ZK协处理器:构建Web3的可信计算基础设施

在计算机领域,协处理器负责为CPU处理其他繁杂任务的辅助处理单元。例如,GPU就是一种广为人知的协处理器,负责为CPU处理图形渲染等任务。协处理器通过卸载一些计算密集且耗时的代码部分来加速应用程序,这种架构被称为"异构"或"混合"计算。

协处理器能够处理一些复杂且单一性能要求或极高性能要求的代码,让CPU处理更加灵活多变的部分。在以太坊链上,有两个严重阻碍应用发展的问题:

1. 高昂的Gas费限制了链上应用的开发范围。大多数合约代码仅围绕资产操作编写,复杂操作需要大量Gas,这对应用和用户的大规模采用是严重阻碍。

2. 智能合约只能访问近期的256个区块数据。未来的升级可能导致全节点不再存储过去的区块数据,数据的缺失限制了基于数据的创新应用出现。

这表明计算和数据都限制了新计算范式的出现。以太坊区块链本身并非为处理大量计算和数据密集型任务而设计。要兼容这些应用,就需要引入协处理器。以太坊链本身作为CPU,协处理器类似于GPU,链处理简单的资产数据和操作,而应用可以使用协处理器灵活使用数据或计算资源。为保证链下计算的可信性,协处理器大多以ZK技术为底层进行研发。

ZK协处理器的应用边界很广,可覆盖任何真实的dapp场景,如社交、游戏、DeFi、风控系统、预言机、数据存储、大模型训练推理等。理论上,Web2应用能做的事情,有了ZK协处理器就都能在Web3实现,并且有以太坊作为最终结算层保护应用安全性。

目前业内比较知名的协处理器项目主要分为三类:链上数据索引、预言机和ZKML。General-ZKM项目涵盖了这三大应用场景。不同项目在链下运行的虚拟机各有不同,如Delphinus专注于zkWASM,Risc Zero专注于Risc-V架构。

主流协处理器项目技术架构

Risc Zero

Risc Zero的ZK协处理器名为Bonsai,是一套与链无关的零知识证明组件。其目标是成为通用的协处理器,基于Risc-V指令集架构,支持多种编程语言。主要功能包括:

1. 通用zkVM,可在零知识环境中运行任何虚拟机
2. 可集成到任何智能合约或链的ZK证明生成系统
3. 通用rollup,将Bonsai上证明的计算分发到链上

其主要组件包括:

• 证明者网络:接受并生成ZK证明
• Request Pool:存储用户的证明请求
• Rollup引擎:收集并打包证明结果上传到主网
• Image Hub:可视化开发者平台,存储函数和应用程序
• State Store:链下状态存储
• Proving Marketplace:ZK证明算力市场

Lagrange

Lagrange的目标是构建协处理器和可验证数据库,包括区块链上的历史数据,用于开发无需信任的应用。主要功能:

1. 可验证数据库:索引链上智能合约状态
2. MapReduce原则的计算:采用数据分离并行计算

数据库设计涉及合约存储数据、EOA状态数据和区块数据三部分。采用SNARK/STARK递归证明技术。

ZKMR虚拟机的计算包括Map和Reduce两个步骤,可将小计算的证明组合成整个计算的证明,有效扩展大规模复杂计算。

执行流程:

1. 开发者合约在Lagrange注册并提交证明请求
2. Lagrange将请求分解为并行小任务分发给证明器
3. 证明器网络由EigenLayer的Restaking技术保障安全性

Succinct

Succinct Network目标是将可编程事实集成到区块链开发各个部分。其特点是:

• 支持多种编程语言
• 完成目标链数据索引
• 证明市场兼容各种证明系统

链下ZKVM称为SP(Succinct Processor),核心特性:

1. 基于STARKs的递归证明技术
2. 支持SNARKs到STARKs包装器
3. 预编译为中心的zkVM架构

协处理器项目比较

比较维度:

1. 数据索引/同步能力
2. 采用的ZK技术路线
3. 是否支持递归证明
4. 证明系统设计
5. 生态合作情况
6. 融资及VC支持

总体来看,各项目技术路径趋同,如都使用STARKs到SNARKs包装器、支持递归、构建证明者网络等。在相似技术路径下,团队能力和背后资源支持可能成为关键差异点。

协处理器与Layer2的异同

与Layer2不同,协处理器面向应用而非用户。协处理器可作为加速组件或模块化组件,应用场景包括:

1. 作为ZK Layer2的链下虚拟机组件
2. 公链应用的链下算力卸载
3. 跨链可验证数据的预言机
4. 跨链桥的消息传递

协处理器带来了全链实时同步数据与高性能低成本可信计算的潜力,可重构区块链的许多中间件。

协处理器面临的挑战

1. 开发难度高,技术学习曲线陡峭
2. 赛道极早期,性能优化复杂
3. 硬件等基础设施尚未成熟
4. 技术路径相似,难有突破性领先

总结与展望

ZK协处理器为Web3带来"Don't Trust, Verify it"的新范式。其应用边界广泛,理论上可实现任何Web2应用。ZK协处理器"大规模采用"的两个关键指标是全链实时可证明数据库和低成本链下计算。

ZK算力芯片的落地是协处理器大规模商业化的前提。预计下一轮周期ZK产业链将实现商业化落地,现在是构建能承载10亿用户链上交互的技术的关键窗口期。