ZKApps 101 : Aperçu général des applications ZK et état actuel du développement
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ZKApps 101 : Aperçu général des applications ZK et état actuel du développement
Pourquoi devriez-vous prêter attention aux ZKApps maintenant ?
Dédié à des analyses Web3 approfondiesAuteur : YIWEI
Traduction : TechFlow
Résumé
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L'écosystème actuel de la connaissance nulle (ZK) peut être classé selon deux critères principaux : s'il fonctionne comme une application ou une infrastructure, et s'il privilégie la confidentialité ou se concentre sur l'utilité et l'extensibilité.
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Dans ces classifications, les applications ZK (ZKApps) sont des applications utilisant des preuves à connaissance nulle pour renforcer la confidentialité et l'utilité. Les ZKApps peuvent améliorer notre quotidien dans des domaines tels que les justificatifs, les paiements ou encore le génie biomédical.
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Les tendances d'investissement et les données sur chaîne indiquent une demande croissante pour les preuves à connaissance nulle (ZKP), avec un début d'adoption par les utilisateurs grand public.
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Grâce aux progrès technologiques dans les systèmes cryptographiques de preuve et les infrastructures décentralisées de preuve, les ZKApps deviennent plus pratiques et accessibles. Ces avancées réduisent les barrières à la génération et à la vérification des ZKP, permettant à davantage de personnes d'utiliser les ZKApps.
1. Introduction
Pourquoi devrions-nous nous intéresser aux ZKApps maintenant ?
Dans l'industrie blockchain et Web3, l'engouement autour de la technologie ZK dure depuis plusieurs années et se poursuit au second semestre 2024. Comme l'a souligné Vitalik Buterin : « Même s'il reste besoin de développer davantage l'infrastructure et d'optimiser les prouveurs, la ZK sera clairement la solution finale d'ici 10 ans. » La ZK est considérée par les experts du secteur comme une technologie prometteuse pour résoudre le dilemme blockchain — concilier sécurité, extensibilité et décentralisation sans sacrifier aucun de ces piliers.
Portés par cet engouement, de nombreux investisseurs, qu'ils soient spécialistes techniques ou non, ont probablement entendu parler de termes complexes comme SNARKs, STARKs ou KZG, qui font l'objet de recherches et de développement, notamment dans la communauté Ethereum. Pourtant, du point de vue des utilisateurs, une question fondamentale surgit inévitablement : « Je sais que la ZK est une technologie impressionnante, mais quand allons-nous pouvoir utiliser concrètement des produits qui l'exploitent ? Et cette technologie est-elle déjà assez mature pour remplacer les solutions non Web3 existantes ? »
Il y a quelques années, la réponse aurait pu être : « Pas encore, on ne sait pas. » Comme mentionné par Vitalik, l'infrastructure et les technologies cryptographiques nécessaires au déploiement d'applications basées sur la ZK (les ZKApps) étaient alors insuffisantes, rendant le développement difficile. Cependant, en 2024, malgré des marges d'amélioration importantes, des progrès technologiques significatifs ont été accomplis, posant les bases commerciales des ZKApps. Il est donc temps de concentrer nos efforts sur l'identification des domaines où la technologie ZK est réellement nécessaire, et de réfléchir à la manière dont elle peut améliorer notre qualité de vie. D'un point de vue investisseur, analyser les catégories de ZKApps susceptibles d'être largement adoptées à l'avenir peut également ouvrir de nouvelles opportunités.
Dans cette étude conjointe entre Presto Research et Ocular VC sur la technologie ZK, nous proposons un aperçu et une prospective du secteur des ZKApps, combinant analyse des tendances du marché et connaissances techniques de pointe issues des deux groupes. Dans la deuxième partie, nous présentons l'écosystème actuel d'adoption de la ZK, en mettant en lumière les infrastructures ZK et les ZKApps qui attirent l'attention. La troisième partie retrace l'histoire du développement des ZKApps, en discutant de leur nécessité et de leurs bénéfices pratiques. La quatrième partie examine les tendances d'investissement et les données sur chaîne jusqu'en 2024, afin d'expliquer pourquoi les ZKApps pourraient constituer la prochaine grande vague. Enfin, la cinquième partie aborde les efforts de R&D et les réalisations technologiques dans le domaine de l'infrastructure, qui rendent les ZKApps praticables et accessibles au grand public.
