次の兵家の必争之地：生成ZK証明市場

2024.01.08

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次の兵家の必争之地：生成ZK証明市場

才能あるエンジニアたちがZKをスケーラビリティ、プライバシー、データクレジットに応用。

2024.01.08 - 13:27:35

Web3業界の深掘り報道に専念し潮流を洞察

才能あるエンジニアたちがZKをスケーラビリティ、プライバシー、データクレジットに応用。

著者：Yiping, IOSG Ventures

TL,DR;

ZK技術は、Starkware、zkSync、Scroll、Mina、Risc0、Giza、EZKLなどのプロジェクトにおいて、スケーラビリティ、プライバシー、信頼性の向上に主に活用されている。
ZK技術は大量の計算能力を必要とし、10^4～10^6もの計算オーバーヘッドが発生するため、インフラチームにとって大きな課題となっている。
ZK証明生成の主なアプローチには「Proof Markets（証明市場）」と「Proof Networks（証明ネットワーク）」がある。Proof MarketsはZK証明の取引を行うオープンマーケットとして機能し、Proof Networksは内部サーバーを持ち、クラウドサービスのような体験を提供する。
Proof Market方式は柔軟性とコスト効率に優れ、高性能サーバーの管理なしでZK証明の取引が可能になるオープンマーケットを促進する。
Proof Network方式は開発者にとって使いやすくスムーズな体験を提供し、市場メカニズムに依存せずに迅速かつ確実に証明を生成できる。理論的には証明の生成速度が速く、Proof Marketでは注文マッチングに時間がかかる点も考慮される。
課題としてはテストやデバッグの困難さ、新たなセキュリティ問題、ベンダーロックインの可能性、特定の使用パターンでの高コスト化、およびトークンユーティリティの喪失などが挙げられる。
リーディングプレイヤーとなるのは、内部でのZK証明需要が最も高い企業であり、既存のインフラと専門チームを活かしてハードウェア利用率を最大化できる。
新興アプリケーションとしてZKコプロセッサ、ZKアテンション、ZKML、ZKブリッジなどがあり、これらはZK証明生成に対する需要をさらに拡大している。
ZK分野では、ブロックチェーン業界におけるセキュリティ、検閲耐性、プライバシーへの傾向から、分散型証明ネットワークの構築が推進されている。しかしZK自体が持つ内在的な安全性により、これらの利点は必ずしも分散化を前提としていない。ZKにおいてはパフォーマンスが主な関心事である。

はじめに

ZK需要の拡大

長年にわたりZK分野での研究が進められ、性能面での大幅な改善を経て、ついに実用的なアプリケーションへと応用され始めた。優れたエンジニアたちがZKを以下のような用途に応用している：

スケーラビリティ
プライバシー
データ信用

ZKに依存する多くの興味深いプロジェクトが存在する。たとえばStarkware、zkSync、Scroll、Mina、Risc0、=nil;Foundation、EZKL、Giza、Polygon、Mantaなどである。これらのプロジェクトは毎日安定的にZK証明を生成している。現在最も普及しているZKの用途は、イーサリアムのスケーラビリティ問題を解決するためのzkRUである。過去1ヶ月間で、イーサリアムおよびイーサリアムL2上でのZK検証には数百万ドルが費やされた。

このNearチームによるグラフは、イーサリアムおよびL2sにおけるzkSN(T)ARKのガス消費量を示している。zkSync、Polygon、Aztec、Tornado Cash、Loopring、Worldcoin、Tailgun、Sismo、StarkNet、ImmutableX、dydxといった人気のZKプロジェクトが含まれている。

zkStarkと比較して、zkSnarkは検証コストの80%を占めている。これらのプロジェクトの中で、Worldcoinの検証コストが最も高く、次いでzkSyncである。Worldcoinの1件あたりの検証コストは約2ドル、zkSyncは約30ドルである。

証明インフラの負担

ZKはスケーラビリティ問題を解決できるが、その代償として大量の計算能力が必要となる。ZKは大きな計算オーバーヘッドを伴い、Rollupチームはこれを処理しなければならない。@_weidai氏の推定によると、現在のZK技術では10^4～10^6の計算オーバーヘッドが発生する。理論的には専用回路によって10倍の計算効率が得られ、仮想マシンの抽象層を加えると100倍のオーバーヘッドとなる。

