Na recente conferência Devcon, Justin Drake, membro principal da Ethereum Foundation, apresentou a proposta Beam Chain, com o objetivo de atualizar a camada de consenso da Ethereum por meio das tecnologias zkSNARK e zkVM para melhorar a escalabilidade, segurança e eficiência da rede. Esta visão mais uma vez trouxe atenção para a importância do zkVM. Como uma máquina virtual de conhecimento zero de uso geral, o zkVM pode lidar com cálculos complexos de maneira mais flexível e eficiente, eliminando a dependência da lógica tradicional de contratos inteligentes.

Impulsionados por essa tendência, projetos como RISC Zero, Succinct e Cysic são vistos como peças-chave na condução da inovação neste campo. Entre eles, RISC Zero, com seu zkVM baseado na arquitetura RISC-V, desenvolveu uma série de ferramentas de código aberto, incluindo Zeth, Kailua e Bonsai. Essas ferramentas não apenas melhoram a validação da blockchain e o desempenho do rollup, mas também fornecem suporte técnico para a atualização ZK do Ethereum.

Matriz de Produtos do Ecossistema RISC zkVM: Da Tecnologia Central às Aplicações de Cenário

RISC Zero é uma implementação zkVM baseada na arquitetura de conjunto de instruções RISC-V. Como uma plataforma de computação de conhecimento zero de propósito geral, ela suporta várias linguagens de programação mainstream, como Rust e C++, e pode executar quase qualquer tarefa computacional. Em comparação com outras plataformas de tecnologia de conhecimento zero, os provadores e verificadores do RISC Zero são totalmente open-source, permitindo que os desenvolvedores gerem e verifiquem provas localmente. Além disso, o verificador do RISC Zero é compatível com várias plataformas, adaptando-se a vários ecossistemas de blockchain e simplificando o processo de desenvolvimento para aplicativos descentralizados.

Em junho deste ano, a RISC Zero lançou o zkVM 1.0. Essa versão não apenas suporta vários idiomas e tarefas computacionais complexas, mas também usa a tecnologia de Continuações para dividir cálculos em larga escala em segmentos menores, possibilitando a computação e verificação paralelas eficientes. De acordo com o roteiro, a RISC Zero planeja obter uma melhoria de 20x no desempenho e custo do zkVM até o final de 2024. As otimizações incluem migrar completamente o processo de prova para GPUs (80% concluído), introduzir novos designs de circuitos RISC-V v2 e realizar otimizações direcionadas para circuitos recursivos. Ao mesmo tempo, a RISC Zero está integrando uma série de módulos de aceleração para algoritmos como RSA, Keccak e ECDSA para melhorar o desempenho de tarefas relacionadas ao Ethereum e operações criptográficas.

Em torno das capacidades básicas do zkVM, a RISC Zero também desenvolveu uma série de ferramentas e produtos de código aberto. Por exemplo, com a rede Bonsai, os desenvolvedores podem gerar provas de conhecimento zero sem hardware dedicado; a ferramenta Steel permite mover cálculos complexos do EVM para ambientes off-chain, mantendo resultados verificáveis, reduzindo assim os custos de execução on-chain; e o Blobstream Zero conecta a camada de disponibilidade de dados Celestia, oferecendo mais possibilidades de compartilhamento e validação de dados dentro do ecossistema modular de blockchain.

Zeth: Provando a Construção Correta de Blocos Inteiros Ethereum

Zeth, um provador de blocos de conhecimento zero de código aberto Ethereum desenvolvido pela RISC Zero com base em sua tecnologia zkVM, pode validar a validade dos blocos Ethereum por meio de provas de conhecimento zero, sem depender de validadores tradicionais ou comitês de sincronização. A RISC Zero define Zeth como um zkEVM de Tipo-0, que é totalmente compatível com o protocolo Ethereum e melhora a eficiência de desenvolvimento por meio do reuso de código.

Em seu artigo “Diferentes tipos de zk-EVMs,” O co-fundador do Ethereum, Vitalik Buterin, categorizou zkEVMs em quatro tipos: O Tipo-1 visa completa e intransigente equivalência com o Ethereum; o Tipo-2 busca plena equivalência com o EVM, mas não com o Ethereum como um todo; o Tipo-3 é quase equivalente ao EVM; e o Tipo-4 é completamente incompatível com o Ethereum.

Graças ao alto desempenho do zkVM da RISC Zero, o Zeth pode completar a verificação de blocos do Ethereum em apenas alguns minutos. Os dados de teste mostram que o Zeth pode gerar provas de bloco a uma velocidade de 1,1 MHz e, ao alavancar o recurso de "continuações" para expandir clusters de GPU, a velocidade pode ser aumentada para entre 4,7 MHz e 6,3 MHz. Essa otimização de desempenho também reduz o custo da geração de provas. De acordo com os testes, o custo de gerar uma prova para um bloco contendo 182 transações é apenas $21.72, com o custo por transação em torno de $0.11.

