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

Impulsionados por essa tendência, projetos como RISC Zero, Succinct e Cysic são vistos como atores-chave na condução da inovação nesse campo. Entre eles, o 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 Principal às Aplicações de Cenário

RISC Zero é uma implementação zkVM baseada na arquitetura do conjunto de instruções RISC-V. Como plataforma de computação de conhecimento zero de uso geral, suporta várias linguagens de programação mainstream, como Rust e C++, e pode executar quase qualquer tarefa computacional. Comparado a 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 de aplicações descentralizadas.

Em junho deste ano, a RISC Zero lançou o zkVM 1.0. Esta versão não só suporta múltiplos idiomas e tarefas computacionais complexas, mas também utiliza a tecnologia Continuações para dividir cálculos em larga escala em segmentos menores, permitindo uma computação e verificação paralelas eficientes. De acordo com o roteiro, a RISC Zero planeia alcançar uma melhoria de 20x no desempenho e custo do zkVM até ao final de 2024. As otimizações incluem migrar o processo de prova inteiramente 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 com Ethereum e operações criptográficas.

Em torno das capacidades centrais 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 computações complexas 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 para compartilhamento e validação de dados dentro do ecossistema modular de blockchain.

Zeth: Provando a Construção Correta de Blocos Inteiros de Ethereum

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

No seu artigo “Diferentes Tipos de zk-EVMs,” O co-fundador da Ethereum, Vitalik Buterin, categorizou os zkEVMs em quatro tipos: O Tipo-1 visa uma equivalência completa e intransigente com a Ethereum; o Tipo-2 busca uma equivalência total com o EVM, mas não com a Ethereum como um todo; o Tipo-3 é quase equivalente ao EVM; e o Tipo-4 é completamente incompatível com a Ethereum.

Graças ao alto desempenho do zkVM da RISC Zero, o Zeth pode concluir a verificação de bloco 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, aproveitando 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 de geração de prova. De acordo com testes, o custo de geração de uma prova para um bloco contendo 182 transações é de apenas $21,72, com o custo por transação em torno de $0,11.

Ao desenvolver Zeth, a equipe RISC Zero fez pleno 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. Este design oferece aos desenvolvedores mais flexibilidade, permitindo-lhes ajustar a lógica de construção de bloco e adaptar-se a futuras propostas de melhoria do Ethereum.

Na camada de aplicação, a Zeth oferece soluções eficientes para zk Rollups, clientes leves e pontes entre cadeias. Os zk Rollups tradicionais e a construção zkEVM requerem tempo e financiamento significativos, o que pode desencorajar pequenas equipas. No entanto, a Zeth, com base na sua arquitetura modular zkVM, permite aos programadores personalizar 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 precisar reconstruir o bloco, reduzindo assim os custos operacionais.
• Ponte entre Cadeias: Zeth usa ZKP para verificar a correção dos dados entre cadeias sem vazar informações sensíveis na cadeia, reduzindo a dependência de confiança de terceiros e minimizando os riscos de ataques entre cadeias.

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

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 na cadeia e altos custos. 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 e interfaces SDK fáceis de usar, permitindo que os desenvolvedores o integrem facilmente aos sistemas existentes, reduzindo ainda mais a complexidade do desenvolvimento.

Com base neste 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 através 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 de fato o proprietário desse endereço de e-mail. O Bonsai Pay então chama o serviço de prova 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 este processo, Bonsai Pay utiliza a tecnologia ZKP para verificar o facto de que “a conta do Google de Bob está ligada ao seu endereço de carteira” evitando qualquer fuga de informações específicas da conta do Google.

Outra aplicação importante do Bonsai é o co-processador Bonsai ZK (ZK Co-processor). Ele usa 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 violação para garantir a correção dos resultados. Ao mesmo tempo, a implantação do co-processador Bonsai é muito simples. Os desenvolvedores só precisam escrever um aplicativo zkVM para processar a lógica e chamar o Bonsai por meio de um contrato Solidity simples para executar o cálculo e verificar os resultados. Durante todo o processo, o Bonsai Proof Service é responsável por gerar provas de conhecimento zero fora da cadeia que podem ser verificadas na cadeia.

O Coprocessador Bonsai ZK é adequado para aplicações on-chain que exigem alto desempenho e baixos custos. Por exemplo, na governança DAO, ele pode mover cálculos complexos de votação para fora da cadeia, reduzindo significativamente as taxas de gás on-chain. O governador do Bonsai DAO, através do coprocessador, reduz o custo do gás por voto em mais de 50%, melhorando efetivamente a eficiência da governação e reduzindo o limiar de participação.

Sem Limites: 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 verificável de conhecimento zero. Os outros nós só precisam verificar a prova para confirmar o resultado, eliminando a necessidade de reexecutar o cálculo.

