ZKモジュラーの新星Lumozを一文で理解する

2024.04.17

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ZKモジュラーの新星Lumozを一文で理解する

LumozはZK-Rollupが直面する課題やニーズについて先見の明を持っていたため、すでにこの分野における先行者かつリーダーとなっている。

2024.04.17 - 11:29:34

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LumozはZK-Rollupが直面する課題やニーズについて先見の明を持っていたため、すでにこの分野における先行者かつリーダーとなっている。

著者：Biteye コア貢献者 Wilson Lee

編集：Biteye コア貢献者 Crush
コミュニティ：@BiteyeCN

*全文約6000字、予想読了時間は10分

01 導入

モジュラーブロックチェーンによるL2への急速な浸透、さまざまなRaaSツールの成熟、そしてキャンクーンアップグレードの実施により、L2構築のハードルは大幅に低下し、技術はもはやRollup構築の主な障壁ではなくなりました。

さらに、Base、Manta Pacific、Blastといった新興Rollupは既存ツールを活用して低コストでRollupを構築し、重点をエコシステム開発に移すことで急速に台頭しており、市場に模範的な戦略を示しています。伝統的なアプリケーションがL2へと転換する動きや、さまざまなライトウェイトL2の爆発的成長は、もはや止められないトレンドとなっています。

Rollupの技術路線に関しては、以前からOPとZKの論争がありました。Vitalikは繰り返し「短期的にはOP、長期的にはZK」という見解を示しており、これはZK-Rollupが技術的にまだ解決すべき多くの課題を抱えているためです。

しかし技術の進歩とともに、ZK-Rollup関連のインフラ整備もますます成熟しており、ZK方式を採用するRollupは今後予想されるL2ブームの中で重要な市場シェアを占める可能性が高いです。ZK専門のRaaSとしてリードする立場にあるLumozは、近い将来大きな成功を収める潜在能力を持っています。

02 ZK-Rollupのボトルネック

2.1 モジュラー化視点からのRollup

OP-RollupおよびZK-Rollupの基本原理については、読者の方々もすでにご理解されていると思われますが、ここではモジュラー化の観点から再度Rollupを考察します。

Rollupは本質的にモジュラー化された分業を通じてリソースの最適配分を実現し、異なる参加者がそれぞれ特定のタスクに集中できるようにすることで、全体の効率を高めます。

イーサリアムのモジュラー構成は簡単に次のように分解できます：データ可用性層（DA）、コンセンサス層（Consensus）、決済層（Settlement）、実行層（Execution）です。

実行層 Execution

取引の計算を行い、旧状態を新状態へと変換し、決済層に新状態と不正/有効性証明を提出します。

実行層内部でもさらに分業が可能で、SequencerとProverに分けられます。Sequencerは状態変換の計算を担当し、Proverは証明の生成を担当します（特にZK-Rollupの場合、証明生成の計算タイプとオーバーヘッドはハードウェアに一定の要求があるため）。

決済層 Settlement

実行層による状態変換の正確性を検証します。通常はLayer1上にデプロイされたスマートコントラクトであり、実行層の計算結果を検証します。検証に合格したRollupブロックの状態ハッシュはチェーン上に記録され、この時点でそのRollupによって生成されたブロックは最終確定性（Finality）を得ます。

ZK-Rollupの場合、このコントラクトには特定のZK-Rollupが提出するZK Proofの検証アルゴリズムが記述されており、ZK-Rollupが実行完了後に状態ハッシュとZKPをコントラクトに提出し、検証トランザクションをトリガーします。検証が通れば、その状態ハッシュは有効であると証明され、ブロックはFinalityを得ます。

コンセンサス層 Consensus

コンセンサス層はほとんどの場合Layer1が担っており、コンセンサス層によって検証された状態ハッシュがチェーン上に記録されることで、対応するRollup上の取引ブロックはLayer1保護によるセキュリティを得ます。

データ可用性層 DA

Rollupブロック内の取引データを保存し、誰もがいつでもRollupの取引を再構築できるように提供します。DA層はLayer1でもよいですし、CelestiaやEigenDAのような専用DA層、あるいは比較的中央集権的なデータ可用性委員会などでも構いません。