2. Écosystème actuel d’adoption de la ZK
L’écosystème actuel d’adoption de la ZK peut être classé selon plusieurs critères. Ici, nous opérons une classification large selon deux axes : le service fonctionne-t-il comme une infrastructure ou une application ? Et priorise-t-il la confidentialité ou l’utilité ?
Figure 1 : Écosystème actuel d’adoption de la ZK
Source : Ocular VC
2.1. Infrastructure ZK
Type 1 : Infrastructures axées sur la confidentialité
Les services de cette catégorie visent principalement à résoudre les problèmes de confidentialité dans les systèmes ZK, car de nombreux fournisseurs de ZKP conservent potentiellement la capacité d'examiner les transactions, exposant ainsi des risques de fuite de données sensibles. Autrement dit, les fuites de confidentialité surviennent souvent lorsque le client soumet une transaction à un fournisseur de ZKP pour créer une preuve. Ainsi, ces infrastructures axées sur la confidentialité peuvent être fournies via la couche des prouveurs (expliquée plus en détail dans la section 5.2) et des composants de machines virtuelles (VM), afin de renforcer le contrôle d'accès et garantir une confidentialité extrême à extrême. Des exemples notables incluent Ingonyama, Succinct et Espresso.
Type 2 : Infrastructures axées sur l'utilité
La technologie ZK ne sert pas seulement à protéger la confidentialité, mais aussi à améliorer l'utilité des ZKApps. Un excellent exemple est celui des ZK L2 (c’est-à-dire les ZK-rollups). On sait que, dans les ZK L2 actuels, très peu garantissent une confidentialité totale des transactions. Toutefois, des chaînes comme Taiko, zkSync, Intmax et Zeko exploitent la concision de la technologie ZK pour regrouper la validité de milliers de transactions en une seule preuve ZK, puis la soumettre à la couche L1, augmentant ainsi massivement l'extensibilité de la blockchain. Un autre cas d'utilisation axé sur l'utilité est la couche des prouveurs. Cette couche fournit la puissance de calcul nécessaire pour aider les utilisateurs aux dispositifs moins performants à participer à la génération et à la vérification des ZKP. Actuellement, des services comme RiscZero, Cysic, Irreducible et Aligned Layer opèrent dans ce domaine.
2.2. Applications ZK
Type 3 : Applications axées sur la confidentialité
Les applications centrées sur la confidentialité sont généralement celles qui viennent à l'esprit lorsqu'on pense à des « applications ZK ». Ces services exploitent principalement la propriété de « zéro connaissance » de la technologie ZK et accordent la priorité à la confidentialité. Cette caractéristique est largement utilisée dans les domaines traitant d'informations personnelles sensibles, comme la vérification KYC, les attestations ou les justificatifs, afin de protéger la vie privée des utilisateurs. Parmi les projets notables figurent zkPass, Lumina, 0xKYC et zkMe. Ce domaine s'étend désormais vers des portefeuilles sécurisés et les e-mails, avec des exemples comme ZKSafe et zkEmail.
Type 4 : Applications axées sur l'utilité
Les applications axées sur l'utilité fonctionnent principalement au-dessus des ZK L2. Actuellement, les applications liées à la finance décentralisée (DeFi), telles que les échanges décentralisés (DEX) et les plateformes de prêt, dominent ce segment. Bien que les ZK L2 n'assurent pas la confidentialité, ces applications tirent parti de leur efficacité pour offrir des transactions rapides et à faible coût, essentielles dans le domaine DeFi. Parmi les applications notables figurent zkFinance, ZKX, zkEra Finance, zkLend et eZKalibur.
