カンクン・アップグレード直前、イーサリアムzkEVMの世界を概観する
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カンクン・アップグレード直前、イーサリアムzkEVMの世界を概観する
各社のzkEVMにおける取り組みや、イーサリアム自体の改善が進むにつれて、最終的にすべての方式が「イーサリアムと完全に等価である」という状態に到達する可能性がある。
Web3業界の深掘り報道に専念し潮流を洞察著者：0xRJ.eth
はじめに
2023年秋冬に実施予定のイーサリアムの大規模アップグレード「キャンクン・アップグレード（Cancun-Deneb Upgrade）」は、ネットワークのスケーラビリティ、セキュリティ、可用性を強化し、同時にL2ネットワークのGas手数料を大幅に削減することを主な目的としています。このアップグレードが成功すれば、イーサリアムのレイヤー2（L2 Rollups）エコシステムに直接的な恩恵をもたらし、L2分野全体の爆発的成長を促す可能性があります。
L2スケーリング分野において、卓越したデータ圧縮性能を持つゼロ知識証明型スケーリングソリューション（ZK Rollups）は、イーサリアムの中長期的な核心技術と見なされています。イーサリアム創設者のVitalikは2022年、各ZK RollupsプロジェクトがEVM（Ethereum Virtual Machine）との互換性に基づいて4つのタイプに分類できると提唱し、zkEVMの基礎となる分類基準を確立しました。
本稿は、上記のVitalikによる革新的な分類から大きな影響を受けたものです。それから1年間でこの分野は大きく進展しました。ここでは、Vitalikの洞察を土台としつつ、論理的で簡潔な言語により、最新の動向とより詳細な解説（初心者にもわかりやすい形で）を提供します。
EVMとは何か？
EVM（Ethereum Virtual Machine）は、最初のチューリング完全なブロックチェーン仮想マシンです。これはイーサリアム上でコードを実行する環境であり、イーサリアムネットワークにデプロイされたスマートコントラクトを実行するために特化されています。EVMを通じて、スマートコントラクトは非中央集権ネットワーク上で自動化された機能を実現できます。
2015年にリリースされ、これまでに最も検証されたブロックチェーン仮想マシンであるEVMは、イーサリアムにとって非常に重要なインフラです。他のブロックチェーンを評価する際も、EVMとの互換性があるかどうかは重要な判断基準となっています。なぜなら、EVM互換性は単なるスマートコントラクト実行環境やツールセットの利用可能性だけでなく、巨大なネットワーク効果と成熟したエコシステムを意味しているからです。
ただし、EVMは当初、ZK Rollup L2がイーサリアムのスケーリングの中心になるとは想定していなかったため、ゼロ知識証明（ZKP）に配慮した設計にはなっていません。このため、EVMに互換性を持ちながらZKPフレンドリーな「zkEVM」の構築は極めて困難になっています。
zkEVMとは何か？
ゼロ知識証明（Zero Knowledge Proof）とEVMの互換性の難しさゆえに、初期のZK RollupはEVMをサポートしていませんでした。これらは一般的にスマートコントラクトの実行能力が不足していたか、特殊な仮想機のみをサポートしており、用途はトークン交換（swap）や支払い（payment）といった比較的単純なユースケースに限定されていました。
この問題を解決するために、多くの組織や研究者が「zkEVM（Zero Knowledge Ethereum Virtual Machine）」の開発に取り組んできました。名前の通り、zkEVMはEVM上でスマートコントラクトを実行する過程および結果について、ゼロ知識証明を生成するものです。
ZK Rollupのスケーリングソリューションの信頼性が高まり、技術が進歩する中で、各zk拡張プロジェクトは「互換性（Compatibility）」と「パフォーマンス（Performance）」—特にゼロ知識証明の生成時間（Proving Time）—のバランスを取るために、EVMの実行とZKP計算を統合するさまざまなアプローチを開発してきました。
zkEVMの種類：
出典：Vitalikブログ『The different types of ZK-EVMs』
2022年、Vitalikは「異なるタイプのzkEVM」についての記事を発表し、市場にあるzk拡張プロジェクトを大まかに分類・比較しました。
以下では、平易な表現と明確な論理構造で、zkEVMの種類、技術的アーキテクチャ、およびそれぞれの長所と短所を整理していきます。
Type1 zkEVM：イーサリアムと完全等価
Type2 zkEVM：EVMと完全互換（かつてType2.5も存在したが、現在はほぼType2に統合）
Type3 zkEVM：EVMとほぼ互換
Type4 zkEVM：高級言語と互換
Type1 zkEVM――イーサリアムと完全等価
アーキテクチャ：
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イーサリアムと完全に等価であり、イーサリアムシステム環境のいかなる部分も変更しない。
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ハッシュ（Hashes）、状態木（State Trie）、トランザクション木（Transactions Trie）、プリコンパイル契約（Precompiles）、その他すべてのコンセンスロジック（In-consensus Logic）を置き換える必要がない。
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既存のアプリケーションと完全に互換することを目指しており、開発者はアプリケーションをそのままシームレスに移行できる。
