先日のDevconカンファレンスでは、イーサリアム財団のコアメンバーであるジャスティン・ドレイク氏が、zkSNARKとzkVM技術を通じてイーサリアム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、セキュリティ、効率を向上させることを目的としたビームチェーンの提案を紹介しました。このビジョンにより、zkVMの重要性に改めて注目が集まっています。zkVMは、汎用のゼロ知識仮想マシンとして、従来のスマートコントラクトロジックへの依存を排除しながら、複雑な計算をより柔軟かつ効率的な方法で処理できます。

このトレンドによって推進され、 RISC Zero、Succinct、Cysicなどのプロジェクトがこの分野での革新を推進する重要なプレイヤーと見なされています。中でも、RISC Zeroは、RISC-Vアーキテクチャに基づくzkVMをベースにした一連のオープンソースツール、Zeth、Kailua、Bonsaiを開発しています。これらのツールは、ブロックチェーンの検証とロールアップのパフォーマンスを改善するだけでなく、EthereumのZKアップグレードの技術的なサポートも提供しています。

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実装です。一般的な汎用ゼロ知識計算プラットフォームとして、RustやC++などの多数の主流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のプルーバー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書を生成および検証できます。さらに、RISC Zeroの検証者は複数のプラットフォームに対応しており、さまざまなブロックチェーンエコシステムに適応し、分散型アプリケーションの開発プロセスを簡素化します。

今年6月、RISC ZeroはzkVM 1.0をリリースしました。 このバージョンは複数の言語と複雑な計算タスクをサポートするだけでなく、コンティニュエーションズ技術を使用して大規模な計算をより小さなセグメントに分割し、効率的な並列計算と検証を可能にします。 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倍に向上させる予定です。 最適化には、プルーフプロセスを完全にGPUに移行すること（80%完了）、新しいRISC-V v2回路設計の導入、および再帰回路の対象となる最適化を行うことが含まれます。 同時に、RISC ZeroはRSA、Keccak、ECDSAなどのアルゴリズム用の一連のアクセラレーションモジュールを統合し、Ethereum関連のタスクと暗号操作の性能を向上させています。

RISC Zeroは、zkVMのコア機能を中心に、一連のオープンソースツールと製品も開発しています。たとえば、ネットワークを Bonsai 使用すると、開発者は専用のハードウェアなしでゼロ知識証明を生成できます。Steelツールを使用すると、検証可能な結果を維持しながら、複雑なEVM計算をオフチェーン環境に移動できるため、オンチェーンの実行コストを削減できます。また、Blobstream ZeroはCelestiaのデータ可用性レイヤーを橋渡しし、モジュラー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の可能性をさらに広げます。

Zeth: イーサリアムブロック全体の正しい構築を証明する

RISC ZeroによってzkVM技術をベースに開発されたオープンソースのEthereumゼロ知識ブロックプルーバーであるZethは、従来のバリデータや同期委員会に頼らずに、ゼロ知識証明を通じてEthereumブロックの妥当性を検証できます。RISC ZeroはZethをType-0 zkEVMと定義し、これはEthereumプロトコルと完全互換であり、コードの再利用を通じて開発効率を向上させています。

彼の記事「異なる種類のzk-EVMsイーサリアムの共同創設者であるVitalik Buterinは、zkEVMを4つのタイプに分類しました：タイプ1はイーサリアムと完全かつ妥協のない同等性を目指しています。タイプ2はEVMと完全な同等性を目指していますが、イーサリアム全体とは同等ではありません。タイプ3はほぼEVMと同等です。タイプ4はイーサリアムと完全に互換性がありません。

RISC ZeroのzkVMの高性能のおかげで、Zethはわずか数分でEthereumブロックの検証を完了することができます。テストデータによると、Zethは1.1 MHzの速度でブロックの証明を生成でき、GPUクラスターを拡大するために「継続」機能を活用することで、速度を4.7 MHzから6.3 MHzの間に向上させることができます。この性能最適化により、証明生成コストも削減されます。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を生成するコストはわずか21.72ドルで、トランザクションあたりのコストは約0.11ドルです。

