zkEVMからzkVMへの道がブロックチェーンのスケーラビリティをどのように改善したか

ブロックチェーン技術は、10年以上前にビットコインが誕生して以来、大きく進化してきました。初期のブロックチェーンネットワークは分散型アプローチにおいて画期的でしたが、特にスケーラビリティの面で重大な課題に直面しました。ブロックチェーンアプリケーションとユースケースが拡大し続けるにつれて、スケーラビリティの問題に対する解決策を見つけることが最優先事項となっています。

この分野における有望な進展の一つは、zkEVM（ゼロ知識Ethereum仮想マシン）からzkVM（ゼロ知識仮想マシン）への移行であり、これはブロックチェーンのスケーラビリティを劇的に向上させる可能性を秘めています。この記事では、zkEVMの世界に深く入り込み、その限界を探求し、zkVMへの進化がブロックチェーンのスケーラビリティにおいてどのような大幅な改善をもたらすかを理解します。

ゼロ知識証明（ZKP）の台頭

ゼロ知識証明は、インターネット上のユーザープライバシーを保護する上で決定的な役割を果たしており、特にブロックチェーンでの広範な採用を目指している現在において重要です。また、計算上の課題を解決する可能性も秘めています。現在、これを実現するための主要な二つの道筋があります：zkEVMとzkVMです。この探求において、私たちは両方のアプローチに深く入り込み、その長所と短所を比較検討します。しかし、この分析に深入りする前に、何を最適化しようとしているのか、そしてなぜプライバシーがそれほど重要なのかを理解することが不可欠です。

暗号技術の進化の分野では、生物学的な対応物と同様に、特定の成果の最適化を目指して特性の開発が導かれます。例えば、ビットコインはセキュリティを最優先し、分散型デジタル通貨が受容され、広範に採用される前に明確に安全である必要があることを認識していました。Ethereumも同様の道を進み、セキュリティを強調しつつ、スマートコントラクトによって提供されるプログラム可能性という追加の層を導入しました。

これらの暗号技術の進化における反復は互いに積み重なり、それぞれが独自のトレードオフのセットをもたらします。Ethereumの場合、すべてのノードがすべてのトランザクションを再実行する必要があり、高いガス料金と遅いトランザクション速度をもたらす強力な計算上の課題が生じます。ブロックチェーン上で直接計算を行うという決定は、セキュリティと透明性を高めるために行われました。しかし、それはパフォーマンスとプライバシーの妥協という代償を伴います。

ロールアップは、Ethereumに関連する計算上の負担を軽減することでスケーラビリティを向上させる解決策として登場しました。ロールアップはパフォーマンスの問題に対応し始めますが、プライバシーの懸念には対処していません。これは重要です。なぜなら、プライバシーはユーザーベースの拡大を目指すアプリケーションにとって必須の要件へと進化しているからです。ユーザーは自分のデータに対するより多くのコントロールを求め、情報を無制限にアクセスしようとするエンティティに対して警戒感を強めています。

アプリ開発者は、プライバシーへのこの growing trend とその必要性を認識しています。したがって、彼らはゼロ知識証明（ZKP）の使用を通じてプライバシーを保護する方法を積極的に探求してきました。これらの暗号プロトコルにより、ユーザーやアプリケーションは、追加情報を開示することなく、声明の真実性を検証できます。例えば、ZKPは、正確な年齢や生年月日を明かさずに、ユーザーが18歳以上であることを確認できます。

a16zの2023年暗号通貨レポートで強調されているように、開発者によるZK証明技術の採用はさらに増加する見込みです。この傾向は、学術出版物の急増と、Ethereumネットワーク上でZK証明の検証に関与する日次トランザクション数の増加によって牽引されています。ZKPの勢いは、ブロックチェーン空間におけるプライバシー、セキュリティ、スケーラビリティのバランスを取るための探求において、その重要性が高まっていることを示しています。

zkVMの理解

最初に定義する必要がある側面は、仮想マシン（VM）とは何かということです。要約すると、VMは他のプログラムを実行できるソフトウェアプログラムであり、通常、指定された一連の指示（これらが「他のプログラム」を表す）を実行する反復ループとして機能します。

具体的には、Ethereum仮想マシン（EVM）は、Ethereumスマートコントラクトを実行する責任を持つVMです。サポートされる命令の元のコンパイルとそれぞれの動作は、2014年にGavin Woodによって書かれた画期的なイエローペーパー（その重要性だけでなく、特徴的な黄色の色でも区別される）の中で概説されました。このペーパーは、現在サポートされている一連の命令を反映することを目的として、継続的な更新の状態を維持しています。

