近日，RISC Zero zkVM 發布了 1.2 版本，引入了一種全新的預編譯方式，允許開發者將預編譯邏輯與應用程式一起部署，而無需內建在 zkVM 本身。
作者：LindaBell，ChainFeeds Research
封面： RISC Zero
在最近的 Devcon 會議上，以太坊基金會核心成員 Justin Drake 提出了 Beam Chain 提案，計劃透過 zkSNARK 和 zkVM 技術升級以太坊共識層，以提升網路的可擴展性、安全性和效率。這個願景也讓 zkVM 的重要性再次被關注。作為一種通用零知識虛擬機，zkVM 能以更靈活及高效的方式處理複雜運算，同時擺脫了對傳統智慧合約邏輯的依賴。
在這一趨勢的推動下，RISC Zero、Succinct 和 Cysic 等計畫則被視為推動該領域創新的重要參與者。其中，RISC Zero 憑藉基於 RISC-V 架構的 zkVM，開發了 Zeth、Kailua 和 Bonsai 等一系列開源工具，不僅提升了區塊驗證和 Rollup 的性能，也為以太坊 ZK 化升級提供了技術支援。
RISC zkVM 生態產品矩陣：從核心技術到情境應用
RISC Zero 是基於 RISC-V 指令集架構的 zkVM 實現，作為一個通用零知識運算平台，它支援多種主流程式語言，如 Rust 和 C++，幾乎可以運行任意運算任務。相較於其他零知識技術平台，RISC Zero 的證明者和驗證者是完全開源的，開發者可以在本地產生和驗證證明。此外，RISC Zero 的驗證器相容於多種平台，能夠適應不同區塊鏈生態，簡化了去中心化應用的開發流程。
今年 6 月，RISC Zero 發布了 zkVM 1.0。 zkVM 1.0 不僅支援多種語言和複雜運算任務，也利用 Continuations 技術將大規模運算分割成多個小段，實現高效率並行運算和驗證。根據路線圖，RISC Zero 計劃在 2024 年底前實現 zkVM 性能和成本的 20 倍提升，優化內容包括將證明流程完全遷移至 GPU（已完成 80%）、引入新型 RISC-V v2 電路設計，以及針對遞歸電路進行的專項優化等。同時，RISC Zero 正在整合一系列針對 RSA、Keccak、ECDSA 等演算法的加速模組，用於提升以太坊相關任務和加密操作的效能。
圍繞著 zkVM 的核心能力，RISC Zero 也開發了一系列開源工具和產品。例如，透過 Bonsai 網路將證明服務，開發者無需專用硬體即可產生零知識證明；透過 Steel 工具可以將複雜的 EVM 計算轉移至鏈下環境運行，同時保持結果可驗證，降低了鏈上執行成本；而 Blobstream Zero 則透過橋接 Celestia 資料可用性層，為模組化區塊鏈生態中的資料共享和驗證提供了更多可能性。
Zeth：證明整個以太坊區塊被正確建構
Zeth 是由 RISC Zero 基於其 zkVM 技術開發的開源以太坊零知識區塊證明器，可透過零知識證明驗證以太坊區塊的有效性，而無需依賴傳統驗證者或同步委員會。 RISC Zero 將 Zeth 定義為 Type-0 zkEVM，既完全相容於以太坊協議，又透過程式碼的重複利用，實現了開發效率的提升。
以太坊聯合創始人 Vitalik Buterin 在文章 “ Different types of zk-EVMs ” 將 zkEVM 分為了四類，其中 Type-1 力求完全和毫不妥協的等效於以太坊；Type-2 致力於完全等價於 EVM，但不完全等價於以太坊；Type-3 幾乎同等於 EVM；Type-4 則完全不相容於以太坊。