以下の図は、クメールの法則に基づき年ごとの計算能力の伸びを描いたものである。2000年以降、10年ごとにチップの効率は10倍になっている。2000年を基準にすると、2025年には784倍の計算能力に達する見込みだ。これは現在のZK計算が2000年と比べてもまだ桁違いに劣っていることを示している。

よく考えてほしい。我々はZKRUによってトランザクション量を10～100倍に増やすことを目指している。しかし同時に、10^4～10^6の計算オーバーヘッドにも直面している。こうした数字はZKRUインフラチームに大きな圧力をかけている。トップクラスのZKRUチームは、少なくとも200GBのメモリを搭載したハイエンドマシンを使用しており、これらの複雑なインフラを管理するために優秀な運用担当者が求められる。

それでは、小さなチームがZKRUを立ち上げたり、ZK技術スタックを使って第3レイヤーのソリューションを構築したい場合、何を意味するのか？独立した開発者がZK Dappsを構築したい場合、どのようにしてこのようなハイエンドサーバーを購入し、正しく運用すればよいのだろうか？

今やZKRUを立ち上げるのは難しいことではない。ZK Stackを使い、ドキュメントに従って新しいZKRUを展開できる。最大の難関は、高度なインフラを稼働させることにある。一連のサーバーを管理することは、日常のノートパソコンのメンテナンスよりもはるかに困難である。

さらに、ハードウェアアクセラレーションは即座に利用できるものではなく、各チームが使用するゼロ知識証明システムに応じて、サーバー設定を個別に調整する必要がある。

高可用性の確保もまた難しい課題である。もし多数のユーザーが突然あなたのZKRU上でOrdinalsを鋳造し始め、1000倍のスループットに直面したらどうなるだろうか？Arbitrumのような経験豊富なチームでさえ、Ordinalsの取引急増により数時間の停止を経験した。

大量のゼロ知識証明を生成するには、ハイエンドサーバーが必要不可欠である。中小規模のチームにとっては、一連のハイエンドサーバーの設置と維持は重い負担となる。各チームがより簡単にZK技術を採用できるようにするため、登場中のプロジェクトはこうした計算インフラの複雑性をすべて処理しようとしている。

証明市場

出典: IOSG Ventures

証明市場と証明ネットワークは二つの主要なアプローチである。証明市場はオープンマーケットのようなものであり、証明を生成する際、ユーザーは一定価格で証明を販売する相手を探す必要がある。一方、証明ネットワークは従来のクラウドサービスのように動作し、開発者が回路と入力値を送信すると、中央集権的なロードバランサーが内部サーバーに割り当てて証明を生成する。

証明市場はZK証明インフラにおいて一般的なアプローチである。証明市場は、買い手と売り手がZK証明を取引するオープンマーケットである。ZK証明市場のチームは、ZK証明のハードウェアやハイエンドサーバーを気にする必要はなく、ZK証明の取引・検証メカニズムに集中し、第三者のハードウェアプロバイダーを取り込む。

証明市場はより開放的なアプローチである。第三者のハードウェアプロバイダーを歓迎し、証明の売り手がいれば、買い手は米ドル建ての価格でZK証明を購入できる。証明の検証時には、市場参加者の合意は不要であり、検証責任は市場運営者にのみある。証明市場内では、zkDapp開発者が証明の注文を提出し、価格、生成時間、タイムアウト、公開入力などを含める。その後、第三者のハードウェアプロバイダーが注文を受け取り、証明を生成する。

証明市場の経済構造はシンプルである。証明生成者はステーキングを行う必要がある。誤った証明を生成したり、期限内に証明を提出しなかった場合は罰則が適用される。より多くのステーキングを持つ生成者は、同時に複数の証明を生成できる。

証明市場分野の主要プレイヤーは=nilとMarlinである。

=nil Foundation

証明市場には売り手と買い手が存在する。買い手はdApp開発者であり、証明生成のために売り手に料金を支払う。証明の価格にはいくつかの要因が影響する。主な要因は回路サイズ、証明システム、生成時間、入力サイズなどである。