Zethの開発にあたり、RISC Zeroチームは、revm、ethers、alloyなどのRustエコシステムのコンポーネントをフルに活用し、開発者がブロック証明機能を迅速に実装し、さまざまなシナリオで適用できるようにしています。この設計により、開発者はより柔軟性を持ち、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なります。

アプリケーション層では、Zethはzk Rollups、軽量クライアント、およびクロスチェーンブリッジの効率的なソリューションを提供しています。従来のzk RollupsやzkEVMの構築には、かなりの時間と資金が必要であり、これは小規模チームを妨げることがあります。しかし、Zethは、そのモジュラーなzkVMアーキテクチャに基づいており、開発者にブロック検証ロジックの簡単なカスタマイズを可能にします。例えば：

• zk Rollup: Zethは、ブロック証明の迅速な生成を可能にし、開発サイクルを短縮し、zk Rollupの資金要件を削減します。
• ライトクライアント：Zethはブロックを再構築する必要なく、ブロックの妥当性の検証を可能にするため、運用コストを削減します。
• クロスチェーンブリッジ：Zethは、敏感なオンチェーン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ZKPで検証し、第三者の信頼への依存を減らし、クロスチェーン攻撃のリスクを最小限に抑えます。

今年5月、ゼスは無事に拡大されたイーサリアムメインネットからOptimismブロックデータを抽出し、ブロックの正確性を検証するためのZKPを生成することをサポートするために、オンチェーン検証もサポートしています。つまり、Zethを使用することで、Optimismはトランザクションをより効率的に検証し、トランザクションの紛争を解決することができます。

Bonsai：開発者が独自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アプリケーション向けに特別に設計されたリモートプルーフサービスであり、開発者が独自のハードウェアを使用せずにプルーフを生成できるようにすることで、オンチェーンの計算リソースの制約と高コストのジレンマを解決します。Bonsaiを使用すると、開発者はzkVMアプリケーションと実行される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処理し、対応するゼロ知識プルーフを生成します。このプロセスでは、開発者は追加のハードウェア展開を必要としません。さらに、Bonsaiは大規模なGPUクラスタを活用して、複数の計算タスクの並列処理をサポートします。さらに、Bonsaiは使いやすいAPIとSDKインターフェースを提供し、開発者が既存のシステムに簡単に統合できるようにします。これにより、開発の複雑さも軽減されます。

このリモートプルーフサービスを基に、RISC ZeroはオープンソースツールBonsai Payを立ち上げました。このツールは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することができます。例えば、AliceがBobに資金を送金したい場合、Bonsai Payを介してBobのGoogleのメールアドレスと送金額を入力することができます。BobはBonsai Payにログインし、自分のメールアドレスを入力してGoogleアカウントの認証を完了します。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。そして、Bonsai PayはBonsaiプルーフサービスを呼び出してゼロ知識証明を生成し、BobのGoogleアカウントが彼のウォレットアドレスにリンクされていることを示します。スマートコントラクトが証明を検証した後、資金が解放され、Bobのウォレットアドレスに転送されます。

このプロセス全体を通じて、Bonsai PayはZKP技術を使用して、「BobのGoogleアカウントが彼のウォレットアドレスにリンクされている」という事実を検証し、特定のGoogleアカウント情報の漏洩を回避します。

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（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からオフチェーンに転送し、不正防止の証拠を生成して、結果の正確性を保証します。同時に、Bonsaiコプロセッサの展開も非常に簡単です。開発者は、zkVMアプリケーションを書いてロジックを処理し、Solidityコントラクトを介してBonsaiを呼び出して計算を実行し、結果を検証するだけです。プロセス全体で、Bonsai Proof Serviceがオフチェーンゼロ知識証明を生成し、チェーン上で検証可能にします。