一方、ゼロ知識仮想マシン（zk VM）は、本質的にゼロ知識証明（zkp）システム内のサーキットとして実装されたVMです。これは、主にプログラムの実行を証明することに焦点を当てた従来のzkpシステムとは異なります。zkVMでは、焦点は仮想マシン自体の実行の検証へとシフトします。したがって、一部の個人は区別を引き、VMではないzkpをFPGA（フィールドプログラマブルゲートアレイ）アプローチの一部と分類し、zkVMをCPU（中央処理装置）アプローチの構成要素と見なしています。

zkpシステム内では、プログラムやサーキットは、特定のプログラムからコンパイルされたバイナリと同様に不変のエンティティです。したがって、zkVMサーキットは、ループの所定の反復回数を本質的に体現しており、これはループのアンローリング（展開）に例えることができます。本質的に、zkVMは仮想マシンを実行するために設計されたサーキットです。実際のプログラムの命令は、このサーキットへの公開入力として導入され、検証されているプログラムに関する完全な透明性を可能にします。（さらに代替案を探したい場合、プログラムの命令をVMに伝達するためのさまざまな方法が存在します。）

いくつかのzkVMプロジェクトが登場しており、少なくとも3つの注目すべき取り組みがあります：

1. Cairo：Starknetで利用されているこのプロジェクトは、芸術作品と見なされるほど綿密なペーパーで注目されています。また、「turshi」と呼ばれる実験的な実装もKimchiフレームワークに含まれています。
2. Miden：Polygonエコシステム内で進行中のプロジェクトであり、現在開発中です。
3. Risczero：もう一つの進行中の取り組みであるRisczeroは、ブロックチェーン分野を超えて広く認識されているRISC-V命令セットをサポートすることを目指しています。

これらのプロジェクトはそれぞれ異なる命令セットに対応しており、相互運用性は実現されていません。

zkVMの種類

zkVMの分野は、以下の2つの明確なタイプに分類できます：

1. zk最適化VM：CairoやMidenなどが代表的な例です。これらのVMは効率性を最優先に綿密に設計されており、大幅に高速化されています。主な目的は、ゼロ知識証明（zkp）システムとのシームレスな統合を可能にし、検証プロセスを効率化することです。
2. 実世界のVM：RiscZero（RISC-V命令セットをサポート）や、Ethereum Virtual Machine（EVM）向けに調整された各種zkEVMなどがこのカテゴリに含まれます。実世界のVMは、ゼロ知識証明の領域を超えた、確立された命令セットやエコシステムとの互換性を提供することを意図しています。

EVMをサポートする動機には、いくつかの compelling な理由があります。まず、Ethereum自体にとって、生成状態から最新のEthereum状態に至るまでの全体の状態遷移に関する証明を作成可能になります。この機能は、Minaなどのプロジェクトで実証されています。

第二に、Ethereum以外のプロジェクトにとって、EVM互換性を採用することで、UniswapなどのEthereumエコシステムからのプロジェクトやアプリケーションをシームレスに取り込むという利点があります。これは相互運用性を促進するだけでなく、Ethereumコミュニティからの開発者を新しいプロジェクトに引き込む機会にもなります。

zkVMの仕組み

ZkVMは、TxVMに関する以前の作業に由来し、BitcoinやEthereumの設計の影響を受けており、革新的なトランザクション形式を導入します。ZkVMでは、トランザクションは資産フローを第一級オブジェクトとして直接操作するプログラムとして表現され、トランザクションログを介してブロックチェーンの状態を更新します。トランザクションログの適用と検証を分離することで、高いスケーラビリティを実現しつつ、カスタムコントラクトのための堅牢な環境を提供します。

ブロックチェーンのスケーラビリティを向上させ、機密性の高い価値移動を可能にするため、ZkVMは残高を表すためにUTXO（未使用トランザクション出力）モデルを採用しています。すべての残高は、トランザクション内で作成、破棄、操作できる未使用出力（UTXO）のセットとして表現されます。これらのUTXOはUtreexoスキームを使用してMerkleルートとして効率的に保存され、ストレージ要件を大幅に削減し、完全検証ノードのより広範な展開を容易にします。