利点：
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すべてのZK Rollupタイプの中で最高の互換性を持つ。つまり、開発者にとって最も使いやすく、すべてのコンセンスロジックとシステム環境がイーサリアムと同一であるため、既存のコードを一切修正せずにL2にデプロイできる。
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イーサリアム自体のスケーリング方向とも一致しており、Type1 zkEVMでの研究成果は将来的にイーサリアムL1自体に摩擦なく導入可能となり、L1のスケーラビリティ向上にもつながる。
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現在の膨大なイーサリアムインフラストラクチャ（例：イーサリアム実行クライアントをそのままRollupブロックの生成・処理に使用可能、既存のブロックエクスプローラーやブロック生成ツールもL2に容易に展開可能）をそのまま活用できる。
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現在のイーサリアムと同様にイーサリアムブロックを検証可能、あるいは正確には実行層（すべてのトランザクション実行、スマートコントラクト、アカウントロジック）を検証可能（ただし現在はビーコンチェーンのコンセンスロジックは含まない）。
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前述の通り、完全にイーサリアムと等価であるという価値は、既存の巨大なネットワーク効果と成熟したエコシステムを享受できる点にある。
欠点：
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イーサリアムがゼロ知識証明との統合で直面する課題は、Type1でも同様に存在する（そもそもイーサリアム等価であり、当初はzk機能向けに設計されていないため）。
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最大の課題は証明生成に時間がかかること。これに対処する業界の主なアプローチは、巧妙なエンジニアリングによる並列化の大幅な拡大、またはハードウェア最適化による高速化である。
主要プロジェクト：
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イーサリアム財団PSE（Privacy and Scaling Explorations）チーム
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Taiko：2023年7月にAlpha-4テストネットへアップデート済み。メインネットは2024年初頭のローンチ予定。Taikoは初めから非中央集権性と互換性を重視しており、現在唯一、非中央集権的なプロポーザー（proposer）を実装したZK Rollupである。
Type2 zkEVM――EVMと完全互換
アーキテクチャ：
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EVMと完全に互換することを目指すが、イーサリアムそのものとは等価ではない。
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イーサリアムの実行環境と比較して、ブロック構造、状態木のデータ構造、Gas手数料の価格設定ロジック（zkフレンドリー度に応じ再設計）、データストレージなどを一部変更し、ゼロ知識証明の生成をより速く・安価にする。
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大部分の既存アプリケーションと互換することを目指すが、少数のアプリは若干の修正が必要になる場合がある。
利点：
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Gas手数料の再価格設定（zkに不向きなop codeは高く、逆に向きやすいものは安く）や、zkに不向きなイーサリアムスタックの削除により、Type1よりも短い検証時間を実現。
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Type2は既存のイーサリアムアプリのほとんどと互換できるため、開発者・ユーザー側での摩擦はほとんど感じられない。
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イーサリアム実行クライアントをそのまま使うことはできないが、ある程度の調整により、既存のEVMデバッガーや開発インフラをサポートできるため、依然としてイーサリアムの豊かなエコシステムの恩恵を大きく受けられる。
欠点：
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実行環境の変更範囲は小さいが、中長期的には潜在的な開発課題が残る。例えば、よく使われるハッシュ関数Keccakを他のzkフレンドリーなハッシュ（例：Poseidon）に置き換えると、Keccakに依存するプログラム（例：クロスチェーンブリッジ。原理的に過去のデータを証明する必要があるため）がType2プロジェクトに移行した際に互換性問題（使用不能、または異なる結果）を引き起こす可能性がある。
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Gas手数料の価格設定変更（zkフレンドリー度に応じてop codeを「誘導」する意図）は、すでにイーサリアム上でGas最適化されたコントラクトや、Gas最適化ツールに悪影響を与える。
