ZK Co-processador: Reinventando o novo paradigma das aplicações em Blockchain

A origem histórica dos coprocessadores

Os coprocessadores existem há muito tempo na área da computação, assumindo principalmente o papel de aliviar a CPU de tarefas específicas. Por exemplo, o coprocessador M7 de movimento lançado pela Apple em 2013 melhorou significativamente a capacidade de percepção de movimento de dispositivos inteligentes, enquanto o GPU amplamente conhecido foi proposto pela Nvidia em 2007 como um coprocessador de processamento gráfico. Esta arquitetura é geralmente chamada de "computação heterogénea" ou "computação híbrida".

A principal vantagem do coprocessador é que ele pode lidar com algumas tarefas específicas que são complexas e exigem alto desempenho, permitindo que a CPU se concentre em trabalhos de computação mais flexíveis e variados.

Desafios enfrentados pelo Ethereum

O Ethereum enfrenta atualmente dois problemas principais:

1. As elevadas taxas de Gas limitam o desenvolvimento de aplicações complexas. Uma simples transferência requer 21000 Gas, e operações mais complexas têm custos ainda mais altos, o que impede gravemente a adoção generalizada de aplicações e usuários.

2. Os contratos inteligentes só podem aceder a dados de blocos recentes limitados. Atualizações futuras da rede podem restringir ainda mais o armazenamento de dados históricos, dificultando a implementação de muitas aplicações inovadoras que dependem de grandes volumes de dados.

Esses problemas surgem do fato de que o design inicial do Ethereum não considerou o tratamento de tarefas de computação em larga escala e intensivas em dados. Para compatibilizar essas aplicações, é necessário introduzir o conceito de coprocessadores. A cadeia principal do Ethereum atua como "CPU", enquanto os coprocessadores são semelhantes a "GPU", podendo lidar de forma flexível com tarefas de computação e intensivas em dados. Combinando com a tecnologia de prova de conhecimento zero, os coprocessadores podem realizar computações confiáveis fora da cadeia.

Perspectivas de Aplicação do Coprocessador

As áreas de aplicação do processador ZK são muito amplas, abrangendo quase todos os cenários reais de aplicações descentralizadas, incluindo mas não se limitando a:

• Aplicação social
• Jogo
• Protocólo DeFi
• Sistema de gestão de risco baseado em dados da blockchain
• Oráculo
• Armazenamento de dados
• Treinamento e inferência de grandes modelos de linguagem

Teoricamente, qualquer aplicação Web2 pode ser implementada na Blockchain através de processadores ZK, ao mesmo tempo que pode contar com o Ethereum como camada de liquidação segura.

Visão Geral dos Projetos de Processadores de Consenso Principais

Atualmente, os conhecidos projetos de coprocessadores na indústria estão principalmente focados em três grandes cenários de aplicação:

1. Indexação de dados na Blockchain
2. Oráculo
3. ZKML ( aprendizagem de máquina com conhecimento zero )

O processador coadjuvante ZK genérico (General-ZKM) pode cobrir os três tipos de cenários. A arquitetura da máquina virtual subjacente utilizada por diferentes projetos também varia, como o Delphinus que se concentra no zkWASM, enquanto o Risc Zero é baseado na arquitetura RISC-V.

Arquitetura técnica de projetos típicos de coprocessadores

Risc Zero

O coprocessador ZK da Risc Zero chama-se Bonsai, e tem como objetivo tornar-se um coprocessador genérico independente de blockchain. O Bonsai é baseado na arquitetura de conjunto de instruções RISC-V e suporta várias linguagens de programação como Rust, C++, Solidity, Go, entre outras.

Os principais componentes do Bonsai incluem:

• Rede de Provedores: receber e gerar provas ZK
• Pool de pedidos: Armazenar pedidos de prova iniciados pelo usuário
• Motor de Rollup: recolhe e submete os resultados da prova à mainnet
• Image Hub: Plataforma de desenvolvimento visual
• Armazenamento de estado: base de dados de chave-valor off-chain
• Mercado de Provas: uma plataforma que combina a oferta e a procura de poder de cálculo

Lagrange

Lagrange pretende construir um coprocessador e uma base de dados verificável, contendo dados históricos na Blockchain, para apoiar o desenvolvimento de aplicações que requerem cálculos intensivos e grandes volumes de dados.