ZkVMでは、各出力はブロックチェーン状態に保存されたコントラクトであり、これらの項目をアンロックするために満たす必要がある条件（述語）によって保護された複数の項目を含みます。ZkVMはTaprootベースの設計を採用しており、コントラクトは暗号学的署名またはカスタム条件を検証する埋め込みサブプログラムの実行のいずれかによってアンロックできます。

ZkVMにおけるコントラクトは、アカウント、注文帳、決済チャネルなどの上位レベルのプロトコルに対する多用途なビルディングブロックとして機能します。この柔軟性により、Stellarのようなプラットフォームは、コンセンサスクリティカルな層からプロトコルの設計選択を移動させることができ、幅広い分散型アプリケーションの実験を促進します。

機密性に関して、ZkVMは述語におけるTaprootスキームを使用してバランスを取っています。すべての当事者が協力する場合は、コントラクトのロジックを開示する必要はありませんが、協力しない場合でもセキュリティは維持されます。コントラクトのロジックを開示しなければならない場合でも、残高やコントラクトのパラメータなどのデータは、ゼロ知識検証制約システムにより機密性が保たれます。

ZkVMはBulletproofsゼロ知識証明システムを活用し、デフォルトでPedersenコミットメントとして値とデータを暗号化します。ユーザーは秘密値に対する算術および論理式を指定でき、これらは自動的にBulletproofs制約システムに変換されます。トランザクションはコンパクトで効率的であり、小規模なトランザクションは1〜1.5 KBのサイズで、集約された支払いの入出力ペアあたりの増加分コストはわずか200バイトです。検証は高度に並列化可能であり、出力あたり約1ミリ秒で完了します。この効率性により、ZkVMはデータの暗号化を犠牲にすることなくセキュリティを優先し、データが必要な場合にのみ承認された当事者に開示されることを保証します。さらに、Bulletproofsフレームワークは信頼されたセットアップの必要性を排除し、各機能のためにネットワーク全体のアップグレードを必要とせずに、ZkVM上に新しいプロトコルを作成可能にします。

zkEVMからzkVMへの移行の必要性

zkEVMの制限

zkEVMは大幅な改善をもたらしましたが、スケーラビリティの潜在能力を阻害するいくつかの制限がありました：

1. 限定的な互換性：zkEVMは主にEthereumネットワーク向けに設計されていました。これは、他のブロックチェーンプラットフォームがその技術を容易に採用できなかったことを意味し、ブロックチェーンエコシステム全体へのより広範な影響を制限しました。
2. 複雑さ：zkEVMの実装には、ゼロ知識証明と暗号学の深い理解が必要でした。この複雑さは、開発者がzkEVMをプロジェクトに取り込むことを困難にし、さらなる採用を制限しました。
3. ストレージとデータの課題：zkEVMは、ブロックチェーン上のデータストレージの問題を効果的に解決しませんでした。大規模なデータストレージ要件は、スケーラビリティにおけるボトルネック remained しました。

zkVMへの移行：スケーラビリティの突破口

zkEVMの制限を認識し、ブロックチェーンコミュニティは、より多用途でスケーラブルなソリューションを開発する旅に出かけ、その結果、zkVM（ゼロ知識仮想マシン）が誕生しました。

zkVMは、zkEVMの基礎的な原則に基づきつつ、その欠点を克服します。zkVMがどのようにしてブロックチェーンのスケーラビリティに革命をもたらそうとしているのか、探っていきましょう：

1. クロスプラットフォーム互換性：zkEVMとは異なり、zkVMはブロックチェーン非依存（blockchain agnostic）になるように設計されています。これは、Ethereumに限定されず、さまざまなブロックチェーンネットワークに統合できることを意味します。このより広範な互換性は、zkVMがブロックチェーンエコシステム全体により大きな影響を与える可能性を開きます。
2. 改善されたユーザーエクスペリエンス：zkVMは、開発者向けの実装プロセスを簡素化することを目指しています。ユーザーフレンドリーなツールとインターフェースを提供することで、開発者がゼロ知識証明の力を活用しやすくし、参入障壁を低減します。
3. 強化されたデータ管理：zkVMは、データストレージの問題をより効果的に解決します。データ圧縮とストレージのための革新的な技術を導入し、ブロックチェーン上のストレージ要件を削減します。この最適化は、ブロックチェーンデータのサイズを縮小することで、スケーラビリティに直接的な好影響を与えます。
4. 高速なトランザクション処理：zkVMのオフチェーン計算機能により、ブロックチェーンネットワーク上の計算負荷がさらに軽減されます。これにより、トランザクション処理時間が短縮され、手数料が低下し、全体的なパフォーマンスが向上します。

