zkEVMからzkVMへの移行がブロックチェーンのスケーラビリティをどのように向上させたか

ブロックチェーン技術は、10年以上前に Bitcoin が誕生して以来、大きく進歩しました。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なものでしたが、特にスケーラビリティの面で大きな課題に直面していました。ブロックチェーンのアプリケーションとユースケースが拡大するにつれ、スケーラビリティ問題への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歩の一つは、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、ブロックチェーンのスケーラビリティを飛躍的に向上させる可能性を秘めています。この記事では、zkEVMの世界を深く掘り下げ、その限界を探り、zkVMへの進化がブロックチェーンのスケーラビリティをどのように飛躍的に向上させるのかを理解します。.

ゼロ知識証明（ZKP）の台頭

ゼロ知識証明は、特にブロックチェーンの普及を目指す中で、インターネット上のユーザープライバシーの保護において極めて重要な役割を果たします。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、ゼロ知識証明を実現するための主要な方法は、zkEVMとzkVMの2つです。本稿では、両方のアプローチを詳しく検討し、それぞれの長所と短所を比較検討します。しかし、この分析に進む前に、最適化の目的とプライバシーがなぜそれほど重要なのかを理解することが重要です。.

暗号進化の領域では、生物学的進化と同様に、形質の発達は特定の結果を最適化するという目的によって導かれます。例えば Bitcoin、分散型デジタル通貨が広く受け入れられ普及するためには、明確な安全性が確保される必要があることを認識し、何よりもセキュリティを優先しました。 Ethereum も同様の道を歩み、セキュリティを重視しつつ、スマートtracによるプログラマビリティという新たなレイヤーを導入しました。.

暗号技術の進化におけるこれらの反復は、互いに積み重なり合う傾向があり、それぞれが独自のトレードオフをもたらします。 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、膨大な計算量が必要となるため、ガス料金の高騰とトランザクション速度の低下につながります。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、それにはパフォーマンスとプライバシーの侵害という代償が伴います。.

ロールアップは、 Ethereumに関連する計算負荷を軽減することでスケーラビリティを向上させるソリューションとして登場しました。パフォーマンスの問題は解決し始めていますが、プライバシーへの懸念は考慮されていません。これは重要な問題です。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条件となっているからです。ユーザーはますます自分のデータに対するコントロールを求めており、自分の情報への無制限のアクセスを求める組織に対して警戒心を強めています。.

アプリ開発者は、プライバシーへの関心の高まりとその必要性を認識しており、ゼロ知識証明（ZKP）を用いたプライバシー保護の手法を積極的に模索しています。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、発言の真偽を検証できます。例えば、ZKPは、ユーザーの正確な年齢や生年月日を明かすことなく、ユーザーが18歳以上であることを確認できます。.

a16zの2023年版「State of Crypto」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、学術論文の急増と、 Ethereum ネットワーク上でZK証明の検証を伴う日々のトランザクション数の増加によって推進されています。ZKPの勢いは、ブロックチェーン分野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とる上で、ZK証明の重要性が高まっていることを示しています。.

zkVMを理解する

最初に defiする必要があるのは、「仮想マシン（VM）とは何か」ということです。簡単に言うと、VMと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、通常は指定された一連の命令を実行する反復ループとして機能します。これらの命令は「他のプログラム」を表します。

Ethereum 仮想マシン（EVM）は、 Ethereum スマートtracの実行を担う仮想マシン（VM）として機能します。サポートされる命令とその動作の基本的な概要は、2014年にギャビン・ウッド氏が執筆した、その重要性だけでなく、特徴的な黄色で知られるイエローペーパー（黄色の論文）の中で概説されました。この論文は継続的に更新されており、現在サポートされている命令の最新の配列を反映することを目指しています。.

一方、ゼロ知識仮想マシン（zk VM）は、本質的にはゼロ知識証明（zkp）システム内の回路として実装されたVMです。これは、主にプログラム実行の証明に重点を置く従来のzkpシステムとは異なります。zkVMでは、仮想マシン自体の実行検証に重点が置かれています。そのため、一部の人々は、VMを使わない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して分類し、zkVMをCPU（中央処理装置）アプローチの構成要素と見なして区別しています。.

zkpシステムでは、プログラムや回路は不変の実体であり、特定のプログラムからコンパイルされたバイナリとよく似ています。したがって、zkVM回路はループの反復回数を事前に決定した形で具体化しており、これはループの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ように設計された回路です。実際のプログラムの命令はこの回路への公開入力として導入できるため、検証対象のプログラムに関する完全な透明性が確保されます。（プログラムの命令をVMに伝達する方法は他にもいくつかあり、さらに他の方法を検討したい場合はそちらを参照してください。）

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

1. カイロ：Starknetが利用しているこのプロジェクトは、芸術作品とも言える緻密な論文で注目に値します。「turshi」と呼ばれる実験的な実装は、Kimchiフレームワークにも採用されています。.
2. Miden: Polygon エコシステム内で進行中のプロジェクトである Miden は、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知されている標準である RISC-V 命令セットをサポートすることを目的としています。.

