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撰文：Bryan, IOSG Ventures

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往时的 2022 年对于 rollup 主要的议论焦点似乎齐和谐在 ZkEVM，然而别健忘 ZkVM 亦然另一种扩容技能。诚然 ZkEVM 并不是本文的要点，然而值获得味一下 ZkVM 与 ZkEVM 之间的的几个维度的不同之处:

皇冠澳门影院兼容性：诚然齐是扩容，然而侧要点并不同，ZkEVM 的侧要点在于径直收场与现存 EVM 的兼容，而 ZkVM 的定位在于收场全齐的扩容，也便是将 dapp 的逻辑以及性能升迁到最优，兼容性并不是首要的。底层搭好了，EVM 兼容也不错收场。性能：两者齐有比较不错预料的性能方面的瓶颈，ZkEVM 主要瓶颈在于兼容 EVM 这么一个并不安妥封装在 ZK 讲明注解系统时产生的过剩本钱。ZkVM 的瓶颈在于因为引入了教唆集 ISA,导致最终输出的敛迹更复杂。建设者体验：Type II ZkEVM ( 如 Scroll, Taiko) 主打的是对于 EVM Bytecode 的兼容，换句话说便是 Bytecode 级别卓绝以上的 EVM 代码齐不错通过 ZkEVM 产生对应的零常识讲明注解。对于 ZkVM 来说，有两个标的，一个标的是作念我方的 DSL( 如 Cairo), 另一个则是方针兼容现存的比较熟习的讲话如 C++/Rust（如 Risc0)。将来咱们瞻望原生的 solidity 以太坊建设者会不错无本钱挪动至 ZkEVM，而更新更强大的应用则会跑在 ZkVM 上。

好多东说念主应该还谨记这张图，CairoVM 事不关己游离于 ZkEVM 宗派构兵的本色原因是野心念念想的不同

在议论 ZkVM 之前，咱们起初念念考的是如安在区块链中收场 ZK 讲明注解系统。大约上，有两种法度收场电路 - 基于电路的系统 (circuit based) 以及基于假造机的系统 (vm-based)。

起初，基于电路的系统的功能是将表率 (program) 径直滚动为敛迹条目 (constraints) 并送入讲明注解系统 (proving system)；基于假造机的系统通过教唆集 (ISA) 实行表率，在此过程中产生实行轨迹 (execution trace)。这个实行轨迹之后会被映射成敛迹条目，然后被送入讲明注解系统。

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对于一个基于电路的系统，表率的经营由实行表率的每台机器 (machine) 进行敛迹。而对于基于假造机的系统，ISA 被镶嵌到电路产生器 (circuit generator) 中，并产生表率的敛迹 (constraints)，同期电路产生器有教唆集、运行周期、内存等等闭幕。假造机提供了通用性，即任何机器齐不错运行一个表率，惟有该表率的运行条目在上述闭幕边界内。

在假造机中一个 zkp 表率大要资历如下的历程：

图片起原: Bryan, IOSG Ventures

优弊端:

从建设者 (developer) 的角度来看，在基于电路的系统中建设时时需要对每个敛迹条目的本钱有深切的了解。相关词，对于编写假造机表率来说，电路是静态的，建设者需要更存眷的是教唆 (instructions)。从考据者 (verifier) 的角度来看，假定使用交流的纯 SNARK 动作后端，基于电路的系统和假造机在电路的通用性方面有很大的不同。电路系统对每个表率产生不同的电路，而假造机对不同表率产生交流的电路。这意味着，在一个 rollup 中，电路系统需要在 L1 上部署多个考据合约 (verifier contract)。从应用 (application) 的角度来看，假造机通过将内存模子 (memory) 镶嵌到野心中，使应用表率的逻辑愈加复杂，而使用电路系统的主见是为了提高表率的性能。从系统复杂性 (complexity) 的角度来看，假造机将更多的复杂性纳入系统，如内存模子、主机 (host) 和客户 (guest) 之间的通讯等，比较之下电路系统更简陋。

以下是目下 L1/L2 中基于电路和基于假造机的不同的名堂预览:

图片起原: Bryan, IOSG Ventures

假造机的野心原则

在假造机中，有两个关节的野心原则。起初，确保表率被正如实行。换句话说，输出 (output)（即敛迹条目 constraint）与输入 (input)（即表率 program）应当正确匹配。一般这是通过 ISA 教唆集完成的。其次，确保编译器 (compiler) 在从高等讲话调整为顺应的敛迹方法时能正确责任。

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1. ISA 教唆集

规章了电路产生器的责任神志。它的主要连累是将教唆 (instructions) 正确地映射到敛迹条目 (constraint) 中，这些敛迹条目随后被送入讲明注解系统 (proving system)。zk 系统使用的齐是 RISC( 精简教唆集 )。有两种 ISA 的选拔：

