ、ハイブリッドアーキテクチャを介してコストと効率のバランスを実現します。 Optimism Konaフレームワークの拡張として、Kailuaは変更されていないKonaがzkVM上で実行されるだけでなく、創造的な紛争解決メカニズムを導入し、ステーク要件を低減し、最終性の遅延を減らすことで、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、紛争解決メカニズムが新しいデザインで採用されています。まず、その紛争解決メカニズムは時間制限を取り消し、検証者がネットワークの中断などの特殊な状況に遭遇した場合でも証明を生成するための十分な時間を与え、システムの弾力性を高めています。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し、低コストで段階的に完全な検証のRollupモードに移行することができます。

ZK Rollupとは異なり、Kailuaの設計では証明を継続的に生成する必要がありません。低頻度の空のブロックまたは特別な契約要件を持つRollupについては、Kailuaがよりコスト効果の高い選択肢を提供します。同時に、KailuaはRollupのステーク要件を大幅に低減します。従来の楽観的なRollupのステーキング量は、より長い最終性サイクルに沿って線形に増加する一方、Kailuaの最適化された設計により、ステーキング要件が固定され、長期間でもより低コストでシステムの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化されています。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テストネットワークをデプロイし、迅速にZK証明をサポートするネットワークにアップグレードすることができます。Kailuaはまた、エラーステータスをzkVMでチャレンジすることによって検証者がどのようにエラーステータスを処理するかを理解するためのエラープロポーザルのシミュレーションもサポートしています。将来的には、Kailuaはコストとパフォーマンスをさらに最適化し、より多くのRollupフレームワークをサポートするように拡張されます。

概要

前のテキストからわかるように、RISC ZeroのzkVM製品ラインナップは、ゼロ知識証明技術のさまざまな領域での発展を推進しています。ZethとKailuaは、Rollupアーキテクチャの最適化に特化しており、ブロックの検証効率と紛争解決速度を向上させています。Bonsaiはリモートプルーフサービスを提供し、ハードウェアの依存性と実行コストを削減し、開発者がより効率的にアプリケーションを構築できるようにしています。Blobstream Zeroは効率的なクロスチェーンデータの検証を通じて、モジュラーなブロックチェーンエコシステムを信頼性のあるサポートに提供しています。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ガスコストを削減しています。

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の基盤技術を革新し続けています。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法を導入しました。この方法により、開発者はzkVM自体に組み込むことなく、プリコンパイルロジックをアプリケーションと一緒に展開できます。これにより、開発者はzkVMの変更や大幅な改善なしに新しいプリコンパイルロジックを追加し、パフォーマンスの最適化を実現できます。さらに、アプリケーション定義プリコンパイルを使用することで、証明生成の計算コストを削減することも可能です。たとえば、AutomataがRSAプリコンパイルを統合した場合、実行サイクルは3900万から21.7万に短縮され、コストは約180倍に削減されます。

zkVM技術の改善に伴い、その開発潜在能力は複数のアプリケーションシナリオで徐々に表れていくでしょう。しかし、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地展開に依存する必要があります。