以下は=nil証明市場の動作フローである：

証明リクエスターが市場に期待価格c_rでリクエストを送信する。
証明市場が買い手アカウント内のc_rトークンをロックする。
証明プロデューサーがc_p <= c_rの価格で提案を市場に送信する。
証明市場がリクエストとプロデューサーの提案をマッチングする。
プロデューサーが証明を生成し、市場に送信する。
証明市場が証明を検証し、c_r - 手数料のトークンをプロデューサーに支払う。
証明リクエスターが証明を受け取り、利用する。

マーケット設計により、取引に近い体験が提供される。証明生成価格はリアルタイムで変動する。

以下は=nil証明市場の製品スクリーンショットである。

現在、Proof Marketは限られた数の証明をサポートしており、その中でもMinaの証明が最も活発である。具体的には、zkLLVMコンパイラとPlaceholder証明システムに基づく回路を受け入れている。

Gevulot

Gevulotは証明市場に分散化をもたらすことに取り組んでいる。Gevulotは、証明市場専用に設計されたオープンでプログラマブルな第一層ブロックチェーンである。第一層のブロックチェーンは証明リクエストの配布、検証、報酬分配を担当する。証明者ネットワークは軽量なunikernelsを活用して高性能を実現する。Gevulotは検証可能なランダム関数（VRF）を用いて証明作業を少数の証明者グループに割り当て、システムの信頼性を保証する。

ユーザーはシームレスにプログラムをデプロイでき、費用は予測可能であり、プログラム実行に必要なサイクル数に応じて最高料金を設定できる。

証明者はGevulotネットワークとユーザー料金を通じて報酬を得る。これにより、効率的で競争力のある証明生成が促進される。最も高速な証明者が最も多くのネットワーク報酬を獲得する。ユーザー料金は証明完了に参加したすべてのノードに均等に分配される。

GevulotはC、C++、Go、Java、Node.js、Python、Rust、Ruby、PHPなど複数のプログラミング言語によるプログラムデプロイをサポートする。これはGevulotの基盤VMであるNanosがx86_64 Linux ELFバイナリをサポートしているためである。

Gevulotは多様な言語と証明システムに対応する汎用計算プラットフォームである。GevulotはNanos単一カーネル（unikernel）を活用することで、証明者が異なるマシン上で容易に実行できるようになる。すべての証明者は単一のunikernelイメージにコンパイルされる必要がある。

証明ネットワーク

Proof Networkは、より開発者に優しい体験を提供するアプローチである。その動作はWeb2のクラウドサービスプロバイダーに似ており、開発者はREST APIを通じて負荷データを送信し、Proof Networkは証明を返却する。開発者は価格変動や誰が証明を生成するかを気にする必要がない。

Risc0

Risc Zeroは自社のzkVMを活用してBonsaiを開始した。zkVMの力により、ユーザーはBonsaiを使ってさまざまな証明を生成できる。例えば、BonsaiとRisc0 VMを活用して、Zethはイーサリアムブロックの証明を生成している。

Succinct

最近、Succinctも新製品をリリースした。回路に対してREST APIを提供するのではなく、クラウドファンクションに近い方法を提供している。

ユーザーのワークフローは以下の通り：

GitHubアカウントに接続し、回路をデプロイ
RESTまたはスマートコントラクトからAPIを呼び出し、回路入力を渡す
REST APIまたはスマートコントラクトで結果を照会

BONSAIと比較して、Succinctは開発者体験において以下の利点を持つ：

回路コードベースの管理が容易
回路を再送信する必要なし
ワンクリックでスマートコントラクトをデプロイし、オンチェーンでの証明生成・検証を可能に
人気のZK証明を探索可能
ダッシュボードで証明生成状況を確認可能
rustx、gnark、circom、plonky2をサポート

証明ネットワークか、証明市場か

証明市場は証明の買い手と売り手に価格設定の柔軟性を提供する。すべてのハードウェアプロバイダーを招待することで、買い手のコスト削減につながる。ただし、節約額は個人と企業で異なる可能性がある。通常、証明ネットワークのような中央集権サービスは個人に対して無料を提供しつつ、企業には高額料金を課し、VIPカスタマーサポートを提供する。例えば、企業が新イベントや新機能をリリースする計画がある場合、証明ネットワーク上であらかじめ計算能力を予約できる。一方、分散型マーケットはよりバランスの取れた競争的価格を提示する可能性がある。