2.2 ZK-Rollup普及の課題

ZK-Rollupには多くの利点があり、Vitalikも長期的なイーサリアムスケーリングソリューションとして注目していますが、現段階での大規模採用を妨げる技術的課題が多数存在します。

例えばZKP計算コストが高すぎる、zkEVMが複雑すぎる、ZKP計算のハードウェア要件が高すぎて中央集権化のリスクがあるなどです。

ZKP計算コストの高さ

ZKPは計算集約型です。最も一般的なZKアルゴリズムであるzk-SNARKsの場合、ZKPの生成とはプログラムの実行プロセスを検証可能な命題に変換することです。

この命題は多項式方程式系として抽象化され、プログラム実行の正しさ（多項式の解の存在）を証明するために、楕円曲線上でペアリング操作（pairing operations）を行う必要があります。

多項式の生成と楕円曲線ペアリングは非常に計算集約的であり、大量の代数演算を処理する必要があるためです。

ハードウェア要件と実行時間に関しては、この計算の複雑さが高価なハードウェア要件につながります。普通のハードウェアでは、特に大量の取引を処理する際、合理的な時間内にこれらの計算を完了することが困難になる可能性があります。

zk-SNARK証明の生成にかかる時間は、元のプログラム（証明プロセスを含まない）の実行時間よりもはるかに長くなります。実装や取引の複雑さによりますが、証明生成時間は元の計算時間の数百倍から数千倍になることがあります。

ZKP計算のハードウェア要件の高さが中央集権化を招く

ZKPの計算コストとハードウェア要件が高いため、小規模なRollup運営者は必要な投資を負担できず、証明者（Prover）となることが難しくなります。

このような状況下では、高性能計算リソースを持つ少数の参加者のみが効果的に証明を生成でき、ZK-Rollupにおける中央集権化の傾向が生じます。これはブロックチェーンの分散化精神に反するだけでなく、単一障害点や検閲のリスクも引き起こす可能性があります。

zkEVMの過度な複雑さ

互換性設計面では、EVMは当初ゼロ知識証明技術との互換性を考慮して設計されていませんでした。EVMはスタックベースの仮想マシンであり、スマートコントラクトの実行に使用される一連のオペコード（opcode）をサポートしています。

EVM上で実行される任意のプログラムについてzk-SNARKsで有効な証明を生成するには、EVMの各オペコードに対応する数学的表現と証明ロジックを作成する必要があります。これは複雑な暗号学的変換を必要とするだけでなく、既存のスマートコントラクトとの互換性にも課題を突きつけます。

zkEVMを実現するには、EVMオペコードに対して大量の数学モデリングを行い、プログラム実行をzk-SNARKsで証明可能な形式に変換しなければなりません。

これにはEVMの状態遷移、メモリ操作、コントラクト呼び出しなどのプロセスをシミュレートすることが含まれます。EVMの柔軟性と複雑さを考えると、この作業は極めて困難です。同時に、zkEVMの効率性と安全性を保ち、小さくて検証可能な証明を生成できるようにすることも大きな課題です。

03 LumozがZK-Rollup普及のボトルネックをどう解決するか

Lumozは、ZKに特化した分散型RaaS（ZK-Rollup as a Service）プラットフォームであり、同時にZKP（ゼロ知識証明）マイニングを支援するPoW（作業量証明）ネットワークでもあります。

ZK-Rollupが直面する一連の課題を解決するため、LumozはZK-RaaSという概念を導入しました。このサービスにより、開発者はZKやチェーンノードの詳細を知らなくても、1分以内に自らのzkEVMチェーンを立ち上げることができます。

またLumozはZK-PoWの概念を導入し、マイナーたちにzkEVMの維持とZKPの計算への参加を呼びかけています。Lumozの目標はZK-Rollupの利用を簡素化し、より広範な採用を促進することで、zkEVMベースのアプリケーションチェーンの大規模展開を推進することです。

開発者はワンクリックで複数のチェーン上にZK-Rollup（zkEVM）をデプロイできます。マイナーにとっては、LumozはマルチチェーンPoWプロトコルとして、さまざまなパブリックチェーン上でZKマイニングを行い、ZK-Rollup向けにゼロ知識証明を生成することを可能にします。