由於 RISC Zero zkVM 的高效能，Zeth 能夠在幾分鐘內完成以太坊區塊的驗證。測試數據顯示，Zeth 可以以 1.1 MHz 的速度產生區塊證明，並透過「繼續執行（continuations）」特性擴展 GPU 集群，將速度提升至 4.7 MHz 至 6.3 MHz。這種性能優化也降低了證明生成的成本。根據測試，一個包含 182 筆交易的區塊，其證明產生成本僅為 21.72 美元，每筆交易成本約為 0.11 美元。
同時，在開發 Zeth 的過程中，RISC Zero 團隊充分利用了 Rust 生態系統的元件，如 revm、ethers 和 alloy，使得開發者可以快速實現區塊證明功能並將其應用到不同場景中。這種設計為開發者提供了更多靈活性，能夠根據需要調整區塊建立邏輯並適應未來的以太坊改進提案。
在應用層面，Zeth 為 zk Rollup、輕客戶端和跨鏈橋提供了高效率的解決方案。傳統 zk Rollup 和 zkEVM 的建造需要耗費大量時間和資金，讓小型團隊望而卻步。而 Zeth 基於模組化的 zkVM 架構，讓開發者輕鬆自訂區塊驗證邏輯。例如：
- zk Rollup：Zeth 能夠快速實現區塊證明，能夠縮短 ZK Rollup 的開發週期並降低資金投入。
- 輕客戶端：無需重新建立區塊即可驗證區塊有效性，降低運行成本。
- 跨鏈橋：Zeth 透過 ZKP 可以在不洩漏鏈上敏感資訊的情況下驗證跨鏈資料的正確性，這減少了對第三方的信任依賴，並降低了跨鏈攻擊的風險。
今年 5 月，Zeth 成功擴展至支援從以太坊主網中提取 Optimism 區塊數據，並產生 ZKP 驗證區塊正確性，也支援在鏈上進行驗證。也就是說，借助 Zeth，Optimism 可以更有效率地驗證交易，解決交易爭議。
Bonsai：允許開發者無需使用自身硬體產生證明
Bonsai 是專為 zkVM 應用程式設計的遠端證明服務，讓開發者無需使用自身硬體產生證明，從而解決了鏈上運算資源有限與高昂成本之間的矛盾。透過 Bonsai，開發者只需定義需要執行的 zkVM 應用程式及輸入數據，Bonsai 即可在背景執行計算，並產生相應的零知識證明。此過程完全無需開發者部署額外的硬體設備。同時，Bonsai 利用了大量的 GPU 集群，支援並行化處理多個運算任務。此外，Bonsai 提供簡潔易用的 API 和 SDK 接口，使開發者能夠輕鬆將其整合到現有系統中，進一步降低了開發難度。
基於這項遠端證明服務，RISC Zero 推出了開源工具 Bonsai Pay，結合了 OAuth2.0 身份認證和 ZKP 技術，使用戶能夠透過 Google 帳戶在以太坊網路上發送或接收代幣。例如，當 Alice 想將資金轉帳給 Bob 時，Alice 可以透過 Bonsai Pay 輸入 Bob 的 Google 信箱和轉帳金額。 Bob 隨後可登陸 Bonsai Pay 輸入信箱地址並完成 Google 帳戶驗證。 Bonsai Pay 會使用 OAuth 2.0 產生授權代幣，證明 Bob 確實是該信箱的持有者。隨後 Bonsai Pay 呼叫 Bonsai 證明服務，產生零知識證明，證明 Bob 的 Google 帳戶與錢包地址相關聯。智能合約驗證證明後，會解鎖資金並將其轉移到 Bob 的錢包地址。
整個過程中，Bonsai Pay 透過 ZKP 技術驗證了「Bob 的 Google 帳戶與錢包地址相關聯」的事實，又避免洩露任何 Google 帳戶的具體資訊。
