Оскільки блокчейн еволюціонував від простих систем транзакцій до складних програмованих мереж, дедалі більше обчислень переходять з ончейн-середовища на офчейн-виконання. Такі сценарії, як масштабування ролапів, кросчейн-мости, висновки ШІ, оракули та обробка офчейн-даних, потребують технічного рішення, здатного довести, що «результати обчислень є істинними та заслуговують на довіру».
Докази з нульовим розголошенням (ZK Proof) стали ключовою технологією в інфраструктурі Web3 для вирішення цього завдання. Вони дозволяють системі довести, що програму було виконано правильно, не розкриваючи вихідних даних. Однак традиційна розробка ZK тривалий час страждала від високого порогу входження. Розробники часто змушені вивчати складні криптографічні системи обмежень, спеціалізовані DSL та низькорівневу логіку схем, що ускладнює широке впровадження технології ZK.
SP1 zkVM намагається вирішити цю проблему.
Що таке SP1 zkVM?
Будучи універсальною віртуальною машиною з нульовим розголошенням (zkVM), запущеною компанією Succinct, SP1 zkVM дозволяє розробникам писати програми безпосередньо на Rust і автоматично генерувати докази ZK, що піддаються верифікації, без необхідності вручну створювати криптографічні схеми.
Традиційні системи ZK зазвичай покладаються на спеціалізовані мови, такі як Circom, Halo2, Cairo або Noir. Хоча вони потужні, ці системи важкі в розробці, вимагаючи глибокого розуміння базової криптографічної логіки.
SP1 zkVM використовує принципово інший підхід до проєктування.
Розробникам потрібно лише писати програми, як під час звичайної розробки програмного забезпечення, а система автоматично виконує решту процесу генерації доказів. Succinct називає цю концепцію «код як доказ». Це означає, що будь-яку запущену програму теоретично можна перетворити на обчислення, що піддається верифікації.
Чим SP1 zkVM відрізняється від традиційних віртуальних машин?
Звичайні віртуальні машини (ВМ) — такі як EVM, WASM та JVM — в основному займаються виконанням програм. Вони зосереджені на ефективності виконання, управлінні пам’яттю та оновленні стану. zkVM, з іншого боку, не лише запускає програму, але й доводить, що програма була виконана правильно.
Отже, окрім виконання програми, zkVM також повинна: записувати повний процес виконання, будувати математичні обмеження, генерувати доказ та забезпечувати можливість верифікації для зовнішніх систем.
По суті, zkVM більше схожа на «середовище виконання, що піддається доведенню». Вона не лише запускає програму, але й переконує інших, що результати виконання програми є істинними та заслуговують на довіру.
Чому SP1 обрав RISC-V?
Базова архітектура виконання SP1 zkVM базується на наборі інструкцій RISC-V.
RISC-V — це відкрита архітектура набору інструкцій зі скороченим набором команд, що відома своєю простою структурою, чіткою логікою та легкістю формальної верифікації. Це критично важливо для zkVM, оскільки чим складніші інструкції ЦП, тим важче генерувати докази.
Порівняно зі складними архітектурами ЦП, RISC-V набагато легше перетворити на систему математичних обмежень.
Повний робочий процес SP1 не генерує докази безпосередньо з програм Rust. Замість цього він виглядає так:
Rust → RISC-V → Виконання zkVM → Доказ
Таким чином, RISC-V виступає в ролі «проміжного шару виконання» у всій системі.
Чому Rust підходить для zkVM?
Компанія Succinct обрала Rust головним чином тому, що він добре підходить для обчислень, що піддаються верифікації.
По-перше, Rust пропонує надзвичайно високу продуктивність. Оскільки генерація доказів сама по собі вимагає значних обчислювальних ресурсів, продуктивність системної мови має вирішальне значення.
По-друге, Rust має чудові властивості безпеки пам’яті. Його модель володіння зменшує помилки виконання, допомагаючи системі створювати стабільніші траси виконання.
Крім того, детермінованість Rust дуже важлива.
У zkVM однаковий вхід завжди повинен давати однаковий вихід. Інакше різні вузли можуть генерувати різні докази.
Rust природно демонструє чудову детермінованість, що робить його чудовим вибором для розробки zkVM.
Що важливіше, Rust вже широко використовується в розробці Solana, Cosmos, Rollup та системному програмуванні, тому екосистема розробників є зрілою, а витрати на міграцію — низькими.
Як програма на Rust стає доказом ZK?