Boundless simplifica o processo de verificação através da tecnologia de composição recursiva. Ele combina várias pequenas provas de conhecimento zero em uma única prova geral, de modo que os verificadores só precisam verificar uma 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, Boundless inclui circuitos de aceleração criptográfica especializados, melhorando a eficiência de tarefas comuns como computação 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 aplicações usando linguagens de programação familiares, como Rust ou Solidity. Atualmente, o Boundless está aberto para acesso gratuito aos desenvolvedores, permitindo-lhes construir e implementar rapidamente aplicações de conhecimento zero em qualquer blockchain sem migrar sistemas existentes ou atualizar contratos de verificação.

Blobstream Zero: Ponte Interligada baseada em zkVM para Validação Simplificada de Dados Interligados

Blobstream Zero é uma ponte cross-chain baseada em zkVM lançada pela RISC Zero em colaboração com a Celestia, projetada para conectar de forma transparente 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 produto público totalmente open source, 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 co-processadores ZK. Um co-processador 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 Celestia e, gerando 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 utiliza a tecnologia zkVM para permitir a execução verificável fora da cadeia de contratos inteligentes. Com Steel, os desenvolvedores podem transferir as operações do EVM da cadeia para a execução fora da cadeia, ao mesmo tempo 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 leva a custos elevados de Gas e limita o desenvolvimento de aplicações complexas. O mecanismo de cálculo 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, o cálculo é realizado off-chain e uma prova de conhecimento zero é gerada. O processo on-chain apenas exige 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 uma chamada de contrato processando aproximadamente 400.000 operações SLOAD, a Steel descarregou o cálculo 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 US $ 10, e o custo de verificação on-chain foi inferior a 300.000 Gás.

Kailua: Uma Solução Híbrida ZK que Impulsiona a Inovação na Arquitetura Rollup

Após o lançamento do Zeth, a RISC Zero introduziu o Kailua, fornecendo uma solução de atualização para Rollups otimistas por meio de uma abordagem híbrida ZK Rollup. Os Rollups otimistas tradicionais normalmente exigem um período de desafio de 7 dias, o que resulta em uma finalidade de transação mais lenta. Enquanto os ZK Rollups alcançam 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 executando no zkVM e introduz um mecanismo inovador de resolução de disputas que reduz os requisitos de aposta e minimiza os atrasos de finalidade, melhorando assim a eficiência e a usabilidade do sistema.

Na arquitetura de Kailua, o mecanismo de resolução de disputas adota um novo design. Em primeiro lugar, o mecanismo elimina as restrições de tempo, permitindo aos validadores tempo suficiente para gerar provas em caso de interrupções da rede ou outras circunstâncias especiais, aumentando a resiliência do sistema. Mesmo em casos extremos, a arquitetura escalável do RISC Zero zkVM pode gerar provas em uma hora. Além disso, o recurso de validação sob demanda do Kailua permite que os desenvolvedores configurem a frequência de validação de forma flexível, fazendo uma transição gradual para os modos de Rollup de validação completa a um custo mais baixo.

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 apostas para Rollups. Enquanto os Rollups otimistas tradicionais aumentam os requisitos de aposta linearmente à medida que o período de finalidade se prolonga, o design otimizado do Kailua corrige a demanda de aposta, mantendo a segurança e a 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 de Optimism e atualizar rapidamente para redes que suportam provas de falhas 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 custos e desempenho e estenderá o suporte a mais frameworks Rollup.

Resumo

Como visto acima, a suite de produtos zkVM da RISC Zero está impulsionando o desenvolvimento da tecnologia de prova de conhecimento zero em vários campos. Zeth e Kailua focam na otimização da arquitetura Rollup, melhorando a eficiência de verificação de blocos e a velocidade de resolução de disputas. Bonsai fornece serviços remotos de prova, reduzindo as dependências de hardware e os custos operacionais, permitindo que os desenvolvedores construam aplicações de forma mais eficiente. Blobstream Zero oferece verificação eficiente de dados entre cadeias, fornecendo suporte confiável para ecossistemas de blockchain modulares. Além disso, o Steel reduz os custos de Gas para a 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, o RISC Zero também está avançando nas inovações na tecnologia subjacente do zkVM. Recentemente, a versão 1.2 do zkVM RISC Zero foi lançada, introduzindo um novo método de pré-compilação que permite aos desenvolvedores implantar lógica pré-compilada ao lado de aplicativos, sem a necessidade de construí-la no zkVM em si. Isso significa que os desenvolvedores podem adicionar nova lógica pré-compilada sem modificar contratos de verificação on-chain, coordenar com geradores de prova ou fazer mudanças importantes no zkVM para alcançar otimizações de desempenho. Além disso, ao definir pré-compilações por meio de aplicativos, o custo computacional da geração de prova pode ser reduzido. Por exemplo, após a integração da pré-compilação RSA, o 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, o seu potencial manifestar-se-á gradualmente em múltiplos cenários de aplicação. No entanto, para desencadear totalmente este potencial, a colaboração do ecossistema e o desempenho real da implementação da tecnologia permanecem cruciais.

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