Bonsai 的另一個重要應用是 Bonsai ZK 協處理器（ZK Co-processor）。它透過零知識證明技術，將複雜的計算任務從鏈上轉移到鏈下，且產生不可篡改的證明以確保結果的正確性。同時，Bonsai 協處理器的部署也十分簡單，開發者只需編寫 zkVM 應用程式來處理邏輯，並透過簡單的 Solidity 合約呼叫 Bonsai，運行計算並驗證結果。在整個過程中，Bonsai 證明服務負責產生鏈下計算的零知識證明，這些證明可以在鏈上驗證。
Bonsai ZK 协处理器适用于需要高性能和低成本的链上应用。例如，在 DAO 治理中，它可以将复杂的投票计算转移到链下，显著降低链上 Gas 费用。Bonsai DAO Governor 通过协处理器将每票的 Gas 成本降低了超过 50%，有效提升治理效率，降低参与门槛。
Boundless：可驗證計算層
在傳統區塊鏈架構中，為了確保交易的有效性，所有節點都需要重複執行每筆交易的所有計算。這種「全域重執行」模式雖然能夠確保安全性和一致性，但也帶來了極高的運算成本。為了解決這個問題，RISC Zero 推出了 Boundless，讓單一節點完成計算後產生一個可驗證的零知識證明，其他節點只需驗證該證明即可確認結果，無需重複執行計算。
Boundless 透過遞歸組合技術簡化了驗證過程。它將多個小的零知識證明合併為一個整體證明，使驗證者只需檢查一個總證明，而不必逐一驗證所有階段的證明。為了進一步優化零知識證明的生成效率，Boundless 內建了專用的密碼學加速電路，優化了像是雜湊計算、數位簽章驗證等常見任務的效率。
此外，開發者使用 Boundless 不需要深入了解零知識技術，只需用熟悉的程式語言（如 Rust 或 Solidity）編寫應用程式即可。目前，Boundless 已向開發者開放免費存取。開發者無需遷移現有系統或更新驗證合約，就可以利用 Boundless 提供的 proving 服務，在任意區塊鏈上快速建立和部署零知識應用。
Blobstream Zero：簡化跨鏈資料驗證的 zkVM 的跨鏈橋
Blobstream Zero 是 RISC Zero 和 Celestia 合作推出的基於 zkVM 的跨鏈橋，旨在將 Celestia 的資料可用性層無縫連接到現有的模組化區塊鏈生態中。透過共享和驗證 Celestia 上的數據，Blobstream Zero 實現了鏈與鏈之間更方便的數據傳輸和驗證。
作為完全開源的公共產品，Blobstream Zero 允許任何專案或開發者運行本機實例，並產生零知識證明。此外，Blobstream Zero 也能夠為 ZK 協處理器提供支援。 ZK 協處理器本質上是一個鏈下計算工具，因此需要可靠的數據來執行計算。而 Blobstream Zero 可以從 Celestia 等區塊鏈中獲取數據，並且可以透過產生 ZK 證明來證明所傳輸的數據是可靠的。
Steel：鏈下執行與鏈上驗證的智能合約新範式
Steel 是 RISC Zero 推出的開源工具，利用 zkVM 技術實現了鏈下可驗證的智慧合約執行。透過 Steel，開發者可以將 EVM 操作從鏈上轉移到鏈下執行，同時產生零知識證明，確保計算結果的真實性和可驗證性。
傳統智能合約需要在鏈上完整執行所有邏輯，不僅 Gas 成本高昂，還限制了複雜應用的開發。而 Steel 的鏈下計算和鏈上驗證機制解決了這個問題。例如，在一個簡單的智能合約中，判斷某帳戶的 ERC20 餘額是否大於 1，並遞增計數器變數。傳統方法需要在鏈上完整執行邏輯，而 Steel 則在鏈下完成計算並產生零知識證明，鏈上只需驗證證明，無需重複執行合約邏輯。
目前，RISC Zero 已發布 Steel 1.0，並且已經有合作夥伴已功利用該工具開發了應用程式。例如，在一個處理約 40 萬次 SLOAD 操作的合約呼叫中，透過 Steel 將計算轉移至鏈下執行，隨後在鏈上驗證產生的零知識證明。證明生成成本不到 10 美元，鏈上驗證成本低於 30 萬 Gas。
