Cointime

扫码下载App
iOS & Android

关于zkRollup硬件加速与zkPOW的思考

原文作者:Fox Tech CTO 林彦熹,Fox Tech CEO 康水跃

零知识证明能够提供隐私保护、扩容、构建信任等关键作用,与 Web3.0 的精神相互契合,因此其应用场景如雨后春笋大量涌现。目前,ZK 的小型应用开发难度小、成本低,有较多较成熟应用;ZK 的中型应用初见雏型,现今的技术也足以满足其性能需求;而对于大型应用而言,目前仍处于较早期的阶段,仍存存在部分技术瓶颈,距离成为成熟的产品还需要一些时间。我们首先简单盘点各类的应用场景:

小型应用场景

独立的 ZK DAPP 是零知识证明最直接的应用场景,这类应用要证明的事项简单、种类少、量不大,因此也较容易开发。例如: 单纯的隐私支付协议、ZK 桥、身份解决方案等。

中型应用场景

这类应用较小型应用场景相对复杂一些,需要证明的情况较多,但相对于小型应用而言只是倍数的增加,这类应用如: 在数据存储网络中证明正确性、基于 ZK 的游戏等。

大型应用场景

zkRollup 的 Layer2 和 zkEVM 是零知识证明在 Web3 中的终极应用,用于处理一个 VM 或 EVM 中的各种可能性带来的状态变化。相对于小型应用的复杂程度是指数量级的增加,它们对于技术、开发工作量的要求都较高,距离达到理想中的用户体验还差一次技术跳跃。

零知识证明无疑是 Web3 领域中最具创新性的技术之一,零知识证明也提供了构建 Trustless 产品的绝佳技术手段。然而像人工智能刚从学界走向业界一样,现今的各类应用场景仍有相当多的问题与挑战。庆幸的是,越来越多学界与业界的力量正投入这个领域。下面我们将深入探讨 zk 科技树的不同枝叶。

高效算法与成熟的开发栈是核心枝干

一套完整的零知识算法从研究走到应用需要经过理论研究、开发工具构建与具体应用开发等阶段。而其中效率问题是零知识证明应用进入下一个阶段最大的瓶颈之一,这其中包含算法的效率与开发的效率。

在算法效率方面,不同零知识证明使用不同的方法表达要证明的电路、且背后基于不同的数学困难问题,这些因素都会影响算法的各项效率。具体而言,一个零知识证明算法重要的效率指标包含证明大小、证明时间、验证时间等等,而在目前,大量的算法都能实现较短的验证时间,各式的聚合技术也可以压缩证明大小,而证明时间则是主要的瓶颈。

因此项目方的设计与选择对算法效率表现显得至关重要。不同零知识证明算法在复杂度方面会形成巨大的差异。复杂度的差异在输入的数量级大的时候会充分反映到具体的性能差异上。

图 1: 各种零知识证明算法

预期未来将有更多团队在零知识证明的算法上投入更多研究精力以找到最符合项目需求特性的算法。例如 FOX 这样的 Layer2 项目坚持设计在证明时间这项关键指标上达到理论下界,线性复杂度 O(C),且是对数验证时间、无需可信设制的算法。这种算法非常适合支持一个没有容量上限的扩容网络。

在开发方面,开发效率低下的主要原因是相关的开发栈缺失严重,将应用场景转换为电路语言最终付诸算法证明的过程相当复杂:需要将前述漫长过程中的某个 (些) 部份抽象化、形成模块化的开发工具或语言,并保持彼此之间的兼容性。完整、丰富的 ZK 开发栈便是破局的关键,这让开发者能只专注于各自关注的环节,一起合作完成一个完整的 ZK 应用。

表 1: 零知识证明硬件加速面临的问题

硬件加速助力开枝散叶

硬件加速是使零知识证明效率进一步提高、让大型应用更接近成熟落地的关键。而这便涉及两个问题: 首先是哪些运算可以加速,其次是哪些硬件可以用来加速。

对于第一个问题,不同的零知识证明主要的差异在于多项式承诺的方法,Matter Labs 采用的 Plonk、Scroll 采用的 Ultra-Plonk 等算法多项式承诺基于 KZG,因此其中的 Prover 涉及大量的 FFT 计算和 ECC 点乘 MSM 的运算用以产生多项式和承诺,这两类计算都会带来大量计算负担。具体而言,MSM 有通过在多个线程上运行来加速的可能,但是需要大量内存并且即使在高度并行化时仍然很慢,而 FFT 严重依赖算法运行时数据的频繁洗牌,这使得它们很难通过跨计算集群分配负载来加速。因此目前对这些运算加速都意味着高昂的成本。