3. ZKApps : origine et évolution
3.1. Le chemin vers l'écosystème moderne de la ZK
Les preuves à connaissance nulle (ZKPs) sont devenues une technologie transformatrice dans l'industrie blockchain, apportant des avancées révolutionnaires en matière de confidentialité et d'extensibilité. Issues de la recherche en cryptographie, les ZKPs ont évolué d’un concept théorique à des applications pratiques (ZKApps), façonnant profondément des domaines tels que la finance décentralisée (DeFi) et la cybersécurité.
Origines des ZKPs
Le concept de ZKP a été introduit pour la première fois en 1985 par Shafi Goldwasser, Silvio Micali et Charles Rackoff. Initialement, il s'agissait d'une percée théorique en cryptographie, démontrant qu’il était possible de prouver la possession d’une information sans la révéler. Les ZKPs sont particulièrement utiles dans les systèmes d'authentification utilisant des mots de passe, car elles permettent de valider l'identité sans exposer le mot de passe lui-même. À noter que des entreprises d'infrastructure réseau comme Cloudflare ont déjà intégré des mécanismes de ZKP, utilisant du matériel spécialisé pour des vérifications réseau sécurisées.
Transition vers la technologie blockchain
L'intégration des ZKPs à la technologie blockchain marque un tournant décisif dans leur évolution. L'un des premiers adopteurs fut Zcash, qui a intégré les concepts ZK à son système de paiement pour assurer une confidentialité totale des transactions. Grâce aux ZKPs, les transactions peuvent être validées sans révéler l'expéditeur, le destinataire ni le montant (c’est-à-dire, en confirmant que l’expéditeur possède bien les fonds et qu’il n’y a pas eu de double dépense). Ce cas illustre parfaitement le potentiel d’intégration directe des ZKPs dans les plateformes blockchain, offrant une application séduisante.
L’essor de l’intégration des ZKPs s’est accéléré avec le déploiement initial des solutions L2 d’Ethereum, telles que zkSync et Starknet. Ces plateformes utilisent les ZKPs comme solution d’extension pour pallier le goulot d’étranglement courant des blockchains : un faible taux de transactions par seconde (TPS). Dans ce contexte, la mise en œuvre réussie des ZKPs a stimulé l’intérêt pour le développement d’applications plus pratiques, exploitant les infrastructures existantes pour renforcer confidentialité et efficacité.
À mesure que l’infrastructure s’est consolidée et mûrie ces dernières années, l’attention s’est progressivement tournée vers les ZKApps. Nous examinerons plus en détail leurs spécificités et avantages dans la section suivante.
3.2. Définition et avantages des ZKApps
Comme brièvement introduit dans la section 2, nous définissons les ZKApps comme des applications qui utilisent des ZKPs et des infrastructures ZK pour générer des transactions, avec comme objectif principal 1) de protéger la confidentialité des utilisateurs et/ou 2) d’améliorer l’efficacité.
Les applications axées sur la confidentialité évitent généralement de stocker leurs données transactionnelles sur la chaîne publique (par exemple, procédures KYC, tests génétiques, données personnelles confidentielles), ce qui constitue un cas d’usage attrayant. Grâce aux ZKPs, ces données peuvent être stockées localement en toute sécurité sans être divulguées au public, tout en restant vérifiables mondialement (ex. : prouver que le groupe sanguin d’Alice est B, prouver que Bob a plus de 20 ans). Cette approche est particulièrement avantageuse pour les applications sensibles à la confidentialité nécessitant responsabilité et transparence. Des projets comme zkPass, nuAuth et BioSnark explorent actuellement ce champ.
Le Bhoutan, un petit pays asiatique situé entre l'Inde et la Chine, utilise désormais à l'échelle nationale les ZKPs pour construire une infrastructure d'identité numérique. Cette méthode permet au gouvernement de mieux gérer les données tout en permettant une vérification transfrontalière conforme aux réglementations internationales sur la confidentialité.