Kailua：推動 Rollup 架構創新的混合 ZK 方案
繼發布 Zeth 後，RISC Zero 推出了 Kailua，旨為樂觀 Rollup 提供了一種混合 ZK Rollup 的升級方案。傳統樂觀 Rollup 通常需要 7 天的挑戰期，導致交易終局性較慢，而 ZK Rollup 雖然能快速實現終局性，但持續產生零知識證明的成本過高。 Kailua 結合了兩者的優勢，透過混合架構實現了成本與效率的平衡。作為 Optimism Kona 框架的擴展，Kailua 不僅支援未經修改的 Kona 在 zkVM 上運行，還引入了創新的爭議解決機制，降低了質押要求並減少了終局性延遲，從而提升了系統的效率和可用性。
在 Kailua 的架構中，爭議機制採用了全新的設計。首先，其爭議解決機制取消了時間限制，讓驗證者在遇到網路中斷等特殊情況時有充足時間產生證明，從而增強系統的彈性。即使在極端情況下，RISC Zero zkVM 的擴展架構仍能在一小時內完成證明。此外，Kailua 的按需驗證功能讓開發者能夠靈活配置驗證頻率，以更低成本逐步過渡到完全驗證的 Rollup 模式。
与 ZK Rollup 不同，Kailua 的设计无需持续生成证明。对于低频率的空区块或具有特殊合约需求的 Rollup，Kailua 提供了一种更具成本效益的选择。同时，Kailua 还显著降低了 Rollup 的质押成本需求。传统乐观 Rollup 的质押量会随着较长的终局性周期线性增加，而 Kailua 的优化设计将质押需求固定化，使得系统即使在长周期内依然能以更低成本维持安全性和活性。
目前，Kailua 已完全開源。開發者可以使用其命令列工具部署本地的 Optimism 測試網絡，並快速升級為支援 ZK 故障證明的網路。 Kailua 也支援模擬故障提案，幫助開發者了解驗證者如何透過 zkVM 挑戰錯誤狀態，從而深入理解其爭議解決機制。未來，Kailua 也將進一步優化成本與效能，及擴展至更多的 Rollup 框架支援。
總結
從上文可以看出，RISC Zero 的 zkVM 產品矩陣正推動零知識證明技術在多個領域的發展。 Zeth 和 Kailua 專注於 Rollup 架構優化，提升了區塊驗證效率和爭議解決速度。 Bonsai 提供遠端證明服務，降低了硬體依賴和運行成本，使開發者能夠更有效率地建立應用。而 Blobstream Zero 透過高效驗證跨鏈數據，為模組化區塊鏈生態提供了可靠支援。此外，Steel 透過鏈下計算與鏈上驗證的模式，降低了智慧合約執行的 Gas 成本。
當然，在不斷完善 zkVM 產品矩陣的同時，RISC Zero 也持續推動 zkVM 底層技術的創新。近日，RISC Zero zkVM 發布了 1.2 版本，引入了一種全新的預編譯方式，允許開發者將預編譯邏輯與應用程式一起部署，而無需內建在 zkVM 本身。這意味著開發者可以添加新的預編譯邏輯，而無需修改鏈上驗證合約或協調證明者的配置，也無需對 zkVM 進行分叉或重大改動即可實現效能最佳化。此外，透過應用定義預編譯，還可減少證明產生的計算成本。例如 Automata 整合 RSA 預編譯後，將執行週期從 3,900 萬降至 21.7 萬，成本降低了約 180 倍。
隨著 zkVM 技術的不斷優化，其發展潛力將在多個應用場景中逐步體現，不過如果要更好的釋放這些潛力，仍要依賴生態協作和技術落地的實際表現。
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