ZK Co-Processor: Construir a infraestrutura de computação confiável para o Web3

Na área da computação, um coprocessador é responsável por tratar outras tarefas complexas como uma unidade de processamento auxiliar para a CPU. Por exemplo, a GPU é um coprocessador bem conhecido, responsável por lidar com tarefas como renderização gráfica para a CPU. Os coprocessadores aceleram aplicações ao descarregar partes do código que são intensivas em cálculos e demoradas, uma arquitetura conhecida como "computação heterogênea" ou "computação híbrida."

Os coprocessadores podem lidar com códigos que têm requisitos de desempenho complexos e únicos ou requisitos de desempenho extremamente altos, permitindo que a CPU trate partes mais flexíveis e variáveis. Na cadeia Ethereum, existem dois problemas sérios que impedem o desenvolvimento de aplicações:

1. As elevadas taxas de Gas limitam o âmbito de desenvolvimento das aplicações em cadeia. A maioria do código dos contratos é escrita apenas em torno de operações de ativos, operações complexas requerem uma grande quantidade de Gas, o que representa um sério obstáculo à adoção em grande escala das aplicações e dos utilizadores.

2. Os contratos inteligentes só podem aceder aos dados dos 256 blocos mais recentes. Futuras atualizações podem fazer com que nós completos deixem de armazenar dados de blocos passados, e a falta de dados limita o surgimento de aplicações inovadoras baseadas em dados.

Isso indica que o cálculo e os dados limitaram o surgimento de um novo paradigma de computação. A própria blockchain do Ethereum não foi projetada para lidar com tarefas que exigem um grande volume de cálculos e dados. Para ser compatível com essas aplicações, é necessário introduzir coprocessadores. A blockchain do Ethereum funciona como uma CPU, enquanto os coprocessadores são semelhantes a GPUs, a cadeia processa dados e operações de ativos simples, enquanto as aplicações podem usar coprocessadores para utilizar recursos de dados ou computacionais de forma flexível. Para garantir a confiabilidade da computação fora da cadeia, a maioria dos coprocessadores é desenvolvida com tecnologias ZK como base.

A aplicação do ZK co-processador é ampla, podendo cobrir qualquer cenário real de dapp, como social, jogos, DeFi, sistemas de gestão de riscos, oráculos, armazenamento de dados, treinamento e inferência de grandes modelos, entre outros. Teoricamente, tudo o que as aplicações Web2 podem fazer pode ser realizado na Web3 com o ZK co-processador, tendo o Ethereum como camada de liquidação final para proteger a segurança das aplicações.

Atualmente, os projetos de coprocessadores mais conhecidos na indústria podem ser divididos em três categorias: indexação de dados on-chain, oráculos e ZKML. O projeto General-ZKM abrange esses três grandes cenários de aplicação. Diferentes projetos têm máquinas virtuais que operam off-chain distintas, como a Delphinus que se concentra em zkWASM e a Risc Zero que se concentra na arquitetura Risc-V.

Arquitetura técnica do projeto de processadores de consenso mainstream

Risc Zero

O coprocessador ZK da Risc Zero chama-se Bonsai, e é um conjunto de componentes de prova de conhecimento zero independente da cadeia. Seu objetivo é se tornar um coprocessador genérico, baseado na arquitetura de conjunto de instruções Risc-V, suportando várias linguagens de programação. As principais funções incluem:

1. zkVM genérico, pode executar qualquer máquina virtual em um ambiente de conhecimento zero
2. Sistema de geração de provas ZK que pode ser integrado em qualquer contrato inteligente ou cadeia.
3. Rollup genérico, distribuindo os cálculos comprovados no Bonsai para a cadeia.

Os principais componentes incluem:

• Rede de Provedores: aceita e gera provas ZK
• Request Pool: Armazenar os pedidos de prova dos usuários
• Motor de Rollup: coleta e empacota os resultados das provas para upload na mainnet
• Image Hub: plataforma de desenvolvedor visual, armazenamento de funções e aplicações
• State Store: Armazenamento de estado fora da cadeia
• Proving Marketplace: Mercado de Poder de Prova ZK

Lagrange

O objetivo do Lagrange é construir coprocessadores e bases de dados verificáveis, incluindo dados históricos na blockchain, para o desenvolvimento de aplicações sem confiança. Principais funcionalidades:

1. Banco de dados verificável: estado do contrato inteligente indexado na blockchain
2. Cálculo segundo o princípio MapReduce: utiliza separação de dados e cálculo paralelo.