Ao desenvolver Zeth, a equipe RISC Zero fez amplo uso de componentes do ecossistema Rust, como revm, ethers e alloy, permitindo que os desenvolvedores implementem rapidamente a funcionalidade de prova de bloco e a apliquem em vários cenários. Esse design fornece aos desenvolvedores mais flexibilidade, permitindo que ajustem a lógica de construção de bloco e se adaptem às futuras propostas de melhoria do Ethereum.

Na camada de aplicação, a Zeth oferece soluções eficientes para zk Rollups, clientes leves e pontes entre cadeias cruzadas. A construção tradicional de zk Rollups e zkEVM requer tempo e financiamento significativos, o que pode desencorajar pequenas equipes. No entanto, a Zeth, com base em sua arquitetura modular zkVM, permite que os desenvolvedores personalizem facilmente a lógica de verificação de blocos. Por exemplo:

• zk Rollup: Zeth permite a geração rápida de prova de bloco, encurtando os ciclos de desenvolvimento e reduzindo os requisitos de financiamento para zk Rollups.
• Clientes Leves: Zeth permite a verificação da validade do bloco sem a necessidade de reconstruir o bloco, diminuindo assim os custos operacionais.
• Ponte entre Cadeias: Zeth utiliza ZKP para verificar a correção dos dados entre cadeias sem vazar informações confidenciais na cadeia, reduzindo a dependência da confiança de terceiros e minimizando os riscos de ataque entre cadeias.

Em maio deste ano, Zeth obteve sucessoexpandidopara suportar a extração de dados de bloco do Optimism da rede principal do Ethereum e gerar ZKPs para verificar a correção do bloco, também suportando verificação on-chain. Isso significa que com Zeth, o Optimism pode verificar transações de forma mais eficiente e resolver disputas de transação.

Bonsai: Permitindo aos Desenvolvedores Gerar Provas Sem Usar Seu Próprio Hardware

Bonsai é um serviço remoto de prova projetado especificamente para aplicações zkVM, permitindo que os desenvolvedores gerem provas sem usar seu próprio hardware, resolvendo assim o dilema de recursos limitados de computação on-chain e custos elevados. Com o Bonsai, os desenvolvedores só precisam definir a aplicação zkVM e os dados de entrada a serem executados, e o Bonsai lidará com o cálculo em segundo plano e gerará as provas de conhecimento zero correspondentes. Esse processo não requer implantação de hardware adicional dos desenvolvedores. Além disso, o Bonsai aproveita um grande cluster de GPU para suportar o processamento paralelo de várias tarefas computacionais. Além disso, o Bonsai fornece APIs fáceis de usar e interfaces SDK, permitindo que os desenvolvedores o integrem facilmente aos sistemas existentes, reduzindo ainda mais a complexidade do desenvolvimento.

Com base nesse serviço de prova remota, a RISC Zero lançou a ferramenta de código aberto Bonsai Pay, que combina autenticação OAuth2.0 e tecnologia ZKP, permitindo que os usuários enviem ou recebam tokens na rede Ethereum usando suas contas do Google. Por exemplo, quando Alice deseja transferir fundos para Bob, ela pode inserir o e-mail do Google de Bob e o valor da transferência por meio do Bonsai Pay. Bob então faz login no Bonsai Pay e insere seu endereço de e-mail para concluir a autenticação da conta do Google. O Bonsai Pay usa o OAuth 2.0 para gerar um token de autorização, provando que Bob é realmente o proprietário desse endereço de e-mail. O Bonsai Pay então chama o serviço de prova do Bonsai para gerar uma prova de conhecimento zero, demonstrando que a conta do Google de Bob está vinculada ao seu endereço de carteira. Após o contrato inteligente verificar a prova, ele desbloqueia os fundos e os transfere para o endereço da carteira de Bob.

Durante todo esse processo, o Bonsai Pay usa a tecnologia ZKP para verificar o fato de que "a conta do Google de Bob está vinculada ao endereço de sua carteira", evitando qualquer vazamento de informações específicas da conta do Google.

Outra aplicação importante do Bonsai é o coprocessador ZK do Bonsai (ZK Co-processador). Ele utiliza a tecnologia de prova de conhecimento zero para transferir tarefas de computação complexas da cadeia para fora da cadeia, e gera provas à prova de manipulação para garantir a correção dos resultados. Ao mesmo tempo, a implantação do coprocessador Bonsai também é muito simples. Os desenvolvedores só precisam escrever um aplicativo zkVM para processar a lógica e chamar o Bonsai através de um contrato Solidity simples para executar o cálculo e verificar os resultados. Ao longo do processo, o Serviço de Prova Bonsai é responsável por gerar provas de conhecimento zero fora da cadeia que podem ser verificadas na cadeia.

