a16z Cryptoが最新で発表したzkVMソリューション「Jolt」はどのような変化をもたらすのか？
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a16z Cryptoが最新で発表したzkVMソリューション「Jolt」はどのような変化をもたらすのか？
a16z Cryptoは、ブロックチェーンのスケーリング操作を高速化・簡素化することを目指した、zkEVMソリューション「Jolt」を発表しました。
Web3業界の深掘り報道に専念し潮流を洞察執筆：Frank、PANews
4月10日、a16z Cryptoは「Jolt」という名のzkEVMソリューションを発表した。これはブロックチェーンのスケーリング操作を加速・簡素化することを目的としており、SNARKゼロ知識証明を統合することでEVM互換Rollup向けのフレームワークを提供するもので、開発者がSNARKベースのL2ソリューションを構築できるよう支援する。同チームによると、現在のzkVMと比較してJoltは「2倍高速」であるという。
Joltの技術的原理はやや複雑であるため、以下に登場するいくつかの技術用語の関係について簡単に説明する：
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zkSNARKは強力なゼロ知識証明のプリミティブであり、zkVMおよびzkEVM構築の基盤となる
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zkVMは任意の命令セットをサポートする汎用的なゼロ知識仮想機械の概念
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zkEVMはzkVMの特殊ケースであり、EVMとの互換性に特化している
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ZK RollupはzkVMまたはzkEVMを採用し、イーサリアムの拡張性を高めつつプライバシーも確保する
Joltとは何か？
Joltは新しいタイプのSNARKソリューションであり、zkVM（ゼロ知識仮想機械）構築のためのよりシンプルかつ効率的なアプローチを提供する。実際、a16z cryptoは2023年8月にすでにLassoおよびJoltに関連する概念を提案していた。当時、SNARK技術は遅くコストも高いという課題を抱えており、それに対する解決策としてこれら2つの技術が登場した。
Lassoは新たなルックアップ引数であり、証明者のコストを大幅に削減できる。一方、JoltはLassoを活用して、いわゆるzkVMおよびより広範なフロントエンド設計向けに新しいSNARKフレームワークを提供する。これらの技術により、SNARK設計のパフォーマンス、開発者体験、監査可能性が向上し、結果としてWeb3における構築が容易になり、ゼロ知識証明のブロックチェーン分野への応用が促進される。
Joltを理解するには、まずzkVMとzkEVMについて把握しておく必要があるかもしれない。
zkVMはゼロ知識仮想機械を指す一般的な概念であり、C++やRustなどの高水準言語でプログラムを記述し、仮想機械がそれを中間表現（回路や算術制約など）にコンパイルした後、zkSNARKなどの証明システムを使ってその実行過程を証明する。zkEVMと似ているが、zkVMはEVM互換に限定されず、任意の命令セットをサポートする点が異なる。JoltはRISC-V命令セット向けの高性能zkVM実装である。
zkVMを、あらかじめ決められたプログラムに従って計算を実行したことを外部に証明しつつ、プライバシーを守る特殊な「黒箱」と考えることができる。しかし、従来のzkVMではこの証明生成に膨大な計算が必要となり、パフォーマンスが非常に低かった。
Joltの核心的な革新は、この証明をより効率的に生成する数学的手法を確立したことにある。
まず、Joltは証明対象の計算を特殊な多項式（ここでは便宜上「計算多項式」と呼ぶ）に変換する。この多項式の特徴は、黒箱が正しく計算を実行した場合に限り、その値がゼロになることである。
この「計算多項式」の値がゼロであることを証明するために、Joltは「sumcheck」と呼ばれるインタラクティブプロトコルを利用する。このプロトコルにより、検証者は多項式全体を実際に計算することなく、短時間でその値がゼロであることを確信できる。これはまるで教師が生徒の答案の一部だけをチェックすることで、全問題が正解かどうかを判断するようなものだ。
Joltの技術的優位性
Joltの技術原理は非常に複雑だが、要するに、ブロックチェーンネットワークの発展において、zkVMは拡張性を高める鍵となる技術であり、プライバシーを保ちつつ有効な証明を提供できる。最近の香港Web3フェスティバルでの基調講演で、VitalikはzkSNARK技術について詳述した。「ZKSNARKSはプライバシー面でも、スケーラビリティ面でも非常に有用です」と彼は述べている。
しかし、証明生成の速度と計算負荷は、zkSNARK技術の実用化における大きな課題であり、近年の学術界および業界の重点研究テーマとなっている。PinocchioやGroth16のような従来のzkSNARK方式では、複雑な計算ロジックを証明する際に、証明生成に数時間から数日かかることがあり、大量のメモリとストレージリソースを消費する。このようなパフォーマンスのボトルネックは、zkSNARKの多くの実用シナリオへの応用を大きく制限している。
ブロックチェーンの大規模な普及とリアルタイム検証の実現を目指すなら、zkSNARKのパフォーマンス向上は極めて重要なステップである。
具体的には、zkSNARKの証明生成プロセスには楕円曲線ペアリングや多項式補間といった複雑な暗号アルゴリズムが含まれており、これらは計算リソースを非常に多く消費する。特に証明対象の計算回路が大規模になると、証明生成の計算複雑度は指数関数的に増加する。
a16z Cryptoによれば、CPU上で初期のJolt実装はRISC Zeroよりも約6倍、最近リリースされたSP1よりも約2倍高速であり、今後数週間以内にさらに約1.5倍の速度向上を見込んでいる。
Joltの現時点での速度は既存のzkVMよりも2倍以上速いが、さらなる最適化の余地は大きい。
またJoltは多項式の代数的性質を巧みに活用し、より効率的な多項式コミットメントスキームを実現している。これにより、証明サイズと検証時間をさらに短縮している。
Joltがもたらす可能性
工学的観点から見ると、Joltはよりコンパクトな回路設計、より効率的なパイプライン、より完全な並列化など、一連の最適化手法を採用し、ハードウェアの計算能力を最大限に引き出している。
あなたがWeb3開発者だとしよう。イーサリアム上にオンチェーンポーカーゲームを展開したいとする。このゲームではシャッフル、カード配布、役の比較といった各操作を、zkVM回路を通じてプライバシー保護と検証可能性を確保する必要がある。
もしZoKratesやbellmanといった既存のzkVMソリューションを使用すると、このような回路を構築するのに数時間から数日かかるかもしれない。なぜなら現在のzkVMのパフォーマンスはまだ低く、複雑な回路のゼロ知識証明を生成するには大量の計算リソースと時間がかかるからだ。つまり開発とテストのサイクルが非常に長くなる。
しかし、同じ回路をJoltで構築すれば状況は大きく変わる。Joltチームのテストによると、現行のJolt実装は主流のzkVMソリューションと比べて証明生成速度が2～5倍高速である。つまり、以前に10時間かかっていた証明生成が、今では2～5時間で済む可能性がある。
総じて、Joltによる2～5倍のパフォーマンス向上は、zkVM技術の可用性と使いやすさが大幅に改善されたことを意味する。これによりWeb3開発者の参入障壁が低下し、アプリケーションの開発期間が短縮され、エンドユーザーにとってもより良い体験が提供されるだろう。長期的には、JoltがzkVM技術の本格的な普及を加速させ、より多くのユーザーがプライバシー保護と検証可能な計算の恩恵を受けられるようになる可能性がある。
もちろん、Joltはまだ開発の初期段階にあり、2～5倍の性能向上はあくまで始まりにすぎない。Jolt技術の継続的な反復と最適化により、zkVMのパフォーマンスはさらに飛躍的に向上し、最終的にはWeb3の大規模普及の道を開くだろう。
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