現在の市場では、証明ネットワークベースの製品の方が開発者にスムーズな体験を提供しているように見える。すべての証明生成作業を処理し、主要な証明システムをサポートしながら、新たな複雑な概念を導入しない。一貫したユーザーエクスペリエンスを提供する。理論的には、証明市場では注文マッチングに時間がかかるため、証明ネットワークの方が迅速な証明生成が可能である。クラウドコンピューティングに精通している人にとっては、証明ネットワークはステートレスなクラウドファンクションに近い。

証明市場では=nil財団とGevulotが活動している。証明ネットワークではSuccinctとRisc0が存在する。UlvetannaやCysticのようなハードウェア企業も、GPU上でのZK証明性能の向上や次世代専用ZKチップの開発に大きく貢献している。

証明市場は比較的立ち上げが容易である。ZKインフラプロジェクトにとって、証明市場設計はより多くのハードウェアプロバイダーをネットワークに参加させることが可能になる。分散型設計により、将来の計算需要に合わせてネットワークを容易に拡張できる。

将来的には、証明ネットワークと証明市場設計の統合が見込まれる。目標は開発者にシームレスな体験を提供しつつ、バックエンドとして証明市場を統合し、追加の計算リソースを促進することである。これはSuccinctが近い将来に追求する方向性である。Infuraのような他の市場でも同様の変化が見られる。Infuraは自社のサーバーを持っているが、許可された参加者にインフラを提供する計画もある。

出典: IOSG Ventures

誰が本当にクラウドZKインフラを必要とするのか

製品投入までの時間を短縮し、軽量で柔軟なアプリケーションを構築し、迅速に拡張・更新できる開発者こそが、これらのクラウドZKインフラから最大の恩恵を受けると考えられる。

ピーク時と谷間時の使用量の差が大きいアプリケーションにとって、クラウドZKインフラはコスト削減につながる。

このようなアプリケーションの場合、常に稼働し、ピーク時に即座に対応できるサーバー群を購入するのは高コストである。使用量の少ない時期には大きな無駄が生じる。クラウドインフラは必要に応じて即座に拡張し、パフォーマンスを向上させることができる。ピーク時以外には余剰な計算能力を自動的に解放できる。

誰がリーダーになるのか？

Web2のクラウド業界の知見から、計算需要が最も大きい企業ほど、リードするクラウドインフラ事業を展開しやすいことがわかる。彼らはスケーラビリティ、コスト、チーム、革新製品の面で優位性を享受できる。

これはクラウドZKインフラにも当てはまる。証明生成需要が最大のプロジェクトこそが、最も成功するZKクラウドインフラ事業の一つを築く可能性を持っている。

内部で大量のZK証明を生成するプロジェクトは、すでに大量のインフラ、最適化ツール、専門チームを保有している。アプリケーション間で証明リソースを共有することで、ハードウェア利用率を最大化できる。あるアプリケーションがすぐに証明を生成する必要がないとき、証明者は他の用途に再利用できる。

こうした大規模プロジェクトはそれぞれ独自の証明システムを持っている。第三者の証明インフラは、こうした大規模プロジェクトが使う多様な証明システムを最適化するのが難しい。迅速かつ使いやすいクラウド証明者を提供することで、大規模プロジェクトは自らの証明システムエコシステムを効果的に拡大できる。

ZKRUにとって、クラウドZKインフラはフォークの利用促進に役立つ。これらのZKRU上で新しいレイヤー2や3を立ち上げるのは難しくないが、ZKインフラの維持は高コストとなる。すぐ使える柔軟なクラウド証明者を提供することで、より多くの開発者を惹きつけられる。現在、ほとんどの開発者はインフラ管理が容易なため、OPRU SDKを使って新しいレイヤー2や3を構築している。

自社のZKインフラを構築しない場合、大規模なZKプロジェクトは第三者の計算プロバイダーに高額な料金を支払わなければならない。開発スピードも制限され、常にインフラをカスタマイズして性能向上や証明コスト削減を進められない。

誰がゼロ知識証明の需要が最も大きいか？

ZKRUやレイヤー1ネットワークに加え、最近ではより多くの新興ゼロ知識証明アプリが登場している。これらすべてが証明生成に巨大な需要を持つ。

ゼロ知識コプロセッサにより、スマートコントラクト開発者は信頼せずに過去のブロックチェーン状態を取得できる。ゼロ知識コプロセッサはこれらの過去の状態に対してゼロ知識証明を生成する。これはオラクルよりも安全で信頼不要な代替手段となり得る。