此外,Starkware 研发的 STARK、FOX 研发的 FOAKS 都在 FRI 的过程中主要涉及哈希运算。虽然也有 FFT,但量不大。因此这两种算法可以使用硬件加速来提升运算的效率。

在硬件层面主要有 GPU、FPGA、ASIC 三种选择,各有不同的特性:

-GPU:GPU 能够通过一定的算法,加速并行计算。使用 GPU 加速的效果取决于具体的算法,例如在 FOX 的使用的 FOAKS 算法没有大量的 FFT 和 MSM 运算,且其 ZKEVM 设计中本身就包含大量可以并行计算的部分,便能通过 GPU 获得较大的效率提升。

-FPGA:FPGA 是可编程的集成电路,因此开发者能够通过针对于 ZK 算法定制化优化矿机。

-ASIC:ASIC 是为特定用途专门定制的集成电路芯片。但是 ASIC 由于过于定制化,需要的时间和成本也会更多,也许硬件的迭代伴随着行业规模的增大,逐渐朝着 ASIC 方向发展,但是不会一步到位。在比特大陆等专业硬件厂商进入这个领域之后,ASIC 或成为主流选项。

这三种硬件不同的特性也使其有不同的机会。短期看 GPU,中期看 FPGA,长期看 ASIC。以太坊转为 PoS 后,GPU 算力将会流向可以吸纳这些算力的网络,而没有大量 FFT 和 MSM 运算且对并行运算友好的网络将会成为他们的首选。FPGA 的可编程性在中期具备一定的优势,尤其是在算法更迭快速、技术路线还不稳定的时期。ASIC 路线意味着更高昂的成本,但能带来更高的效率提升。从长远看大型硬件厂商势必进入这个赛道并毫无疑问会选择 ASIC 作为其主打芯片类型。

zkPOW 机制设计锦上添花

最后,有了完整的软硬件,机制设计便是使其稳定运行与进步的最后一步。各个 zkRollup 项目在初期的 Prover 通常都会更接近传统的中心化服务:部署在云上,并由项目方独享这部分的收益。但是在 Web3 的叙事下,未来 Prover 的工作势必往去中心化的方向发展,而这样的发展也有以下的优点:

将有更多人可以分享证明生成算力,分享收益与项目利益绑定。这种激励机制将出现更加本地化的算力,从而与项目方和基金会共同建造并壮大生态系统。

一个好的去中心化的机制会带动更大的力量推动技术进步,让更多各方的专家投入精力研究让系统效率不断进步,让用户获得更好的体验。

去中心化的机制将能更好的适应需求的动态变化。

但是证明过程的去中心化有相当多的挑战,例如去中心化后各方该通过甚么样的共识合作、应该在证明过程中的哪个层面分配去中心化的任务、如何保持通信的效率与避免可能的攻击行为等等。

尽管如此,一些理想的可能解决方案已经被刻画在部分项目的愿景中,例如在 FOX 的设计中便包含了一个 zkPOW 的方案,这个方案能够达成以下目标:

通过引入随机性实现算力提升: 生成零知识证明的计算和传统 POW 的计算不一样,在没有引入随机性的场景下,具有最高算力的一方将永远都能获得生成证明的奖励,从而导致其他各方退出,而获得垄断后这个算力提供者也不再有动机提升算力,失去去中心化的初衷。

通过引入算力收益算法实现分配公平: 一个公平分配的方案将使得长期而言,各个算力提供者的期望收益与其算力成正比,这意味着这个方案将让 zkMiner 如 PoW 机制下一样,可以通过投入算力以获取收益,并难以通过非法手段获取超额激励收益。长期而言,公平的算力收益算法也能保证系统中算力提供者数量的稳定性,同时也意味着更高的抗攻击能力。

FOX 的 zkPOW 设计中,在第一个证明被提交随后的一个时间窗口内提交证明的参与者都可以获得不同比例的激励,同时,通过引入随机性使得每次证明的提交内容都不相同,这意味着每次证明的提交背后都必须经过完整的证明计算。而通过仔细设计的比例分配,将使得各个参与者的期望收益与其算力成比例,对各个参与者提高计算效率产生正向激励,最终使得项目的用户都将因此受惠,享受更安全、更快、成本更加低廉的 zkRollup 服务。