As suas principais funções incluem:

1. Base de dados verificável: estado de contratos inteligentes em cadeia de índices
2. Cálculo paralelo baseado nos princípios do MapReduce

Lagrange adotou uma nova estrutura de dados para armazenar o estado dos contratos, o estado das contas e os dados do bloco, para atender às necessidades da prova de conhecimento zero. Sua máquina virtual ZKMR realiza o cálculo distribuído e a fusão de provas através de dois passos: Map e Reduce.

Succinct

O objetivo da Succinct Network é integrar fatos programáveis em todas as etapas da pilha de desenvolvimento de Blockchain. Seu ZKVM off-chain é chamado de Succinct Processor (SP), que suporta linguagens LLVM como Rust.

As características principais do SP incluem:

1. Prova recursiva baseada em STARKs
2. Wrapper de SNARKs para STARKs
3. Arquitetura zkVM centrada na pré-compilação

Comparação de Projetos de Coprocessador

Ao comparar projetos de processadores ZK mais gerais, devem ser considerados principalmente os seguintes aspectos:

1. Capacidade de indexação/sincronização de dados
2. Rota tecnológica subjacente ( SNARKs vs STARKs )
3. É suportada a prova recursiva
4. Eficiência do sistema de provas
5. Situação da cooperação ecológica
6. Contexto de financiamento

De um modo geral, os caminhos técnicos dos projetos predominantes são bastante semelhantes, todos adotaram wrappers de STARKs para SNARKs, suportam provas recursivas e construíram suas próprias redes de provadores. Em um cenário de homogeneização severa, a colaboração ecológica e a capacidade de aquisição de recursos podem tornar-se fatores competitivos-chave.

Diferenças entre Co-processador e Layer2

Ao contrário do Layer2 voltado para o usuário, os coprocessadores são principalmente voltados para o desenvolvimento de aplicações. Podem atuar como componentes de aceleração ou componentes modularizados, aplicados nos seguintes cenários:

1. Como componente de máquina virtual off-chain do ZK Layer2
2. Fornecer poder de cálculo fora da cadeia para aplicações na blockchain pública
3. Como um oráculo verificável de dados entre cadeias
4. Servir como uma ponte para a comunicação inter-chain

O potencial do coprocessador vai muito além disso, pois espera-se que ele reestruture os vários tipos de middleware no ecossistema Blockchain, incluindo oráculos, consultas de dados, pontes entre cadeias, etc.

Desafios enfrentados pelos coprocessadores

1. Alta barreira de entrada: A tecnologia ZK é complexa, exigindo domínio de linguagens e ferramentas específicas.
2. A pista ainda está em fase inicial: os projetos ainda estão a explorar a rota técnica ideal.
3. Suporte de hardware insuficiente: hardware ZK dedicado ainda não está em uso comercial em larga escala
4. Homogeneização tecnológica: difícil de formar vantagens tecnológicas significativas, a competição pode se voltar para a capacidade de aquisição de recursos.

Perspectivas Futuras

A tecnologia ZK tem o potencial de remodelar o paradigma de desenvolvimento de aplicações em Blockchain. As perspectivas de aplicação de um co-processador ZK genérico são vastas, podendo teoricamente realizar qualquer versão correspondente de aplicações Web2 na Blockchain.

Os dois indicadores-chave para realizar a "adoção em larga escala" são: um banco de dados totalmente comprovável em tempo real na blockchain e computação off-chain de baixo custo. Este objetivo precisa ser alcançado através de iterações graduais, e a comercialização dos chips de potência ZK também é uma premissa importante.

Atualmente, o ciclo carece de inovação real, o que oferece uma janela de oportunidade para a construção da próxima geração de tecnologias e aplicações de "grande adoção". Espera-se que na próxima rodada do ciclo, a cadeia industrial ZK alcance a comercialização, estabelecendo a base para interações on-chain da Web3 que suportarão bilhões de usuários.