これらのプロジェクトはそれぞれ異なる命令セットを採用しているため、相互運用性がありません。.

zkVMの種類

zk VM の分野は、次の 2 つの異なるタイプに分類できます。

1. zk最適化VM：注目すべき例としては、CairoとMidenが挙げられます。これらのVMは効率性を最優先に設計されており、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促進し、検証プロセスを合理化することです。.
2. 実世界VM：このカテゴリには、RISC-V命令セットをサポートするRiscZeroや、 Ethereum 仮想マシン（EVM）向けにカスタマイズされた様々なzkEVMなどのVMが含まれます。実世界VMは、ゼロ知識証明の領域を超えて、既存の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目的としています。.

EVMをサポートする動機には、いくつかの説得力のある理由があります。まず、 Ethereum 自体にとって、EVMはジェネシス状態から最新の Ethereum 状態まで、状態遷移全体を網羅した証明の作成を可能にします。この機能は、Minaのようなプロジェクトに代表されます。.

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 エコシステムのプロジェクトやアプリケーションをシームレスに統合できる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 コミュニティの開発者を新しいプロジェクトにtrac機会も提供します。.

zkVMのメカニズム

ZkVMは、TxVMに関するこれまでの研究から派生し、 Bitcoin と Ethereum 設計に影響を受け、新たなトランザクションフォーマットを導入しています。ZkVMでは、トランザクションは、資産フローをファーストクラスオブジェクトとして直接操作し、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するプログラムとして表現されます。トランザクションログの適用と検証を分離することで、非常にスケーラブルな設計を実現すると同時に、カスタムtrac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、dent価値移転を可能にするため、ZkVMは残高を表す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。すべての残高は未使用出力（UTXO）のセットとして表現され、トランザクション内で作成、破棄、操作することができます。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るため、ストレージ要件が大幅に削減され、完全検証ノードのより広範な展開が容易になります。.

ZkVMでは、各出力はブロックチェーン状態に保存されるtracであり、契約には述語（これらのアイテムのロックを解除するために満たさなければならない条件）によって保護された複数のアイテムが含まれます。ZkVMはTaprootベースの設計を採用しており、暗号署名、またはカスタム条件を検証する組み込みサブプログラムの実行によって契約のtracを解除できます。.

ZkVMのtracは、アカウント、オーダーブック、決済チャネルといった高レベルプロトコルの汎用的な構成要素として機能します。この柔軟性により、Stellarのようなプラットフォームは、プロトコル設計の選択をコンセンサスが重要な層から切り離し、幅広い分散型アプリケーションでの実験を促進することができます。.

dent性に関しては、ZkVMは述語にTaprootスキームを用いることでバランスをとっています。すべての当事者が協力すればtrac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。tracロジックを開示する必要がある場合でも、残高やtracパラメータなどのデータは、ゼロ知識検証済みの制約システムによりdent性が保たれます。.

ZkVMはBulletproofsゼロ知識証明システムを活用し、値とデータをデフォルトでPedersenコミットメントとして暗号化します。ユーザーは秘密値に対して算術式や論理式を指定でき、それらはmatic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かつ効率的で、1KBから1.5KBの小規模トランザクションと集約支払いの限界コストは、入出力ペアあたりわずか200バイトです。検証は高度に並列化されており、出力あたり約1ミリ秒しかかかりません。この効率性により、ZkVMはデータ暗号化を損なうことなくセキュリティを優先し、データが必要に応じて承認された関係者にのみ公開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できるセットアップの必要性を排除し、機能ごと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できます。.

zkEVMからzkVMへの移行の必要性

zkEVMの制限

zkEVM は大幅な改善を導入しましたが、スケーラビリティの可能性を妨げるいくつかの制限がまだありました。

1. 互換性の制限：zkEVMは主に Ethereum ネットワーク向けに設計されています。そのため、他のブロックチェーンプラットフォームではこの技術を容易に採用することができず、ブロックチェーンエコシステムへの広範な影響が限定的でした。.
2. 複雑さ：zkEVMの実装には、ゼロ知識証明と暗号に関する深い理解が必要でした。この複雑さにより、開発者がプロ​​ジェクトにzkEVMを組み込むことが困難になり、その導入がさらに制限されていました。.
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に効果的に対処していませんでした。大規模なデータストレージ要件は依然としてスケーラビリティのボトルネックとなっていました。.

zkVMへの移行：スケーラビリティの飛躍的向上

zkEVM の限界を認識し、ブロックチェーン コミュニティはより汎用性が高くスケーラブルなソリューションの開発に乗り出し、zkVM (ゼロ知識仮想マシン) が誕生しました。.

zkVMはzkEVMの基本原則を基盤としながら、その欠点を克服しています。zkVMがブロックチェーンのスケーラビリティにどのような革命をもたらすのか、見ていきましょう。