第一种是自建一个自界说的 ISA(custom ISA)，这在 Cairo 的野心中不错看到。一般来说，有如下四种类型的敛迹逻辑。

自界说 ISA 的基本野心要点是确保敛迹条目尽可能少，从而使表率的实行和考据齐能快速运行。

第二种是诈欺现存的 ISA(existing ISA)，这在 Risc0 的野心中被剿袭。除了以简陋的实行时候为方针外，现存的 ISA（如 Risc-V）还提供了荒谬的自制，如对前端讲话 (front-end language) 和后端硬件 (backend hardware) 友好。一个（有待处治的可能）问题是，现存的 ISA 会不会在考据时候上有所落伍（因为考据时候并不是 Risc-V 的主要野心追求。

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2. 编译器 (Compiler)

暧昧地来说，编译器会逐渐将编程讲话翻译成机器代码。在 ZK 的环境下，它指的是使用 C、C++、Rust 等高等讲话编译成敛迹系统（R1CS、QAP、AIR 等.）的初级代码暗意。有两种法度，

野心一个基于现存 zk 电路暗意 (existing circuit representations) 的编译器 -- 比如说在 ZK 中，电路进展体式从 Bellman 这么的不错径直调用的库 (library) 和 Circom 这么的初级讲话开动。为了团员不同的进展体式，Zokrates 这么的编译器（身亦然一个 DSL）旨在提供一个综合层，不错编译成纵情的更初级进展体式。基于（现存的）编译器基础设施 (compiler infrastructure) 来构建。基本逻辑是诈欺一个针对多个前端和后端的中间进展体式 (intermediate representation)。

Risc0 的编译器是基于 multi-level intermediate representation（MLIR），不错生成多个 IR（类似于 LLVM）。不同的 IR 给建设者带来了活泼性，因为不同的 IR 有各自的野心要点，举例其中有一些的优化是专门针对硬件，是以建设者不错凭证我方的意愿进行选拔。类似的想法在使用 GCC 的 vnTinyRAM 和 TinyRAM 中也不错看到。ZkSync 亦然另一个诈欺编译器基础设施的例子。

此外，你还不错看到一些针对 zk 的编译器基础设施，如 CirC，它也借用了 LLVM 的一些野脸色念。

除了上述两个最关节的野心表率外，还有一些其他的讨论成分：

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1.系统的安全性 (security) 和考据的本钱 (verifier cost) 之间的量度

系统使用的比特数越高（即安全性越高），意味着考据的本钱越高。安全性反馈在密钥生成器（比如在 SNARK 中代表椭圆弧线）。

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2.与前端和后端的兼容性 (compatibility)

兼容性取决于为电路的中间暗意 (intermediate representation) 的有用性。IR 需要在正确性（表率的输出是否与输入相匹配 + 输出是否安妥讲明注解系统）和活泼性（相沿多种前端和后端）之间取得了均衡。如果 IR 起初是为处治像 R1CS 这么的低度 (low-degree) 敛迹系统而野心的，那么与其他更高等别 (high-degree) 的敛迹系统如 AIR 的兼容就很难。

3.为提高效果需要手工制作 (hand-crafted) 电路

使用通用模子 (general purpose) 的弊端是，对于一些不需要复杂教唆的轻便操作，其效果较低。

简述一下先前的一些表面，

此外，陈非非辞任该公司公司秘书，并不再担任GEM上市规则第5.14条及第5.24条项下的公司授权代表，即时生效。陈美桦获委任为公司秘书及GEM上市规则第5.14条及5.24条项下的公司授权代表之一。

Pinocchio 契约之前: 收场了可考据的经营，但考据时候相当慢Pinocchio 契约: 在可考据性和考据收效力方面提供了表面上的可行性（即考据的时候比实行表率的时候短），是基于电路的系统TinyRAM 契约: 相对于 Pinocchio 契约，TinyRAM 更像一个假造机，引入了 ISA，因此解脱了一些闭幕，如内存探望 (RAM)、戒指流 (conttrol flow) 等vnTinyRAM 契约: 使得密钥生成 (key generation) 并不取决每个表率，提供了荒谬的通用性。彭胀电路产生器，即能够处理更大的表率。

上述模子齐以 SNARK 动作自后端讲明注解系统，然而罕见是在处理假造机时，STARK 和 Plonk 似乎是一个更合适的后端，从根底上说是由于其敛迹系统更安妥于收场 cpu 雷同的逻辑。

接下来，本文会先容三个基于 STARK 的假造机 - Risc0, MidenVM, CairoVM。简而言之，除了齐以 STARK 动作讲明注解系统外，它们各自有一些不同:

