ZK協處理器：區塊鏈應用的新範式

計算機領域的協處理器負責爲CPU處理繁雜任務。例如,2013年蘋果推出M7運動協處理器提升了智能設備的運動靈敏度,2007年Nvidia提出的GPU協處理器負責圖形渲染等任務。協處理器能卸載復雜且性能要求高的代碼,讓CPU處理更靈活的部分。

以太坊鏈上存在兩個制約應用發展的問題:

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,復雜操作需要大量Gas,阻礙了應用和用戶的廣泛採用。

2. 智能合約只能訪問近期256個區塊的數據。未來的升級將導致全節點不再存儲過去的區塊數據。數據缺失使基於數據的創新應用難以出現,限制了"大規模採用"產品的出現。

這些問題源於以太坊區塊鏈的設計初衷並非處理大量計算和數據密集型任務。要兼容這些應用,需要引入協處理器概念。以太坊鏈作爲CPU,協處理器類似GPU,處理計算和數據密集型任務。結合ZK技術,可以保證協處理器在鏈下進行可信的計算和數據使用。

ZK協處理器的應用範圍廣泛,涵蓋社交、遊戲、DeFi、風控系統、預言機、數據存儲、大模型訓練等。理論上,Web2應用能實現的功能,ZK協處理器都能實現,並利用以太坊作爲結算層保護應用安全。

目前業內對ZK協處理器的定義不盡相同,如ZK-Query、ZK-Oracle、ZKM等都屬此類,能協助查詢鏈上完整數據、鏈下可信數據及鏈下計算結果。從某種角度看,Layer2也可視爲以太坊的協處理器。

協處理器項目概覽

當前知名的協處理項目主要分爲三大類:鏈上數據索引、預言機和ZKML。General-ZKM項目涵蓋所有三種場景。不同項目採用的鏈下虛擬機各有不同,如Delphinus專注於zkWASM,Risc Zero專注於Risc-V架構。

協處理器技術架構

以下分析幾個典型的通用型ZK協處理器項目,探討其技術和機制設計的異同。

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。基於Risc-V指令集架構,支持Rust、C++、Solidity、Go等多種語言。主要功能包括:

1. 通用zkVM,可在零知識/可驗證環境中運行任何虛擬機。
2. 可直接集成到智能合約或鏈中的ZK證明生成系統。
3. 通用rollup,將Bonsai上證明的計算分發到鏈上。

Bonsai的關鍵組件包括證明者網路、Request Pool、Rollup引擎、Image Hub、State Store和Proving Marketplace等。

Lagrange

Lagrange旨在構建協處理器和可驗證數據庫,包含區塊鏈歷史數據,便於開發無需信任的應用。其核心功能包括:

1. 可驗證數據庫:索引鏈上智能合約存儲,重構區塊鏈存儲、狀態和區塊。
2. 基於MapReduce原則的計算:採用數據分離多實例並行計算,最後整合結果。

Lagrange的數據庫設計涵蓋合約存儲數據、EOA狀態數據和區塊數據。其ZKMR虛擬機採用Map和Reduce兩個步驟進行計算和證明。

Succinct

Succinct Network致力於將可編程事實集成到區塊鏈開發各個環節。其協處理器支持多種編程語言,包括Solidity和專門的零知識領域語言。Succinct的鏈下ZKVM稱爲SP(Succinct Processor),支持Rust和其他LLVM語言。

比較分析

在比較通用ZK協處理器時,主要考慮以下因素:

1. 數據索引/同步能力
2. 採用的ZK技術(SNARKs vs STARKs)
3. 是否支持遞歸
4. 證明系統效率
5. 生態合作情況
6. 融資及VC支持

總體來看,各項目的技術路徑趨同,如使用STARKs到SNARKs的包裝器,支持遞歸,構建證明者網路和雲算力市場等。在技術相似的情況下,團隊實力和背後VC的生態資源或將成爲關鍵競爭因素。

協處理器與Layer2的區別

與面向用戶的Layer2不同,協處理器面向應用。它可作爲加速組件或模塊化組件,用於以下場景:

1. 作爲ZK Layer2的鏈下虛擬機組件
2. 爲公鏈應用提供鏈下算力
3. 作爲公鏈應用獲取其他鏈可驗證數據的預言機
4. 充當跨鏈橋進行消息傳遞

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,可用於重構區塊鏈的各種中間件。

協處理器面臨的挑戰

1. 開發門檻高,需要掌握特定語言和工具。
2. 行業處於早期階段,性能標準復雜,格局尚未明朗。
3. 硬件等基礎設施尚未完全就緒。
4. 技術路徑相似,難以實現技術上的顯著領先。

總結與展望

ZK技術具有極強的通用性,有望重構區塊鏈生態中的多個關鍵環節。通用型ZK協處理器是實現ZK技術落地的重要工具之一,其應用邊界涵蓋幾乎所有dapp場景。

ZK協處理器的大規模採用需要滿足兩個關鍵指標:全鏈實時可證明數據庫和低成本鏈下計算。隨着這些目標的逐步實現,軟件開發範式有望發生根本性變革。ZK算力芯片的商業化應用將是ZK協處理器大規模落地的重要前提。

雖然當前週期創新相對缺乏,但這正是構建下一代"大規模採用"技術和應用的關鍵窗口期。預計在下一輪週期中,ZK產業鏈將實現商業化落地。現在是時候關注那些能夠真正支持Web3承載數十億用戶鏈上交互的核心技術了。