O co-processador Bonsai ZK é adequado para aplicações on-chain que requerem alto desempenho e baixos custos. Por exemplo, na governança do DAO, ele pode mover cálculos de votação complexos off-chain, reduzindo significativamente as taxas de gás on-chain. O governador do Bonsai DAO, por meio do co-processador, reduz o custo de gás por voto em mais de 50%, melhorando efetivamente a eficiência da governança e reduzindo o limite de participação.

Boundless: Camada de Computação Verificável

Nas arquiteturas tradicionais de blockchain, para garantir a validade das transações, cada nó deve executar de forma redundante todos os cálculos para cada transação. Embora esse modelo de 'reexecução global' garanta segurança e consistência, também resulta em custos computacionais extremamente altos. Para resolver esse problema, a RISC Zero introduziu o Boundless, que permite que um único nó conclua o cálculo e gere uma prova de conhecimento zero verificável. Outros nós só precisam verificar a prova para confirmar o resultado, eliminando a necessidade de reexecutar o cálculo.

O Boundless simplifica o processo de verificação por meio da tecnologia de composição recursiva. Ele combina várias pequenas provas de conhecimento zero em uma única prova global, para que os verificadores só precisem verificar uma única prova total, em vez de verificar cada prova de todas as etapas individualmente. Para otimizar ainda mais a eficiência da geração de provas de conhecimento zero, o Boundless inclui circuitos de aceleração criptográfica especializados, aprimorando a eficiência de tarefas comuns, como cálculo de hash e verificação de assinatura digital.

Além disso, os desenvolvedores que usam o Boundless não precisam entender profundamente a tecnologia de conhecimento zero. Eles podem simplesmente escrever aplicativos usando linguagens de programação familiares, como Rust ou Solidity. Atualmente, o Boundless está aberto para acesso gratuito a desenvolvedores, permitindo que eles construam e implantem rapidamente aplicativos de conhecimento zero em qualquer blockchain sem migrar sistemas existentes ou atualizar contratos de verificação.

Blobstream Zero: Ponte Inter-cadeia baseada em zkVM para Validação Simplificada de Dados Inter-cadeia

Blobstream Zero é uma ponte cruzada baseada em zkVM lançada pela RISC Zero em colaboração com a Celestia, projetada para conectar perfeitamente a camada de disponibilidade de dados da Celestia ao ecossistema modular de blockchain existente. Ao compartilhar e validar dados na Celestia, o Blobstream Zero facilita a transferência e validação de dados mais convenientes entre blockchains.

Como um produto público de código totalmente aberto, o Blobstream Zero permite que qualquer projeto ou desenvolvedor execute uma instância local e gere provas de conhecimento zero. Além disso, o Blobstream Zero suporta coprocessadores ZK. Um coprocessador ZK é essencialmente uma ferramenta de computação off-chain que requer dados confiáveis para executar cálculos. O Blobstream Zero pode recuperar dados de blockchains como o Celestia e, ao gerar provas ZK, pode verificar a confiabilidade dos dados transmitidos.

Steel: Um Novo Paradigma para Execução Fora da Cadeia e Verificação na Cadeia de Contratos Inteligentes

Steel é uma ferramenta de código aberto lançada pela RISC Zero que usa a tecnologia zkVM para permitir a execução verificável fora da cadeia de contratos inteligentes. Com o Steel, os desenvolvedores podem transferir as operações EVM da cadeia para a execução fora da cadeia, ao mesmo tempo em que geram provas de conhecimento-zero para garantir a autenticidade e verificabilidade dos resultados da computação.

Os contratos inteligentes tradicionais exigem que toda a lógica seja executada on-chain, o que resulta em altos custos de Gas e limita o desenvolvimento de aplicações complexas. O mecanismo de computação off-chain e verificação on-chain da Steel aborda esse problema. Por exemplo, em um contrato inteligente simples que verifica se o saldo ERC20 de uma conta é maior que 1 e incrementa uma variável de contador, os métodos tradicionais exigem que a lógica seja totalmente executada on-chain. No entanto, com a Steel, a computação é realizada off-chain e uma prova de conhecimento zero é gerada. O processo on-chain só requer a verificação da prova, eliminando a necessidade de reexecutar a lógica do contrato.

Atualmente, a RISC Zero lançou o Steel 1.0, e vários parceiros já utilizaram a ferramenta para desenvolver aplicações. Por exemplo, em um processamento de chamada de contrato com aproximadamente 400.000 operações SLOAD, o Steel transferiu a computação para execução off-chain e, em seguida, verificou a prova de conhecimento zero gerada on-chain. O custo de geração da prova foi inferior a $10, e o custo de verificação on-chain foi inferior a 300.000 Gas.