ゼロ知識アテンションは、ユーザーがオンチェーンにオフチェーンデータや身元情報を持ち込むのを支援する。検証者がオフチェーンでデータを検証した後、ゼロ知識証明を生成し、ブロックチェーン上に配置する。

ゼロ知識機械学習（ZKML）により、オンチェーンでの推論が可能になる。計算プロバイダーがオフチェーンでML計算を行い、ゼロ知識証明を生成してブロックチェーン上に発表する。

ゼロ知識ブリッジは、より安全なクロスチェーンブリッジの形態である。ソースチェーンに対してストレージ証明、さらにはコンセンサス証明を生成し、ターゲットチェーンに配置する。これは現在のクロスチェーンブリッジを置き換える可能性がある。

分散型証明ネットワークの特別な点とは？

ブロックチェーン業界では、分散化が最も好まれる物語である。分散化は以下のような多くの利点をもたらす：

セキュリティ
検閲耐性
プライバシー

ゼロ知識証明は他の一般的な計算とは異なる。ZKは本質的に安全である。誰でも簡単に素早く証明を検証でき、証明者の誠実性を確認できる。ZK分野では、分散化はセキュリティの前提条件ではない。

ゼロ知識証明は回路として構築される複雑な低レベルの詳細に焦点を当てる。回路内の内容は極めて検閲が難しいが、ZK証明生成リクエスターを対象とした方法で検閲は依然として有効に機能しうる。

証明ネットワークにとって、プライバシーは問題となり得る。ユーザーが証明ネットワークにプライベート入力を送信するためである。理想的な解決策はローカルで証明を生成し、データ漏洩を防ぐことだが、これはローカルパフォーマンスに課題をもたらす。他の解決策としては、新しいゼロ知識マルチパーティ計算プロトコルや、信頼できる実行環境（TEE）での証明生成が考えられる。分散型証明ネットワークはプライバシーをさらに高めることはない。

物語以外に、検閲耐性こそが分散型証明ネットワーク構築の主な理由かもしれない。ゼロ知識証明技術はまだ初期段階にあり、これまでこの分野で検閲の形態を観察していない。しかし、ZKの発展を妨げる最大の課題はパフォーマンスである。分散型証明ネットワークの導入は、証明生成の計算需要をさらに増加させる可能性がある。

結論

ゼロ知識証明の応用は急速に発展しており、その範囲は広い。ZKがさまざまな技術スタックに統合されていくことが予想される。すでにZKレイヤー1、ZKレイヤー2、ZKML、ZKVM、ZK-Emailなどが登場している。開発者たちはZKオラクル、ZKデータソース、ZKデータベースの構築も進めている。「すべてをZK化する」道を歩みつつある。ZKがもたらす計算オーバーヘッドにより、開発者はハイエンドサーバー上で回路を展開せざるを得ない。そのため、インフラ運用の複雑さから開発者を解放するクラウドZK証明インフラへの需要が高まると予想される。

この分野における私たちの洞察は以下の通り：

証明市場と証明ネットワークは、ZK dApp開発者がインフラの複雑さから解放されるための二つの主要なアプローチである。
証明ネットワークと証明市場のメカニズムを融合したハイブリッドアプローチが登場すると予想される。
すべてのZK dApp開発者がクラウドZKインフラに適しているわけではない。中規模でトラフィックが安定しているプロジェクトは、自前サーバーをホストすることでコストを削減できる。
クラウドZKインフラのリーダーは、大量のZK証明生成を内部で必要とするプロジェクト、特にトップクラスのZKRUになるだろう。彼らにはこのビジネスを進める経済的インセンティブがある。
分散化は暗号分野の中心的な物語であり、分散化はプライバシー、検閲耐性、セキュリティをもたらすとされる。ZK証明はすでにこれらの特性の一部を備えている。現在、分散型証明市場の売りは検閲耐性である。
クラウドZK証明インフラの人気は、現在の市場におけるZK dAppsの数と密接に関連している。一部のプロジェクトは当初、クラウドZK証明インフラを重要な特徴として強調していたが、多くは最終的に他の新トレンドに注力するようになる。