O design de banco de dados envolve três partes: dados de armazenamento de contratos, dados de estado EOA e dados de bloco. Utiliza tecnologia de prova recursiva SNARK/STARK.

O cálculo da máquina virtual ZKMR inclui duas etapas: Map e Reduce, que podem combinar as provas de pequenos cálculos em uma prova de todo o cálculo, expandindo efetivamente cálculos complexos em grande escala.

Execução do processo:

1. O contrato do desenvolvedor é registado no Lagrange e um pedido de prova é submetido.
2. Lagrange divide o pedido em pequenas tarefas paralelas para distribuir aos provadores
3. A rede de validadores é garantida pela segurança da tecnologia de Restaking da EigenLayer

Succinto

O objetivo da Succinct Network é integrar fatos programáveis em todas as partes do desenvolvimento de blockchain. As suas características são:

• Suporte a várias linguagens de programação
• Completar a indexação de dados da cadeia de objetivos
• Prova de que o mercado é compatível com vários sistemas de prova

O ZKVM off-chain é conhecido como SP(Succinct Processor), características principais:

1. Tecnologia de prova recursiva baseada em STARKs
2. Suporte a wrappers de SNARKs para STARKs
3. Arquitetura zkVM centrada na pré-compilação

Comparação de Projetos de Coprocessadores

Dimensões de comparação:

1. Capacidade de indexação/sincronização de dados
2. Rota tecnológica ZK adotada
3. Suporta provas recursivas?
4. Design do sistema de prova
5. Situação da cooperação ecológica
6. Financiamento e apoio de capital de risco

De um modo geral, as trajetórias tecnológicas dos diversos projetos estão a convergir, como o uso de embalagens STARKs para SNARKs, suporte à recursão, construção de redes de provadores, entre outros. Com trajetórias tecnológicas semelhantes, a capacidade da equipa e o suporte de recursos por trás podem tornar-se pontos de diferença chave.

Semelhanças e Diferenças entre Co-processadores e Layer2

Ao contrário do Layer2, o coprocessador é voltado para aplicações e não para usuários. O coprocessador pode atuar como um componente de aceleração ou um componente modular, com cenários de aplicação que incluem:

1. Como componente de máquina virtual fora da cadeia em ZK Layer2
2. Descarregamento de capacidade de cálculo fora da cadeia em aplicações de blockchain pública
3. Oráculo de dados verificáveis entre cadeias
4. Mensagens de transferência entre cadeias de blocos

Os coprocessadores trouxeram o potencial para sincronização de dados em tempo real em toda a cadeia e computação confiável de alto desempenho e baixo custo, podendo reconfigurar muitos intermediários de blockchain.

Desafios enfrentados pelos coprocessadores

1. Alta dificuldade de desenvolvimento, curva de aprendizado técnico íngreme
2. O desempenho na fase inicial da pista é complexo.
3. A infraestrutura básica, como hardware, ainda não está madura.
4. Os caminhos técnicos são semelhantes, difícil ter uma vantagem inovadora.

Resumo e Perspectivas

Os processadores ZK trazem uma nova paradigma de "Não Confie, Verifique" para o Web3. Seus limites de aplicação são amplos, podendo teoricamente realizar qualquer aplicação Web2. Os dois indicadores chave para a "adoção em larga escala" dos processadores ZK são a base de dados comprovável em tempo real em toda a cadeia e o cálculo fora da cadeia de baixo custo.

A implementação dos chips de ZK é um pré-requisito para a comercialização em larga escala dos coprocessadores. Espera-se que na próxima fase o ciclo da cadeia de ZK alcance a comercialização; agora é um período crucial para construir tecnologias que possam suportar interações em cadeia de 1 bilhão de usuários.