Kailua: Uma solução híbrida ZK impulsionando a inovação da arquitetura Rollup

Após o lançamento do Zeth, o RISC Zero introduziu o Kailua, fornecendo uma solução de atualização para Rollups otimistas por meio de uma abordagem híbrida ZK Rollup. Rollups otimistas tradicionais geralmente exigem um período de desafio de 7 dias, o que resulta em uma finalidade de transação mais lenta. Embora os ZK Rollups alcancem uma finalidade mais rápida, a geração contínua de provas de conhecimento zero incorre em altos custos. O Kailua combina os benefícios de ambas as abordagens, equilibrando custo e eficiência por meio de uma arquitetura híbrida. Como uma extensão do framework Optimism Kona, o Kailua suporta o Kona não modificado em execução no zkVM e introduz um mecanismo inovador de resolução de disputas que reduz os requisitos de participação e minimiza atrasos de finalidade, melhorando assim a eficiência e a usabilidade do sistema.

Na arquitetura do Kailua, o mecanismo de resolução de disputas adota um novo design. Primeiro, o mecanismo remove restrições de tempo, permitindo que os validadores tenham tempo suficiente para gerar provas em caso de interrupções de rede ou outras circunstâncias especiais, aumentando a resiliência do sistema. Mesmo em casos extremos, a arquitetura escalável RISC Zero zkVM pode gerar provas em uma hora. Além disso, o recurso de validação sob demanda do Kailua permite que os desenvolvedores configurem flexivelmente a frequência de validação, fazendo uma transição gradual para os modos de validação Rollup completos a um custo menor.

Ao contrário dos ZK Rollups, o design do Kailua não requer geração contínua de prova. Para blocos vazios de baixa frequência ou Rollups com necessidades especiais de contrato, o Kailua oferece uma alternativa mais econômica. O Kailua também reduz significativamente os custos de staking para Rollups. Enquanto os Rollups otimistas tradicionais aumentam os requisitos de staking linearmente à medida que o período de finalização se prolonga, o design otimizado do Kailua corrige a demanda de staking, mantendo segurança e atividade a custos mais baixos mesmo ao longo de períodos mais longos.

Atualmente, Kailua é totalmente open source. Os desenvolvedores podem usar suas ferramentas de linha de comando para implantar testnets locais do Optimism e atualizar rapidamente para redes que suportam provas de falha ZK. Kailua também suporta a simulação de propostas de falhas, permitindo que os desenvolvedores entendam como os validadores desafiam estados errôneos via zkVM, fornecendo insights mais profundos sobre o mecanismo de resolução de disputas. No futuro, Kailua otimizará ainda mais o custo e o desempenho, e estenderá o suporte a mais frameworks Rollup.

Resumo

Como visto acima, o conjunto de produtos zkVM da RISC Zero está impulsionando o desenvolvimento de tecnologia à prova de conhecimento zero em vários campos. Zeth e Kailua se concentram na otimização da arquitetura Rollup, melhorando a eficiência da verificação de blocos e a velocidade de resolução de disputas. A Bonsai fornece serviços de prova remota, reduzindo dependências de hardware e custos operacionais, permitindo que os desenvolvedores criem aplicativos com mais eficiência. O Blobstream Zero oferece verificação eficiente de dados entre cadeias, fornecendo suporte confiável para ecossistemas modulares de blockchain. Além disso, a Steel reduz os custos de gás para execução de contratos inteligentes por meio de seu modelo de computação off-chain e validação on-chain.

Claro, enquanto melhora continuamente o conjunto de produtos zkVM, a RISC Zero também está avançando nas inovações na tecnologia subjacente do zkVM. Recentemente, a versão 1.2 do RISC Zero zkVM foi lançada, introduzindo um novo método de pré-compilação que permite aos desenvolvedores implantar lógica pré-compilada junto com aplicativos, sem precisar construí-la no zkVM em si. Isso significa que os desenvolvedores podem adicionar nova lógica pré-compilada sem modificar contratos de verificação em cadeia, coordenar com geradores de prova ou fazer grandes alterações no zkVM para obter otimizações de desempenho. Além disso, definindo pré-compilações por meio de aplicativos, o custo computacional da geração de provas pode ser reduzido. Por exemplo, após integrar a pré-compilação RSA, a Automata reduziu o ciclo de execução de 39 milhões para 217.000, reduzindo os custos em cerca de 180 vezes.

Com a otimização contínua da tecnologia zkVM, seu potencial se manifestará gradualmente em vários cenários de aplicação. No entanto, para liberar totalmente esse potencial, a colaboração do ecossistema e o desempenho real da implantação tecnológica são cruciais.

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