Основний потік роботи SP1 zkVM включає:
Написання програми на Rust → Компіляція в RISC-V → Виконання zkVM → Генерація траси виконання → Перетворення на доказ STARK → Стиснення в SNARK → Ончейн-верифікація.
Головна мета всього цього процесу — довести: «Програма була правильно виконана відповідно до правил».
Крок 1: Написання програми на Rust
Спочатку розробники пишуть бізнес-логіку мовою Rust.
Ці програми можна використовувати для переходів стану Rollup, висновків моделей ШІ, кросчейн-верифікації, обчислення Хешів, обробки даних та систем Oracle.
У традиційній розробці ZK розробникам часто доводиться вручну писати складні схеми. Але в SP1 їм потрібно лише писати звичайні програми на Rust.
Наприклад:
fn main() {
let x = 10;
let y = 20;
let z = x + y;
assert_eq!(z, 30);
}
SP1 автоматично перетворює цю програму на доказ, що піддається верифікації.
Це різко знижує поріг входження в розробку ZK.
Крок 2: Компіляція в інструкції RISC-V
Програма на Rust потім компілюється в інструкції RISC-V.
Оскільки система доказів не може безпосередньо верифікувати мови високого рівня, вона може верифікувати лише низькорівневий процес виконання машини.
Компілятор перетворює Rust у низькорівневий потік інструкцій, наприклад:
ADD x1, x2, x3
LOAD x4, 0(x5)
STORE x6, 4(x7)
Ці інструкції потім виконуються zkVM.
Найважливіша мета на цьому етапі — забезпечити детермінованість і можливість верифікації програми.
Чому детермінованість така важлива?
У звичайних програмах час, випадкові числа та стан системи можуть впливати на результати виконання.
Але в zkVM однаковий вхід завжди повинен давати однаковий вихід.
Інакше різні вузли можуть генерувати різні траси, що зрештою зробить доказ неможливим для верифікації.
Тому zkVM зазвичай суворо обмежують доступ до зовнішнього стану та забезпечують повну детермінованість всього процесу виконання.
Це одна з найбільших відмінностей між zkVM та звичайною віртуальною машиною.
Крок 3: Виконання zkVM генерує трасу виконання
SP1 zkVM виконує інструкції RISC-V та записує повний процес виконання.
Цей процес називається:
Траса виконання (Execution Trace).
Уявіть це як:
«Відеозапис виконання програми».
Траса записує кожну зміну стану під час виконання програми, включаючи:
Процес виконання інструкцій, зміни стану ЦП, зміни пам’яті, стан регістрів та зв’язки між входами та виходами.
Наприклад:
Крок 1: LOAD
Крок 2: ADD
Крок 3: STORE
Крок 4: ASSERT
Система доказів потім доводить, що ці кроки дійсно були виконані правильно.
Чому траса є ядром всієї системи?
Тому що доказ ZK по суті не доводить, що «результат існує».
Насправді він доводить, що:
«Програма була правильно виконана відповідно до правил».
Отже, траса виконання визначає достовірність всього доказу.
Якщо траса містить помилки, кінцевий згенерований доказ також буде недійсним.
Крок 4: Траса перетворюється на доказ STARK
Після того, як траса виконання згенерована, система перетворює її на математичні обмеження.
На цьому етапі зазвичай використовуються такі техніки, як AIR (Algebraic Intermediate Representation), системи поліноміальних обмежень та геш-зобов’язання.
Потім система генерує доказ STARK.
Переваги STARK:
Не потребує довіреної настройки, висока безпека, стійкість до квантових атак та чудова масштабованість.
Ось чому багато сучасних zkVM використовують STARK як базову систему доказів.
Однак STARK має помітний недолік:
Докази є відносно великими.
Тому потрібна подальша оптимізація.
Крок 5: STARK стискається в SNARK
Щоб зменшити витрати на ончейн-верифікацію, SP1 зазвичай додатково стискає STARK у SNARK.
Такий підхід поєднує сильні сторони обох систем доказів:
STARK швидко генеруються, тоді як SNARK мають низькі витрати на ончейн-верифікацію.
Таким чином, SP1 може збалансувати:
Ефективність генерації доказів, ончейн-витрати на Газ та загальну масштабованість мережі.
Кінцевий доказ SNARK надсилається на такі блокчейни, як Ethereum, для верифікації.
Що таке рекурсивний доказ?
Рекурсивні докази є ключовою технологією сучасних zkVM.
Вони дозволяють:
Одному доказу верифікувати інший доказ.
Наприклад, кілька доказів Rollup можуть бути згенеровані окремо, а потім об’єднані в один більший доказ.