评论

所有评论

推荐阅读

  • 俄美元首通话 普京称俄目前不可能恢复与乌谈判

    10月10日,俄罗斯总统助理乌沙科夫当地时间10日凌晨介绍了俄美两国领导人通话的有关情况。乌沙科夫表示,普京在通话中详细介绍了俄罗斯为回应乌克兰武装部队实施的恐怖袭击而采取的措施。普京表示,乌克兰方面试图破坏俄罗斯国家杜马选举并对民众实施袭击,导致立即恢复谈判的可能性遭到破坏。普京还指出,乌克兰方面试图阻止俄罗斯军队推进的企图没有任何成功的前景,俄军目前完全掌握战场主动权,并正在持续向前推进。普京强调,由于乌克兰方面的立场,特别是其试图破坏俄杜马选举的行为,目前不可能恢复与乌克兰的谈判。特朗普已指示将普京在通话中传递的信息转达给乌克兰代表团。乌沙科夫称,关于举行普京与特朗普双边会晤的问题,双方目前尚未进行具体讨论。(央视新闻)

  • Telegram 内置 Gram 钱包更名为 Money 并向全体用户开放

    10月9日,Telegram 已将其原仅向部分用户开放的钱包服务“Gram wallet”更名为“Money”,并正式向全平台超过十亿用户全面推出。“Money”是针对 Gram 代币的内置钱包,支持存储、转账以及购买平台礼物与收藏级用户名。 此外,配套交易平台“Walt”提供超过 300 种资产服务,涵盖代币化股票、贵金属、永续合约及理财收益项目。用户可通过“Walt”向“Money”钱包进行即时划转且免收网络手续费。官方同时提示,加密资产投资存在相应风险。

  • Blockchain.com 寻求批准开展预测市场和加密货币衍生品交易

    10月9日,加密资产平台 Blockchain.com 已向美国商品期货交易委员会(CFTC)提交申请,寻求获得指定合约市场(DCM)和期货佣金商(FCM)牌照,以向美国用户提供事件合约(预测市场)及加密货币衍生品交易服务。

  • 贝森特:美国本周可能查扣约 10 亿美元与伊朗相关的加密货币

    美国财政部长贝森特周四在 Newsmax 于华盛顿举办的 NPolicy Summit 上表示,我们本周可能会查扣 10 亿美元的加密货币,并称「我们知道它在哪里,我们正在孤立他们」。贝森特表示,特朗普政府对伊朗的举措已从「极限施压」转为「绝对孤立」,措施包括海上封锁、限制航空出行及切断陆路通道,阿联酋和阿曼正与美方合作,美方也在与巴基斯坦和土耳其合作切断所有进出伊朗的陆路通道。

  • Zcash 开发团队计划于明年 1 月引入抗量子签名以保护公开支付

    隐私加密货币 Zcash(ZEC)开发团队计划于明年 1 月在网络中引入后量子签名操作码,以支持基于哈希的签名技术,从而抵御潜在的量子计算攻击。该方案主要针对透明(公开)支付池,目前约有 70% 的 ZEC 存放于该池中。尽管开发者将 1 月定为目标期限,但具体的网络激活时间尚未最终确定。 该升级旨在防止攻击者利用现有公钥反向推导私钥并伪造支付授权。此外,Zcash 节点验证程序 Zakura 还推出了一项基于私密信息检索(PIR)的钱包工具,允许用户在查询多地址余额时不向服务器泄露地址间的关联性。此前,以太坊研究员 Justin Drake 曾警告人工智能可能加速破解传统加密算法,并呼吁加密货币持有者应对潜在的安全威胁。

  • BTC突破83000美元

    行情显示,BTC突破83000美元,现报83017.3美元,24小时涨幅达到0.66%,行情波动较大,请做好风险控制。

  • 中共中央、国务院:全面实施“人工智能+”行动

    10月9日,中共中央、国务院印发《关于发展新质生产力的意见》。意见提到,全面实施“人工智能+”行动。推进人工智能对传统产业的改造,加快推进智能网联新能源汽车、人工智能手机和电脑、人形机器人等新一代智能终端场景应用。加快人工智能等数智技术创新,突破基础理论和核心技术,强化算力、算法、数据等高效供给。因地制宜、分业施策布局国家人工智能行业应用中试基地和高价值应用场景,大力推动人工智能在各行业应用。构建技术监测、风险预警、应急响应体系,确保人工智能安全、可靠、可控。

  • 美国政府相关钱包近三日向Coinbase Prime存入17733枚BTC及750枚WBTC

    10月9日,据Lookonchain监测,过去三天内,与美国政府相关的钱包已向Coinbase Prime存入了17,733枚BTC(价值14.8亿美元)和750枚WBTC(价值6200万美元)。 根据Arkham的标记数据,这些钱包目前仍持有价值254亿美元的加密资产,其中仅比特币的价值就达253亿美元。

  • ETH跌破2500美元

    行情显示,ETH跌破2500美元,现报2499.87美元,24小时跌幅达到2.55%,行情波动较大,请做好风险控制。

  • ETH突破2500美元

    行情显示,ETH突破2500美元,现报2500.13美元,24小时跌幅达到2.21%,行情波动较大,请做好风险控制。