ZK协处理器：区块链应用的新范式

计算机领域的协处理器负责为CPU处理繁杂任务。例如,2013年苹果推出M7运动协处理器提升了智能设备的运动灵敏度,2007年Nvidia提出的GPU协处理器负责图形渲染等任务。协处理器能卸载复杂且性能要求高的代码,让CPU处理更灵活的部分。

以太坊链上存在两个制约应用发展的问题:

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,复杂操作需要大量Gas,阻碍了应用和用户的广泛采用。

2. 智能合约只能访问近期256个区块的数据。未来的升级将导致全节点不再存储过去的区块数据。数据缺失使基于数据的创新应用难以出现,限制了"大规模采用"产品的出现。

这些问题源于以太坊区块链的设计初衷并非处理大量计算和数据密集型任务。要兼容这些应用,需要引入协处理器概念。以太坊链作为CPU,协处理器类似GPU,处理计算和数据密集型任务。结合ZK技术,可以保证协处理器在链下进行可信的计算和数据使用。

ZK协处理器的应用范围广泛,涵盖社交、游戏、DeFi、风控系统、预言机、数据存储、大模型训练等。理论上,Web2应用能实现的功能,ZK协处理器都能实现,并利用以太坊作为结算层保护应用安全。

目前业内对ZK协处理器的定义不尽相同,如ZK-Query、ZK-Oracle、ZKM等都属此类,能协助查询链上完整数据、链下可信数据及链下计算结果。从某种角度看,Layer2也可视为以太坊的协处理器。

协处理器项目概览

当前知名的协处理项目主要分为三大类:链上数据索引、预言机和ZKML。General-ZKM项目涵盖所有三种场景。不同项目采用的链下虚拟机各有不同,如Delphinus专注于zkWASM,Risc Zero专注于Risc-V架构。

协处理器技术架构

以下分析几个典型的通用型ZK协处理器项目,探讨其技术和机制设计的异同。

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。基于Risc-V指令集架构,支持Rust、C++、Solidity、Go等多种语言。主要功能包括:

1. 通用zkVM,可在零知识/可验证环境中运行任何虚拟机。
2. 可直接集成到智能合约或链中的ZK证明生成系统。
3. 通用rollup,将Bonsai上证明的计算分发到链上。

Bonsai的关键组件包括证明者网络、Request Pool、Rollup引擎、Image Hub、State Store和Proving Marketplace等。

Lagrange

Lagrange旨在构建协处理器和可验证数据库,包含区块链历史数据,便于开发无需信任的应用。其核心功能包括:

1. 可验证数据库:索引链上智能合约存储,重构区块链存储、状态和区块。
2. 基于MapReduce原则的计算:采用数据分离多实例并行计算,最后整合结果。

Lagrange的数据库设计涵盖合约存储数据、EOA状态数据和区块数据。其ZKMR虚拟机采用Map和Reduce两个步骤进行计算和证明。

Succinct

Succinct Network致力于将可编程事实集成到区块链开发各个环节。其协处理器支持多种编程语言,包括Solidity和专门的零知识领域语言。Succinct的链下ZKVM称为SP(Succinct Processor),支持Rust和其他LLVM语言。

比较分析

在比较通用ZK协处理器时,主要考虑以下因素:

1. 数据索引/同步能力
2. 采用的ZK技术(SNARKs vs STARKs)
3. 是否支持递归
4. 证明系统效率
5. 生态合作情况
6. 融资及VC支持

总体来看,各项目的技术路径趋同,如使用STARKs到SNARKs的包装器,支持递归,构建证明者网络和云算力市场等。在技术相似的情况下,团队实力和背后VC的生态资源或将成为关键竞争因素。

协处理器与Layer2的区别

与面向用户的Layer2不同,协处理器面向应用。它可作为加速组件或模块化组件,用于以下场景:

1. 作为ZK Layer2的链下虚拟机组件
2. 为公链应用提供链下算力
3. 作为公链应用获取其他链可验证数据的预言机
4. 充当跨链桥进行消息传递

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,可用于重构区块链的各种中间件。

协处理器面临的挑战

1. 开发门槛高,需要掌握特定语言和工具。
2. 行业处于早期阶段,性能标准复杂,格局尚未明朗。
3. 硬件等基础设施尚未完全就绪。
4. 技术路径相似,难以实现技术上的显著领先。

总结与展望

ZK技术具有极强的通用性,有望重构区块链生态中的多个关键环节。通用型ZK协处理器是实现ZK技术落地的重要工具之一,其应用边界涵盖几乎所有dapp场景。

ZK协处理器的大规模采用需要满足两个关键指标:全链实时可证明数据库和低成本链下计算。随着这些目标的逐步实现,软件开发范式有望发生根本性变革。ZK算力芯片的商业化应用将是ZK协处理器大规模落地的重要前提。

虽然当前周期创新相对缺乏,但这正是构建下一代"大规模采用"技术和应用的关键窗口期。预计在下一轮周期中,ZK产业链将实现商业化落地。现在是时候关注那些能够真正支持Web3承载数十亿用户链上交互的核心技术了。