1. クロスプラットフォーム互換性：zkEVMとは異なり、zkVMは特定のブロックチェーンに依存しないように設計されています。つまり、 Ethereumに限らず、様々なブロックチェーンネットワークに統合できます。この幅広い互換性により、zkVMはブロックチェーンエコシステム全体に大きな影響を与える可能性が高まります。.
2. ユーザーエクスペリエンスの向上：zkVMは、開発者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、zkVMは開発者がゼロ知識証明の力をより簡単に活用できるようにし、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。革新的なデータ圧縮およびストレージ技術を導入することで、ブロックチェーンのストレージ要件を削減します。この最適化は、ブロックチェーンのデータサイズを縮小することで、スケーラビリティに直接的なプラスの影響を与えます。.
4. トランザクション処理の高速化：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の短縮、手数料の削減、そして全体的なパフォーマンスの向上が実現します。.

何のために最適化するのでしょうか?

ロッキード・マーティンは、F-35の開発という野心的な課題に着手し、空対空戦闘機および空対地戦闘機の代替機として、多用途のジェット戦闘機を構想しました。しかし、この取り組みは大きな挫折に見舞われ、当初の予定より10年も遅れ、業界の専門家の間では、史上最も成功しなかったジェット戦闘機の一つという評判を落としています。.

この経験から得られた重要な教訓は、特定の目的を念頭に置いてシステムを設計すると、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に比べて、その特定の役割を果たすこと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分野に倣うと、 Ethereum 当初、完全にパブリックで透明性の高いプラットフォームとして構想されました。このようなブロックチェーンにプライバシー機能を導入しようとした場合、当初からプライバシーを中核原則として設計されたシステムと同等のパフォーマンスを達成することは難しいでしょう。これはエンジニアリング上の課題を伴います。開発者は、当初このコンテキストで動作することを想定していなかったプログラムを適応させる必要があり、複雑で扱いにくい回路が構築されることになります。.

しかし、代替アプローチとしては、プライバシーに特化した専用アプリケーション層の開発が挙げられます。このアプローチにより、プライバシー関連機能の最適化とゼロ知識証明のメリットの両立が可能になります。ゼロ知識証明については、次のセクションで詳しく説明します。.

zkVM と zkEVM の実際のアプリケーション

zkEVM と zkVM はどちらもさまざまな分野で応用されており、業界やブロックチェーンのユースケースを再構築することが期待されています。

• DeFi 革命: 分散型金融 (DeFi) プラットフォームは、zkVM と zkEVM を活用して、トランザクション速度を向上させ、手数料を削減し、機密性の高い財務データを保護できます。
• サプライ チェーンの変革: zkVM と zkEVM により、サプライ チェーンの透明性と trac可能性が向上し、不正行為が削減され、効率が向上します。
• 医療データ セキュリティ: zkEVM と zkVM は医療データのプライバシーとセキュリティを確保し、承認された関係者間で情報を安全に共有できるようにします。
• ゲームと NFT: ゲーム業界と非代替トークン (NFT) マーケットプレイスは、zkVM と zkEVM によって提供されるより高速なトランザクションと安全なデータ処理の恩恵を受けることができます。

zkVMとブロックチェーンのスケーラビリティの未来

zkVMはブロックチェーン分野で注目 tracおり、ブロックチェーンの普及と成長を阻害してきた長年のスケーラビリティ問題を解決する可能性を秘めています。しかし、他の新興技術と同様に、克服すべき課題や留意すべき点も存在します。

1. 導入のハードル: zkVM はさまざまなブロックチェーンと互換性があるため大きな利点がありますが、広く導入されるかどうかは、ブロックチェーン プロジェクトがこのテクノロジーを自社のネットワークに統合する意欲にかかっています。.
2. セキュリティ上の懸念：ゼロ知識証明は複雑な暗号技術を導入するため、脆弱性が発見されれば重大なセキュリティリスクが生じる可能性があります。zkVM実装の継続的な監査と改善は、ユーザーの信頼を維持するために不可欠です。.
3. 規制環境：ブロックチェーン技術が進化するにつれ、規制当局による厳しい監視が続くでしょう。規制当局がゼロ知識証明とその応用をどのように扱うかはまだ不明であり、zkVMの将来的な普及に影響を与える可能性があります。.

結論

zkEVMからzkVMへの移行は、ブロックチェーンのスケーラビリティ課題への対応において大きな前進を意味します。zkEVMは基盤を築きましたが、zkVMはより汎用性と拡張性に優れたソリューションを提供し、様々な業界におけるブロックチェーン技術の活用方法に革命をもたらす可能性を秘めています。.

zkVMへの移行には課題がないわけではありませんが、クロスプラットフォームの互換性、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といったメリットは、ブロックチェーン分野における魅力的な進歩と言えるでしょう。zkVMが進化を続け、ブロックチェーンエコシステムにおける地位を確立していくにつれ、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が登場し、産業を変革し、世界中の人々の生活を向上させる可能性を秘めていることが期待されます。.