Fait intéressant, cette utilisation des ZKPs peut être étendue à des systèmes de crédit et de vérification d’identité, favorisant la confiance dans la coopération internationale et les services numériques partagés. Par exemple, les prêts en USDT pourraient utiliser les ZKPs pour protéger et valider hors chaîne la solvabilité. Cette approche pourrait ensuite faciliter sur chaîne l’émission de prêts non garantis en stablecoins. Ces usages pourraient transformer radicalement l’évaluation du crédit et la distribution des prêts, en augmentant la sécurité et la confiance, tout en élargissant l’accès aux services financiers.
Certains domaines restent encore peu explorés, comme le GambleFi, où cette technologie pourrait être particulièrement bénéfique. Les ZKPs permettent de vérifier cryptographiquement les résultats et comportements sans exposer les données sous-jacentes, rendant les jeux d’argent équitables et inviolables. Par exemple, on pourrait créer des pools de paris où les contributions et gains des utilisateurs restent anonymes, mais où la taille totale du pool et la répartition des gains restent vérifiables. Ces avantages, en renforçant la confiance et en offrant une expérience plus privée et extensible, pourraient attirer davantage d’utilisateurs vers le GambleFi.
Bien sûr, les usages des ZKPs ne se limitent pas à ces exemples. Au-delà de ce qui précède, les ZKPs pourraient être intégrées aux réseaux sociaux pour protéger l’anonymat des créateurs de contenu, ou séduire des joueurs experts qui ne veulent pas révéler leurs stratégies. Ainsi, la recherche explore activement comment les ZKPs pourraient offrir des services supérieurs aux méthodes actuelles dans divers aspects de notre vie quotidienne, et de nouveaux cas d’usage continueront d’émerger.
4. Analyse : pourquoi les ZKApps sont la prochaine tendance
Dans cette partie, nous examinons par l’analyse des données pourquoi la tendance principale de l’industrie ZK s’oriente désormais des infrastructures vers les applications. Dans la section 4.1, nous analysons, à partir des tendances d’investissement en 2024, pourquoi les ZKApps représentent la prochaine grande opportunité. Puis, dans la section 4.2, nous utilisons des données sur chaîne pour évaluer empiriquement la demande croissante des utilisateurs pour des ZKApps concrètes.
4.1. Tendances d’investissement
En examinant l’historique des investissements dans l’industrie ZK, on constate que la majorité des financements importants ont ciblé les infrastructures ZK (comme les ZK L1/L2 et l’accélération matérielle), incluant des projets comme zkSync, Starknet, Aleo et Cysics. Les investissements cumulés dans ce marché dépassent déjà 1 milliard de dollars, et de nombreux projets préparent le lancement de leurs produits dans les prochains trimestres. Cette tendance se poursuit en 2024, comme en témoignent les cinq plus grosses levées de fonds ZK (voir Figure 2), dont quatre dépassent les 15 millions de dollars. Notamment, quatre de ces cinq transactions concernent la couches des prouveurs, et une seule concerne une solution L2.
Pourquoi la couche des prouveurs attire-t-elle autant l’attention ? Comme mentionné dans la section 3, elle constitue un élément clé pour répondre à la demande croissante de ZKPs, permettant même aux utilisateurs aux appareils moins performants de participer à la génération et à la vérification des preuves. L’intérêt accru pour cette couche indique une hausse significative de la demande pour les ZKPs, signifiant que de plus en plus de personnes souhaitent générer des transactions via des ZK L1/L2.
Figure 2 : Tendances d’investissement ZK en 2024
Sources : Cointelegraph, The Block, Ocular VC
Concernant la hausse de la demande de transactions sur les chaînes ZK L1/L2, deux explications sont possibles. Premièrement, la croissance de la demande pour les ZKApps entraîne davantage de transactions envoyées vers les chaînes ZK sous-jacentes. Deuxièmement, les lancements des réseaux principaux des ZK L1/L2 ces deux dernières années ont conduit à une augmentation notable du volume de transferts sur ces chaînes, gonflant ainsi le nombre total de transactions. Quelle que soit l’explication, l’avenir des ZKApps reste optimiste. Dans le premier scénario, cela signifie que plus d’utilisateurs souhaitent adopter les ZKApps ; dans le second, cela indique que l’écosystème et l’infrastructure mûrissent, créant un environnement propice au développement des ZKApps.