Bonsai ZK Co-processorは、高いパフォーマンスと低コストが必要な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のガバナンスでは、複雑な投票計算をオフチェーンに移動させることで、オンチェーンのガス手数料を大幅に削減することができます。Bonsai DAO Governorは、共同処理装置を通じて、投票ごとのガスコストを50%以上削減し、ガバナンスの効率を劇的に改善し、参加の敷居を下げます。

無限：検証可能な計算レイヤー

従来のブロックチェーンアーキテクチャでは、トランザクションの妥当性を保証するために、すべてのノードが各トランザクションの計算を冗長に実行しなければなりません。この「グローバル再実行」モデルはセキュリティと整合性を確保する一方で、非常に高い計算コストをもたらします。この問題に対処するために、RISC ZeroはBoundlessを導入し、単一のノードが計算を完了し、検証可能なゼロ知識証明を生成することを可能にしました。他のノードは結果を確認するために証明を検証するだけでよく、計算を再実行する必要がなくなります。

Boundlessは、再帰的な合成技術を通じて検証プロセスを簡素化します。複数の小さなゼロ知識証明を1つの総合証明に組み合わせることで、検証者は個々の証明を個別に検証するのではなく、1つの総合証明のみをチェックする必要があります。さらに、ゼロ知識証明の生成効率を最適化するために、Boundlessには専用の暗号アクセラレーション回路が含まれており、ハッシュ計算やデジタル署名の検証などの一般的なタスクの効率を向上させています。

さらに、Boundlessを使用する開発者は、ゼロ知識技術を深く理解する必要はありません。RustやSolidityなどの、よく知られたプログラミング言語を使用して、アプリケーションを簡単に作成することができます。現在、Boundlessは開発者に無料でアクセスできるようになっており、既存のシステムを移行することなく、また検証契約を更新することなく、任意のブロックチェーン上でゼロ知識アプリケーションを迅速に構築して展開することができます。

Blobstream Zero: 簡略化されたクロスチェーンデータ検証のためのzkVMベースのクロスチェーンブリッジ

Blobstream Zeroは、RISC ZeroがCelestiaと共同で立ち上げたzkVMベースのクロスチェーンブリッジで、Celestiaのデータ可用性レイヤー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ように設計されています。Blobstream Zeroは、Celestia上でデータを共有し、検証することで、ブロックチェーン間のより便利なデータ転送と検証を容易にします。

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、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ができます。さらに、Blobstream ZeroはZKコプロセッサをサポートしています。ZKコプロセッサは、信頼できるデータを必要とするオフチェーン計算ツールです。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、伝送されたデータの信頼性を検証することができます。

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

Steelは、RISC Zeroによって立ち上げられたオープンソースのツールで、zkVM技術を使用してスマートコントラクトのオフチェーン検証可能な実行を可能にします。Steelを使用すると、開発者はEVMの処理をチェーンからオフチェーン実行にオフロードでき、計算結果の真正性と検証可能性を保証するためにゼロ知識証明を生成できます。

従来のスマートコントラクトは、全体のロジックをオンチェーンで実行する必要があり、ガスコストが高くなり、複雑なアプリケーションの開発が制限されるという問題があります。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、この問題に対処します。例えば、アカウントのERC20残高が1より大きいかどうかを確認し、カウンター変数を増やす簡単なスマートコントラクトの場合、従来の方法ではロジックを完全にオンチェーンで実行する必要があります。しかし、Steelでは計算はオフチェーンで行われ、ゼロ知識証明が生成されます。オンチェーンプロセスでは、証明の検証のみが必要であり、コントラクトロジックを再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、いくつかのパートナーが既にこのツールを使用してアプリケーションを開発しています。たとえば、約400,000件のSLOADオペレーションを処理する契約コールでは、Steelは計算をオフチェーン実行にオフロードし、生成されたゼロ知識証明をオンチェーンで検証しました。証明生成のコストは10ドル以下であり、オンチェーンの検証コストは300,000ガス未満でした。