私たちは何を最適化しているのか？

ロッキード・マーチンは、F-35の作成という野心的な任務に取り組み、特殊な空対空および空対地戦闘機を置き換えることができる多用途の戦闘機としてそれを構想しました。しかし、この取り組みは重大な遅れを経験し、予定されたスケジュールから10年遅れとなり、業界の専門家からは過去最少の成功を収めた戦闘機の1つとして評価されています。

この経験からの主要な教訓は、システムが特定の目的のために設計されている場合、複数の目的を同時に最適化しようとするソリューションと比較して、その特定の役割を果たす際に優れていることが多いということです。

ブロックチェーンの領域に平行線を引くと、Ethereumは当初、完全に公開され透明なプラットフォームとして構想されていました。そのようなブロックチェーンにプライバシー機能を持ち込もうとすると、プライバシーを初期から中核原理として設計されたシステムと同じレベルのパフォーマンスを達成するのは unlikely です。これはエンジニアリング上の課題をもたらします。開発者は、この文脈で機能するように元々意図されていなかったプログラムを適応させる必要があり、複雑で扱いにくいサーキットの作成につながります。

しかし、代替アプローチは、プライバシーのために特別に設計された目的別アプリケーション層の開発 involves します。このアプローチにより、プライバシー関連の機能を最適化しつつ、ゼロ知識証明が提供する恩恵を受けることができ、これについては次のセクションで詳しく掘り下げます。

zkVMとzkEVMの現実世界での応用

zkEVMとzkVMの両方は、さまざまな分野で応用され、業界やブロックチェーンの使用事例を再形成することを約束しています：

• DeFi革命：分散型金融（DeFi）プラットフォームは、zkVMおよびzkEVMを活用して、トランザクション速度の向上、手数料の削減、機密性の高い金融データの保護を実現できます。
• サプライチェーンの変革：zkVMおよびzkEVMにより、サプライチェーンにおける透明性と追跡可能性が向上し、不正の削減と効率性の向上が可能になります。
• 医療データのセキュリティ：zkEVMおよびzkVMは、医療データのプライバシーとセキュリティを保証し、承認された当事者間での情報の安全な共有を可能にします。
• ゲームとNFT：ゲーム業界および非代替性トークン（NFT）マーケットプレイスは、zkVMおよびzkEVMによって提供される高速トランザクションと安全なデータ処理から恩恵を受けることができます。

zkVMとブロックチェーンスケーラビリティの未来

zkVMがブロックチェーン空間で注目を集めるにつれて、ブロックチェーンの採用と成長を制限してきた長年のスケーラビリティの問題に対処する可能性を秘めています。しかし、新興技術と同様に、克服すべき課題や留意すべき考慮事項があります：

1. 採用の障壁：zkVMのさまざまなブロックチェーンとの互換性は重要な利点ですが、広範な採用は依然として、ブロックチェーンプロジェクトがこの技術を自らのネットワークに統合する意欲に依存します。
2. セキュリティの懸念：ゼロ知識証明は複雑な暗号学的技術をもたらすため、いかなる脆弱性も重大なセキュリティリスクをもたらす可能性があります。ユーザーの信頼を維持するためには、zkVM実装の継続的な監査と改善が不可欠です。
3. 規制環境：ブロックチェーン技術が進化するにつれて、規制の監視にさらされ続けます。規制当局がゼロ知識証明とそのアプリケーションをどのように扱うかは未だ不明であり、これはzkVMの将来の採用に影響を与える可能性があります。

結論

zkEVMからzkVMへの旅は、ブロックチェーンのスケーラビリティ課題に対処するための重要な一歩を表しています。zkEVMが基盤を築いたのに対し、zkVMはより多用途でスケーラブルなソリューションを提供し、業界全体にわたってブロックチェーン技術が使用される方法を革命化する可能性があります。

zkVMへの移行には課題が伴いますが、クロスプラットフォーム互換性、ユーザーフレンドリーさ、データ管理、トランザクション処理速度においてもたらされる利点は、ブロックチェーン空間における魅力的な進歩です。zkVMが進化し、ブロックチェーンエコシステムにおける地位を確立するにつれて、業界を変革し、世界中の人々の生活を改善する可能性を秘めた、よりスケーラブルで効率的なブロックチェーンアプリケーションを目にするようになるでしょう。