3.1 ZK-PoWクラウド：ZK算力と中央集権化問題の解決

ZK算力と中央集権化の問題は、本質的にZKP計算が高度な算力要件を持ち、ハードウェアの敷居がさらに中央集権化を招くことに起因しています。

LumozはZK-PoWメカニズムを利用してマイナーにZKP計算能力の提供をインセンティブ付け、ZK-Rollupに完全なハードウェアインフラを提供します。これがLumozの核心理念の一つです。

ユーザー、開発者、マイナーを含むすべての参加者は、Lumozの経済モデルから利益を得ることができ、ZK-Rollupの大規模応用を後押しします。

Lumozによる既存ハードウェアリソースの活用

イーサリアムのPoWからPoSへの移行後、多くのイーサリアムマイニングマシンが用途を失いました。これらのマイニングマシンの資本規模での価値は約120億ドルにのぼり、現在多くの機械がアイドル状態にあります。ZK-Rollupの大規模導入に伴い、ZKP生成にはCPU、GPU、FPGAなどのハードウェアやマイニングマシンによる大量の計算能力が必要となります。

Lumozは最適化されたZKPアルゴリズムにより、マイナー参加のハードルを下げ、スケーラビリティ効率を向上させます

マイナー参加のハードルを下げるためのZKP検証の二段階提出メカニズムを提案

より多くのマイナーがZKP計算タスクに同時に参加できるようにするため、LumozはZKP検証の二段階提出メカニズムを提案しています。

proofhashの提出：一定期間内に、複数のマイナーがZKP計算に参加できます。最初にZKPを計算し終えたマイナーがすぐに報酬を得るのではなく、より広範な参加を可能にします。これは計算能力が最も高いマイナーだけに限定されません。マイナーがZKP計算を完了した後、すぐにオリジナルの証明を提出するのではなく、まずその証明と自身のアドレス（proof/address）をハッシュ処理して、proofhashと呼ばれるハッシュ値を生成します。その後、このproofhashをブロックチェーン上の特定コントラクトに提出します。このステップでは証明内容を明かさず、提出プロセスの安全性と効率性を保ちつつ、より多くのマイナーが計算に参加できるようにします。

ZKPの提出：期間終了後、マイナーはオリジナルの証明を提出し、事前に提出されたproofhashと照合して検証します。このステップにより、提出された証明が第一段階で宣言したものであることを保証し、不正行為を防止します。検証に合格したマイナーはPoW報酬を受け取り、報酬額はマイナーのステークに応じて分配されます。つまり、ZKPを最初に計算し終えたマイナーだけが報酬を得るわけではありません。

ZKP生成アルゴリズムの最適化により、証明効率を向上

RollupスマートコントラクトがZKPを検証する際、オリジナル証明を直接提出すると、オンチェーン攻撃のリスクがあります。こうした攻撃を避けるため、ZK-Rollupは証明データをあいまいにするために余分な操作を行うことが多いです。Lumozの革新的な二段階提出アルゴリズムは「先に提出、後に検証」という方法を取り、証明とアドレスの不要な集約計算を回避しています。

いくつかのオープンソースzkEVMでは、ZKPの計算と提出は順次行われます。ZK-Rollupが大量のシーケンスを提出する場合、これがボトルネックになり得ます。なぜならマイナーは複数のZKPを並列計算できないためです。Lumozの二段階提出アルゴリズムはZKPの並列計算と順次提出を実現し、マイナーが複数のZKP生成タスクを同時に実行できるようにすることで、ZKP生成効率を著しく向上させます。

LumozチームはZKPの再帰的集約アルゴリズムも改善し、クラスタ内マシンリソースの利用率を大幅に高め、ZKP計算をさらに加速しました。実環境でのストレステストでは、20台のマシンからなるクラスタ（各マシンは128コアCPUと1TBメモリ搭載）を使用して、約40分間で1秒あたり27.8トランザクションの速度を維持できました。同様の条件下で、Lumozは平均取引確認時間を約5〜6分から約3分に短縮することに成功し、ZKP生成効率を約80%向上させました。