4.2. Analyse des données sur chaîne
Examinons maintenant directement l’augmentation de la demande pour les ZKApps à travers les données sur chaîne. Les chiffres montrent que, ces 1,5 dernières années, les frais cumulés pour la vérification des ZKPs ont dépassé 198 millions de dollars, indiquant une demande nettement accrue comparée aux années précédentes. Plus important encore, cette croissance provient principalement de la demande pour les ZKApps. En décomposant l’utilisation des frais de vérification des ZKPs entre infrastructure et ZKApps, on observe que la part des ZKApps est passée de 40 % auparavant à 70-80 % en 2024. Ces données démontrent clairement que la forte hausse récente de la demande pour les ZKPs provient essentiellement des ZKApps.
Figure 3 : Dynamique des frais de vérification des ZKPs
Sources : dune.xyz@nebra, Ocular VC
5. Progrès technologiques rendant les ZKApps possibles
Jusqu’ici, nous avons exploré la définition des ZKApps, identifié des cas d’usage clés prometteurs, et discuté pourquoi la tendance principale de l’industrie ZK s’oriente vers les applications. La faisabilité des ZKApps repose évidemment sur des progrès technologiques qui les rendent pratiques. Comme mentionné, l’infrastructure ZK est désormais mature, et les ZKApps capables d’en tirer parti deviendront incontestablement dominantes dans l’industrie blockchain/Web3 au cours des prochaines années. Quelles sont donc précisément ces avancées, et quelles autres sont en route ?
5.1. Systèmes de preuve ZK
Tout d’abord, examinons les progrès des systèmes de preuve ZK. En raison de leur complexité, il peut être difficile pour les non-spécialistes de comprendre quelles opérations utilisent quelle technologie cryptographique, et comment les améliorations renforcent ces systèmes. Ainsi, dans cette section, nous mettons en lumière les avancées marquantes, illustrées par des analogies simples. En résumé, ces progrès apportent deux bénéfices majeurs : « support de fonctionnalités accrues » et « optimisation des processus de calcul ».
Plus de fonctionnalités : langages spécifiques au domaine (DSL)
Les langages spécifiques au domaine (DSL) dans les systèmes de preuve ZK sont des langages de programmation conçus spécifiquement pour gérer des tâches particulières dans l’écosystème ZK. Grâce à une syntaxe et des fonctionnalités optimisées pour les opérations ZK, ils enrichissent considérablement la création de ZKPs. Actuellement, des DSL comme Leo, Zinc, Cairo, Noir et ZoKrates sont en développement pour supporter davantage de fonctionnalités : variables modifiables, instructions conditionnelles, tableaux, etc.
Imaginons que Bob doive prouver à Alice qu’il a fait un gâteau selon une recette légale, sans révéler la recette elle-même. D’abord, Bob doit préparer sa recette, détaillant toutes les étapes élevées et les ingrédients requis (ex. : mélanger les ingrédients pour former la pâte, puis cuire). Si Bob pouvait utiliser davantage d’ingrédients sophistiqués et de techniques culinaires, ce serait encore mieux (voir Figure 4) !
Figure 4 : Les DSL étendent les fonctionnalités des ZKP
Sources : DALL E, Presto Research
Optimisation du calcul : arithmétisation, systèmes de preuve (IOP + FCS)
Après avoir écrit un programme en DSL, il subit des étapes comme l’arithmétisation et les systèmes de preuve (incluant les Preuves Oracle Interactives - IOP - et les Schémas de Commitment Fonctionnels - FCS), pour être converti en ZKP. Le défi commun à ces étapes est de minimiser la surcharge de calcul, afin de rendre la génération et la vérification des ZKP accessibles à davantage de personnes.