Нарешті, ончейн потребує лише однієї верифікації.
Рекурсивні докази можуть значно зменшити витрати на ончейн-верифікацію та навантаження на мережу, що робить їх незамінними для масштабованих обчислень, що піддаються верифікації.
Чим SP1 zkVM відрізняється від zkEVM?
Багато розробників плутають zkVM та zkEVM.
Але їхні цілі насправді абсолютно різні.
Основна мета zkEVM — бути сумісним з Ethereum EVM, тому він зосереджується в основному на Solidity та байт-коді EVM.
SP1 zkVM, навпаки, орієнтований на універсальні обчислення, що піддаються верифікації.
Він може не лише виконувати логіку Смарт-контрактів, але й обробляти висновки ШІ, обробку даних, кросчейн-логіку та будь-які програми на Rust.
Отже:
zkEVM — це більше рішення для масштабування Ethereum.
SP1 zkVM — це більше універсальна інфраструктура для доказів.
Основні переваги SP1 zkVM
Найбільша перевага SP1 полягає в тому, що він різко знижує поріг входження в розробку ZK.
Розробникам більше не потрібно вручну писати складні криптографічні схеми. Натомість вони можуть безпосередньо створювати програми, що піддаються верифікації, використовуючи Rust.
Водночас SP1 пропонує високу універсальність, підтримуючи рекурсивні докази, модульне розширення та недорогу ончейн-верифікацію.
Ці можливості роблять його придатним не лише для Rollup, але й для ширших сценаріїв, таких як ШІ, кросчейн та офчейн-обчислення.
Типові сценарії застосування SP1 zkVM
SP1 zkVM вже впроваджується в декількох сферах.
У Rollup він генерує докази переходу стану; у кросчейн-протоколах він верифікує автентичність стану між різними ланцюгами; у ШІ він підтверджує результати висновків моделей; а в системах Oracle він верифікує складні обчислення офчейн-даних.
У довгостроковій перспективі більш важливою метою SP1 є просування «верифікованого інтернету».
У майбутньому:
API, веб-сторінки, запити до баз даних і навіть вміст ШІ — все це можна буде верифікувати на автентичність за допомогою доказів.
З якими викликами стикається SP1 zkVM?
Незважаючи на багатообіцяючі перспективи, SP1 все ще стикається з практичними викликами.
По-перше, генерація складних доказів залишається дорогою, вимагаючи значних ресурсів GPU та апаратного забезпечення.
По-друге, універсальна zkVM повинна одночасно балансувати продуктивність, безпеку та універсальність, що робить її набагато складнішою з технічної точки зору, ніж спеціалізовані системи схем.
Крім того, ландшафт zkVM є висококонкурентним, такі проєкти, як RISC Zero, zkSync, Starknet, Valida та Jolt, рухаються в різних напрямках.
Тим часом ринок обчислень, що піддаються верифікації, все ще перебуває на ранніх стадіях, і масштабний попит ще не повністю сформувався.
Висновок
SP1 zkVM переосмислює спосіб розробки доказів з нульовим розголошенням.
Завдяки програмуванню на Rust, виконанню RISC-V, трасам виконання, стисненню STARK/SNARK та рекурсивним доказам, Succinct створив універсальну інфраструктуру для обчислень, що піддаються верифікації.
Розробникам більше не потрібно розуміти складні схеми ZK; вони можуть створювати програми, що піддаються верифікації, так само, як під час звичайної розробки програмного забезпечення.
Поширені запитання
Чому SP1 обрав RISC-V?
Тому що інструкції RISC-V є простими, відкритими та легкими для формальної верифікації, що робить їх більш придатними для побудови zkVM.
Чому Rust підходить для zkVM?
Rust пропонує високу продуктивність, детермінованість та безпеку пам’яті — все це ідеально підходить для середовища обчислень, що піддаються верифікації.
Які етапи генерації доказу ZK?
Основні етапи включають: написання програми на Rust, компіляцію в RISC-V, виконання в zkVM для генерації траси, створення доказу STARK/SNARK та ончейн-верифікацію.
Чим SP1 zkVM відрізняється від традиційних систем ZK?
Традиційні системи вимагають спеціалізованих DSL та ручного написання схем, тоді як SP1 підтримує мови загального призначення та автоматично генерує докази.
Які сценарії застосування SP1 zkVM?
Вони включають масштабування Rollup, кросчейн-верифікацію, обчислення ШІ, що піддаються верифікації, оракули та офчейн-обчислення.