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Type1と比べて証明者の効率は向上しているが、Type4と比べると証明時間は依然劣る。
主要プロジェクト：
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Scroll：2022年9月にPre-Alphaテストネット、2023年2月にAlphaテストネットを開始。2023年8月にメインネット公開予定。テストネット開始時はType3 zkEVMだったが、EVM互換性を段階的に強化し、現在はType2へ移行中。
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Polygon zkEVM（PolygonチームのZK Rollupソリューション）：2023年3月にメインネットBeta版をリリース。リリース時はType3 zkEVMだったが、現在はType2へ移行中。
Type3 zkEVM――EVMとほぼ互換
アーキテクチャ：
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Vitalikは2022年のブログで、Type3 zkEVMは「過渡的」なものだと述べており、互換性を高めてType2/1へ移行するか、互換性を犠牲にしてzkフレンドリー性を高めType4へ移行する中間的存在と位置づけている。
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EVMとほぼ互換。互換性をさらに犠牲にすることで、zkEVMの開発が容易になり、証明生成も早くなる。
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zkEVM内で実装が難しい機能（例：プリコンパイル）を多く削除。
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コントラクトコード、メモリ、スタックの処理に大きな差異がある。
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大多数の既存アプリケーションと互換することを目指す。
利点：
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Type1・Type2と比べてzkフレンドリー性が高く、証明生成時間が短い。
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Type4と比べて、既存のイーサリアムアプリとの互換性が高い。
欠点：
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Type1・Type2と比べて互換性が低く、より多くの要素を犠牲にしている（開発者にとっては使いにくい）。そのため、Type3は過渡的とされ、このカテゴリのプロジェクトは互換性を高めてType2へ移行することが多い。
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Type4と比べて証明速度が遅い。
主要プロジェクト：
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Scroll：2022年9月にPre-Alphaテストネット、2023年2月にAlphaテストネットを開始。2023年8月にメインネット公開予定。一年前はこのタイプに属していたが、現在はEVM互換性を高め、Type2へ移行中。
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Polygon zkEVM（PolygonチームのZK Rollupソリューション）：2023年3月にメインネットBeta版をリリース。リリース時はType3 zkEVMだったが、現在はType2へ移行中。
Type4 zkEVM――高級言語と互換
アーキテクチャ：
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実際には「zkVM」（ゼロ知識証明仮想マシン）であり、「zkEVM」と呼ぶのは少し誤解を招く。
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プログラミング言語レベルでの互換と理解できる。基本的な流れは、開発者がSolidityなどイーサリアムで慣れている言語を使ってスマートコントラクトを書く。このプロジェクトはコンパイラを使い、そのコードを独自の実行可能なコード（例：StarkwareはWarpコンパイラでSolidityをCairoバイトコードに変換、zkSyncはLLVMコンパイラでSolidityをLLVM-IRに変換）に翻訳し、独自の環境（例：StarknetのCairo VM、zkSyncのSync VM）で実行する。
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目標は低コスト、高効率、ゼロ知識証明への最大限の適合性。
利点：
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非常に短い検証時間。
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高級言語からの直接コンパイルにより、時間・金銭・計算負荷の大幅な削減が可能。
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証明者になる技術的ハードルが下がり、非中央集権性が向上。