Parmi les efforts pour réduire cette surcharge, la façon la plus intuitive est de diminuer la taille du champ utilisé dans le système de preuve. Ici, la taille du champ désigne la taille du champ mathématique utilisé dans la génération du ZKP. En termes simples, elle représente le nombre total de valeurs possibles pour créer un code secret ; un champ plus grand rend le code plus difficile à deviner, mais augmente le temps de génération. Des systèmes célèbres comme Groth16, Plonk ou Halo2, que même les néophytes en ZKP connaissent parfois, utilisent typiquement des champs de 256 bits. Mais grâce aux progrès, des systèmes récents comme Goldilocks ou Plonky3 utilisent désormais des tailles de 31 à 64 bits sans compromettre la sécurité. Le système le plus avancé, Binius, utilise uniquement 1 bit (zéro et un) comme taille de champ, accélérant fortement le calcul.
5.2. Infrastructure de preuve décentralisée
La deuxième avancée technologique importante est le développement des infrastructures de preuve décentralisées. Alors que les progrès des systèmes de preuve ZK optimisent la génération et la vérification en réduisant la charge de calcul, l’infrastructure de preuve décentralisée permet aux individus d’externaliser la puissance de calcul nécessaire à la génération des ZKPs.
Actuellement, deux approches principales sont mises en œuvre dans l’industrie ZK pour instaurer une infrastructure de preuve décentralisée. La première consiste à construire une couche de preuve interne propre sur une chaîne ZK. La seconde est d’opérer une couche de preuve externalisée, traitant les demandes de génération de ZKP provenant de différentes chaînes et applications.
Couche de preuve interne
Dans ce modèle, l’entité générant les ZKP (le prouveur) est rattachée à une chaîne spécifique. Le principal frein à son démarrage est économique : les développeurs de chaîne peinent à offrir une couche de preuve fluide à tous les utilisateurs. Ils déployent donc souvent des protocoles incitatifs, distribuant des jetons natifs pour attirer des individus ou groupes disposant de puissance de calcul.
Un projet emblématique de couche de preuve interne est Aleo, une blockchain ZK de niveau 1. À l’instar du Proof-of-Work (PoW) de Bitcoin, Aleo exige que les prouveurs génèrent pour chaque bloc un ZKP satisfaisant un seuil donné (le « target de preuve »). Si la somme totale des preuves dépasse le « Coinbase target », la récompense Coinbase (jetons Aleo) est distribuée proportionnellement à la contribution de chaque prouveur. Ce protocole encourage le développement logiciel et matériel plus rapide, et favorise la décentralisation de l’écosystème de preuve.
Couche de preuve externalisée
Inversement, la couche de preuve externalisée opère hors chaîne, fournissant de la puissance de calcul sur demande pour des chaînes et ZKApps variées. On peut la voir comme une blockchain modulaire à la Celestia, mais dédiée à la génération de ZKP. Ces couches fonctionnent généralement comme des « marchés de preuve » : les clients soumettent des transactions nécessitant un ZKP, et les prouveurs enchérissent pour fournir leur service, selon leur capacité et coût.
Des projets comme =nil et Gevulot opèrent actuellement de telles couches. =nil maintient un carnet d’ordres par circuit, reliant demandes des utilisateurs et offres des prouveurs. Le prix de génération est découvert via ce carnet. Gevulot adopte un modèle Proof-of-Stake (PoS) : les prouveurs doivent verrouiller une mise et accomplir une tâche PoW pour rejoindre. Outre les enchères, les travaux de génération sont attribués aléatoirement via des fonctions vérifiables aléatoires (VRF), assurant l’équité.
Toutefois, cette approche présente un problème majeur : lors de la soumission au prouveur, les données transactionnelles dans la demande ne sont pas cachetées, rendant difficile la préservation de la confidentialité end-to-end. Pour y remédier, des projets comme Marlin ou zkPass utilisent des environnements d’exécution sécurisés (enclaves) pour garantir l’absence de fuite de données durant la génération du ZKP.
Figure 5 : Aperçu des infrastructures de preuve décentralisées
Source : Presto Research
Conclusion
Nous avons examiné jusqu’ici l’adoption globale de la ZK, les bénéfices potentiels des ZKApps, les preuves que la tendance du secteur passe des infrastructures aux applications, ainsi
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