Kailua：ロールアップアーキテクチャ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のリリース後、RISC ZeroはKailuaを導入し、ハイブリッドZK Rollupアプローチを通じて楽観的なRollupのアップグレードソリューションを提供しました。従来の楽観的なRollupは通常7日間のチャレンジ期間を必要とし、トランザクションの確定が遅くなります。一方、ZK Rollupはより速い確定性を実現しますが、ゼロ知識証明の連続生成には高いコストがかかります。Kailuaは両方のアプローチの利点を組み合わせ、ハイブリッドアーキテクチャを通じてコストと効率をバランスさせます。Optimism Konaフレームワークの拡張として、KailuaはzkVM上で動作する修正されていないKonaをサポートし、ステーキング要件を削減し、確定性の遅延を最小化する革新的な紛争解決メカニズムを導入してシステムの効率と使いやすさを向上させます。

カイルアのアーキテクチャでは、紛争解決メカニズムが新しい設計を採用しています。まず、メカニズムは時間制約を取り除き、ネットワークの障害やその他の特殊な状況が発生した場合に、検証者が証明を生成するために十分な時間を確保し、システムの強靭性を高めています。極端な場合でも、RISC Zero zkVMのスケーラブルなアーキテクチャを使用することで、1時間以内に証明を生成することができます。さらに、カイルアのオンデマンド検証機能により、開発者は柔軟に検証頻度を設定でき、低コストで完全な検証ロールアップモードに段階的に移行できます。

ZKロールアップとは異なり、カイルアの設計では継続的なプルーフ生成は必要ありません。低頻度の空のブロックや特別な契約が必要なロールアップの場合、Kailuaはより費用対効果の高い代替手段を提供します。また、カイルアはロールアップのステーキングコストを大幅に削減します。従来の楽観的なロールアップでは、ファイナリティ期間が長くなるとステーキング要件が直線的に増加しますが、Kailuaの最適化された設計により、ステーキングの需要が固定され、長期間にわたっても低コストでセキュリティとアクティビティが維持されます。

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テストネットを展開し、ZK fault proofsをサポートするネットワークに迅速にアップグレードすることができます。Kailuaはまた、誤った状態に対するバリデータのチャレンジをzkVMを介してシミュレートすることもサポートしており、紛争解決メカニズムにおけるより深い洞察を提供します。将来的には、Kailuaはさらなるコストとパフォーマンスの最適化を行い、より多くのRollupフレームワークをサポートする予定です。

サマリー

上記からわかるように、RISC ZeroのzkVM製品スイートは、さまざまな分野でゼロ知識証明技術の開発を推進しています。ZethとKailuaは、Rollupアーキテクチャの最適化、ブロックの検証効率と紛争解決の速度の向上に重点を置いています。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オペレーションコストを削減し、開発者が効率的にアプリケーションを構築できるようにします。Blobstream Zeroは効率的なクロスチェーンデータの検証を提供し、モジュラーなブロックチェーンエコシステムに信頼性のあるサポートを提供します。さらに、Steelはオフチェーンの計算とオンチェーンの検証モデルを通じてスマートコントラクトの実行におけるGasコストを削減します。

もちろん、zkVMの製品スイートを継続的に改善する一方で、RISC ZeroはzkVMの基本技術でも革新を進めています。最近、RISC Zero zkVM 1.2バージョンがリリースされ、開発者がzkVM自体に組み込む必要なく、アプリケーションと一緒に事前コンパイルされたロジックを展開できる新しい事前コンパイル方法が導入されました。これにより、開発者はオンチェーン検証契約を変更せずに新しい事前コンパイルロジックを追加でき、証明生成者との調整やzkVMの大幅な変更なしにパフォーマンスの最適化を実現できます。さらに、アプリケーションを介して事前コンパイルを定義することにより、証明生成の計算コストを削減できます。例えば、RSAの事前コンパイルを統合した後、Automataは実行サイクルを3900万から217,000に削減し、コストを約180倍削減しました。

zkVMテクノロジーの継続的な最適化により、その潜在能力は複数のアプリケーションシナリオで徐々に現れていくでしょう。しかし、この潜在能力を十分に発揮するには、エコシステムの協力と技術展開の実際のパフォーマンスが依然として重要です。

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