Risc0 诈欺 Risc-V 来收场教唆集的简陋性。R0 在 MLIR 进行编译，这是 LLVM-IR 的一个变种，旨在相沿多种现存的通用编程讲话，如 Rust、C++。Risc-V 还有一些荒谬的自制，比如对于硬件较为友好。Miden 的方针是与以太坊假造机（EVM）兼容，本色上是 EVM 的 rollup。Miden 目下有我方的编程讲话，但也勉力于在将来相沿 Move。Cairo VM 是由 Starkware 建设的。这三个系统所使用的 STARK 讲明注解系统是由 Eli Ben-Sasson 发明的，目下 Starkware 的总裁。

让咱们更深切地了解它们的分辨：

* 若何读懂上头的表格？一些注解...Word size（字长） - 由于这些假造机所基于的敛迹系统是 AIR，其功能与 CPU 架构类似。是以选拔 CPU 字长（32/64 位）比较合适。Memory access（内存读取）- Risc0 使用寄存器 (register) 的原因主若是 Risc-V 教唆集是基于寄存器的。Miden 主要使用堆栈 (stack) 来存储数据，因为 AIR 的功能与堆栈类似。CairoVM 莫得使用通用寄存器 (general-purpose register)，因为 Cairo 模子中的内存探望 (main memory) 本钱较低。Program feed（表率实行）- 不同法度是有采用的。举例，对于 mast root 法度来说，它需要在处理教唆时进行解码，因此在实行表率较多的表率中下讲明注解者的本钱较高。Bootloading 法度试图在保执隐痛的同期在讲明注解者本钱和考据者的本钱之间取得均衡。Non-determinism（非详情味）- 非详情味是 NP-complete 问题的一个要紧属性。诈欺非详情味有助于快速考据往时的实行。反过来说，它加多了更多的敛迹条目，因此在考据方面会有一些息争。Acceleration on complex operations（复杂运算的加快）- 有些经营在 CPU 上运行很慢。举例，位操作，如 XOR 和 AND，哈希表率 (hash program)，如 ECDSA，还有边界查抄 (range-check)......大多是区块链 / 加密技巧的原生但不是 CPU 原生的运算（除了位操作）。径直通过 DSL 来收场这些运算会很容易导致讲明注解的周期 (cycle) 浮滥。Permutation/multiset ( 陈列 / 多列组合 ) - 在大多数 zkVM 中大齐使用，有两个主见 --1.通过减少存储竣工的实行轨迹 (execution trace) 来缩小考据者的本钱 2.讲明注解考据者知说念竣工的实行轨迹

著作终末笔者想谈谈 Risc0 目下的发展以卓绝让我雀跃的原因。

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R0 目下的发展:

a.自研的「Zirgen」的编译器基础设施正在建设中。将 Zirgen 与一些现存的 zk 专用编译器的性能进行比较会很意念念。

b.一些很挑升念念的的转变，如 field extension，不错收场更坚实的安全参数以及在更大的整数上进行操作。

c.见证了在 ZK 硬件和 ZK 软件公司之间的整合中看到的挑战，Risc0 使用了一个硬件综合层，以便在硬件方面进行更好的建设。

d.Still a work-in-progress! 还在建设中！

相沿手工制作的电路 (hand-crafted circuits)，相沿多种哈希算法。目下，专用的 SHA256 电路已收场，相关词还不成得意总共的需求。笔者投降具体选拔优化哪类电路取决于 Risc0 所提供的用例 (use case)。SHA256 是一个相当好的起初。另一方面，ZKVM 的定位给东说念主以活泼性，举例，惟有他们不想，就不消去管 Keccak :)递归 (recursion)：这是一个很大的话题，笔者倾向于不在该论说进行深切相关。需要知说念的是，跟着 Risc0 倾向于相沿更复杂的用例 / 表率，更紧迫地需要递归。为了进一步相沿递归，他们目下正在相关一个硬件端的 GPU 加快决议。处理非详情味 (non-determinism)：这是 ZKVM 必须处理的一个属性，而传统的假造机是莫得这个问题的。非详情味不错匡助假造机实行得更快。MLIR 相对更擅所长理传统假造机方面的问题，而 Risc0 若何将非详情味镶嵌到 ZKVM 系统野心中值得期待。

WHAT EXCITES ME:

a.轻便且可考据！

在散播式系统中，PoW 需要高水平的冗余，因为东说念主们不信任他东说念主，因此需要肖似实行交流的经营来达成共鸣。而通过诈欺零常识讲明注解，气象的收场应该和应允 1+1=2 雷同容易。

b.更多更试验的用例：

除了最径直的扩容外，更多挑升念念的用例将变得可行，比如零常识机器学习、数据分析等。比较于 Cairo 这么的特定的 ZK 讲话，Rust/C++ 的功能更普适且更强大，更多 web2 的用例跑在 Risc0 VM 上。

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c.更具包容性 / 熟习的建设者社区:

对 STARK 和区块链感兴致的建设者不消再重新学习 DSL，使用 Rust/C++ 即可。

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感谢 Xin Gao、p0xeidon 的 Boyuan、Taiko 的 Daniel 以及 Sin7Y 对本文的相沿和修改提倡！2024年平博三公