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独自の仮想マシンを活用することで、アカウント抽象（Account Abstraction）をネイティブにサポート可能。EVM等価チェーンはERC-4337経由でのみ実現できる。
欠点：
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多数の既存イーサリアムアプリはこのzkVMに複製できない、または複製時に問題が生じる。例えば、Type4 zkVM内でのコントラクトアドレスがEVM内と異なる可能性がある。手書きのEVMバイトコードがサポートされない（多くのアプリはGas節約のために手書きバイトコードを使用）。また、コンパイラがSolidityの全機能をサポートしていない。
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イーサリアム開発者がこのタイプのプロジェクトにアプリをデプロイするには、より複雑な調整が必要。従って、前3タイプと比べて開発者への優しさが低く、エコシステムの発展や技術進化のスピードに影響する可能性がある。
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イーサリアムの複雑で繁栄したエコシステムやネットワーク効果を活用することは極めて困難。
主要プロジェクト：
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zkSync Era（Matter LabsチームのZK Rollupソリューション）：2020年6月にzkSync Lite（zkSync 1.0）をリリース。シンプルな支払い（payment）と資産交換（swap）のみをサポートし、EVM互換スマートコントラクトは不可。2023年3月にzkSync Era（zkSync 2.0）をリリース。上記アーキテクチャにより、高級言語レベルでの互換を実現。zkSyncの目標はEVM互換ではなく、ゼロ知識証明の生成速度向上にある。
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Starknet（StarkwareチームのZK Rollupソリューション）：2021年11月にメインネットリリース。2023年7月にv0.12.0へアップデート済み。Type4 zkEVMに該当し、EVM互換を目指していない。ただし、KakarotのようなプロジェクトがStarknet上で動作し、Type2.5～3程度の互換性を目指している。
Vitalikが2022年に提示したzkEVMの分類をベースに、各プロジェクトの進捗（2023年8月時点）を加味すると、以下の図で簡単にまとめられます。
主要ZK Rollupプロジェクトの分類
各タイプの主要zkEVMプロジェクト
主要ZK Rollupプロジェクト比較図
Vitalikは記事の結びで次のように述べています。「個人的には、時間の経過とともに、zkEVMの改善とイーサリアム自体の改善が組み合わさり、ZK-SNARKにより親和的になっていき、最終的にはすべてがType1になることを願っています。
そのような未来では、複数のzkEVM実装が存在し、ZK Rollup（ゼロ知識スケーリング）にも、イーサリアムチェーン自体の検証にも使えるようになります。理論的には、イーサリアムL1が単一の標準化されたzkEVM仕様を採用する必要はありません。異なるクライアントが異なる証明方式を選べるため、コードレベルの冗長性の恩恵を引き続き受けられます。
しかし、このような未来を実現するにはまだ長い時間がかかります。その間にも、イーサリアム自体のスケーリングと、イーサリアムベースのZK Rollupという異なる道筋において、多くの革新が見られることでしょう。」
なお、市場で主流のzkEVM分類はVitalikが2022年に提唱したもの（本稿で引用）ですが、他にも分類基準は存在します。そして、どのような分類であれ、これらのzkEVMタイプに絶対的な優劣はありません。互換性と速度のトレードオフにすぎません。Type1は互換性が最高だが証明速度は遅く、Type4は互換性が低いが検証速度は速いのです。
もちろん、zkEVMの互換性と速度は、開発者がどのZK Rollupにアプリをデプロイするかを決める唯一の指標ではありません。他にも多くの要因が選択に影響します。たとえば：
L2トランザクションの並び順（sequencing）の非中央集権性：sequencer/proposerが非中央集権的かどうか。これはエコシステム参加者の多様性とネットワーク全体の安全性に直接影響。
費用：どのトークンで手数料を支払うか、ブロックチェーンのトークン経済モデルはどうか。
証明生成ルール：proverに対するインセンティブ設計、証明生成を加速するハードウェア基準。
セルフホスティング：L2で事故が起きた場合でもL1上でユーザー資産を回復できる明確な仕組みがあるか。
データ可用性：完全なデータ可用性はコストが高いため、一部のZK Rollupが採用する低コストのデータ可用性モデルを受け入れられるか。
ただし、多くの汎用ZK Rollupプロジェクトはまだテストネット段階であり、上記の要素を横断的に比較することは現時点では困難です。
最後に、任意のzkEVMプロジェクトの所属タイプは静的ではなく、固定されたものではありません。各プロジェクトのzkEVMに関する探求や、イーサリアム自体の改善が進めば、最終的にすべてのプロジェクトがType1 zkEVM相当の効果を達成する可能性があります。そのとき、我々は複数のzkEVM実装――ZK Rollupにも、イーサリアムチェーン自体の検証にも使える――を持つことになるでしょう。
その日が来るまで、イーサリアムのスケーリングとZK Rollupの異なる道筋における持続的な革新に期待しましょう。
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