ZK協處理器:構建Web3的可信計算基礎設施

在計算機領域,協處理器負責爲CPU處理其他繁雜任務的輔助處理單元。例如,GPU就是一種廣爲人知的協處理器,負責爲CPU處理圖形渲染等任務。協處理器通過卸載一些計算密集且耗時的代碼部分來加速應用程序,這種架構被稱爲"異構"或"混合"計算。

協處理器能夠處理一些復雜且單一性能要求或極高性能要求的代碼,讓CPU處理更加靈活多變的部分。在以太坊鏈上,有兩個嚴重阻礙應用發展的問題:

1. 高昂的Gas費限制了鏈上應用的開發範圍。大多數合約代碼僅圍繞資產操作編寫,復雜操作需要大量Gas,這對應用和用戶的大規模採用是嚴重阻礙。

2. 智能合約只能訪問近期的256個區塊數據。未來的升級可能導致全節點不再存儲過去的區塊數據,數據的缺失限制了基於數據的創新應用出現。

這表明計算和數據都限制了新計算範式的出現。以太坊区块链本身並非爲處理大量計算和數據密集型任務而設計。要兼容這些應用,就需要引入協處理器。以太坊鏈本身作爲CPU,協處理器類似於GPU,鏈處理簡單的資產數據和操作,而應用可以使用協處理器靈活使用數據或計算資源。爲保證鏈下計算的可信性,協處理器大多以ZK技術爲底層進行研發。

ZK協處理器的應用邊界很廣,可覆蓋任何真實的dapp場景,如社交、遊戲、DeFi、風控系統、預言機、數據存儲、大模型訓練推理等。理論上,Web2應用能做的事情,有了ZK協處理器就都能在Web3實現,並且有以太坊作爲最終結算層保護應用安全性。

目前業內比較知名的協處理器項目主要分爲三類:鏈上數據索引、預言機和ZKML。General-ZKM項目涵蓋了這三大應用場景。不同項目在鏈下運行的虛擬機各有不同,如Delphinus專注於zkWASM,Risc Zero專注於Risc-V架構。

主流協處理器項目技術架構

Risc Zero

Risc Zero的ZK協處理器名爲Bonsai,是一套與鏈無關的零知識證明組件。其目標是成爲通用的協處理器,基於Risc-V指令集架構,支持多種編程語言。主要功能包括:

1. 通用zkVM,可在零知識環境中運行任何虛擬機
2. 可集成到任何智能合約或鏈的ZK證明生成系統
3. 通用rollup,將Bonsai上證明的計算分發到鏈上

其主要組件包括:

• 證明者網路:接受並生成ZK證明
• Request Pool:存儲用戶的證明請求
• Rollup引擎:收集並打包證明結果上傳到主網
• Image Hub:可視化開發者平台,存儲函數和應用程序
• State Store:鏈下狀態存儲
• Proving Marketplace:ZK證明算力市場

Lagrange

Lagrange的目標是構建協處理器和可驗證數據庫,包括區塊鏈上的歷史數據,用於開發無需信任的應用。主要功能:

1. 可驗證數據庫:索引鏈上智能合約狀態
2. MapReduce原則的計算:採用數據分離並行計算

數據庫設計涉及合約存儲數據、EOA狀態數據和區塊數據三部分。採用SNARK/STARK遞歸證明技術。

ZKMR虛擬機的計算包括Map和Reduce兩個步驟,可將小計算的證明組合成整個計算的證明,有效擴展大規模復雜計算。

執行流程:

1. 開發者合約在Lagrange註冊並提交證明請求
2. Lagrange將請求分解爲並行小任務分發給證明器
3. 證明器網路由EigenLayer的Restaking技術保障安全性

Succinct

Succinct Network目標是將可編程事實集成到區塊鏈開發各個部分。其特點是:

• 支持多種編程語言
• 完成目標鏈數據索引
• 證明市場兼容各種證明系統

鏈下ZKVM稱爲SP(Succinct Processor),核心特性:

1. 基於STARKs的遞歸證明技術
2. 支持SNARKs到STARKs包裝器
3. 預編譯爲中心的zkVM架構

協處理器項目比較

比較維度:

1. 數據索引/同步能力
2. 採用的ZK技術路線
3. 是否支持遞歸證明
4. 證明系統設計
5. 生態合作情況
6. 融資及VC支持

總體來看,各項目技術路徑趨同,如都使用STARKs到SNARKs包裝器、支持遞歸、構建證明者網路等。在相似技術路徑下,團隊能力和背後資源支持可能成爲關鍵差異點。

協處理器與Layer2的異同

與Layer2不同,協處理器面向應用而非用戶。協處理器可作爲加速組件或模塊化組件,應用場景包括:

1. 作爲ZK Layer2的鏈下虛擬機組件
2. 公鏈應用的鏈下算力卸載
3. 跨鏈可驗證數據的預言機
4. 跨鏈橋的消息傳遞

協處理器帶來了全鏈實時同步數據與高性能低成本可信計算的潛力,可重構區塊鏈的許多中間件。

協處理器面臨的挑戰

1. 開發難度高,技術學習曲線陡峭
2. 賽道極早期,性能優化復雜
3. 硬件等基礎設施尚未成熟
4. 技術路徑相似,難有突破性領先

總結與展望

ZK協處理器爲Web3帶來"Don't Trust, Verify it"的新範式。其應用邊界廣泛,理論上可實現任何Web2應用。ZK協處理器"大規模採用"的兩個關鍵指標是全鏈實時可證明數據庫和低成本鏈下計算。

ZK算力芯片的落地是協處理器大規模商業化的前提。預計下一輪週期ZK產業鏈將實現商業化落地,現在是構建能承載10億用戶鏈上交互的技術的關鍵窗口期。