ますます多くのZK-Rollupとマイナーが参加することで、ZKP計算能力市場の需要と供給規模はさらに拡大し、LumozのPoWアルゴリズムが提供する効率改善はますます顕著になります。

3.2 ZK-RaaS：開発のハードルを解決

ワンクリックでZK-Rollup生成

Lumozが提供するZK-RaaS（ZK-Rollup as a Service）は、すべてのユーザーにワンクリックでZK-Rollupを生成するサービスを提供します。

Lumozは汎用のZK-Rollupランチャーを提供し、開発者がさまざまなタイプのZK-Rollupを異なる基盤チェーンに容易にデプロイできるようにします。

これらの基盤チェーンにはイーサリアム、Lumozチェーン、BNBチェーン、Polygon PoS、その他のパブリックチェーンが含まれます。

ZK-Rollup（zkEVM）の種類には、zkSync、Polygon zkEVM、Scroll、StarkNetなどのzkEVM、およびその他各種ZK-Rollupが含まれます。

ZK-Rollupの簡単管理

Lumozは各基盤チェーン上にRollupシステムコントラクト（RSC）をデプロイし、登録、一時停止、取り消しなどのRollupライフサイクル管理を行います。

一定量のMOZ（Lumozネイティブトークン）を使ってRollupスロットをレンタルすることで、開発者はZK-Rollupを所有できます。

Rollupスロットの概念はPolkadotのスロットやCosmosのアプリチェーンに似ています。しかし、Cosmosのアプリチェーンは独自のコンセンサス層とクロスチェーンブリッジの維持を必要とし、大きなセキュリティリスクがあります。一方、ZK-RollupはZK技術を適用し、数学的手法でRollupと基盤チェーン間のコンセンサスとデータ可用性層の共有を保証します。この方法はより安全で分散化されており、維持コストも低いです。

Rollupスロットをレンタル後、開発者は独立した実行環境を獲得し、独自のZK-Rollupチェーンを所有できます。開発者はZK-Rollupを完全に制御でき、GASトークンの選択を含む経済モデルをカスタマイズ可能です。GAS手数料を自由に調整でき、ゼロに設定してユーザーに無料利用を提供することもできます。

低コスト

開発者はハードウェアコストを一切負担しません。データ可用性、シーケンサー、ZKP計算能力などすべてのハードウェアリソースは、Lumoz ZK-PoWクラウドによって提供され、分散化されています。

相互運用性

異なる基盤チェーン上の異なるZK-Rollup間でネイティブなクロスRollup通信が可能です。これはメッセージ通信メカニズムであり、あるRollup上のアドレスが別のRollup上のコントラクトと直接やり取りできるようにします。この機能はユーザー資産の断片化問題を大きく解決し、アプリ間の相互運用性を強化します。

3.3 Lumozチェーン：Lumoz上で構築されたZK-Rollupのさらなる最適化

LumozチェーンはLumozがサポートする基盤チェーンの一つで、PoSとPoWのハイブリッドコンセンサスモデルを採用しています。Lumoz ZK-PoWクラウドをサポートするだけでなく、ZK-Rollupにさらなる最適化を提供します。

ZK-Rollupパフォーマンスの最適化

最適化には、ZKP検証を高速化するプリコンパイルコントラクトの使用、データシャーディングのサポート、ETH 2.0に基づくPoSコンセンサスが含まれます。今後はEIP-4844、DankSharding、その他の完全シャーディングソリューションのサポートも拡張予定で、RollupのGASコストをほぼゼロまで下げられる可能性があります。

分散型Sequencerの一つの方案

Lumozチェーンのブロック提案者がRollupレイヤーのブロックも同時に提案することで、ビルダーとプロポーザーの役割を効果的に分離します。

ビルダーは無許可のP2Pネットワークによって支えられ、プロポーザーはLumozチェーンのブロック提案者に依存します。この方法により、単一ノードの可用性リスクを排除しつつ、Miner Extractable Value（MEV）や検閲に対する耐性を維持します。

Lumozチェーンは標準化された分散型シーケンシング機構を提供し、ブロックプロポーザーがRollupのブロックも提案します。このようにして、ZK-Rollupは上位レイヤーからのセキュリティだけでなく、その分散化レベルも継承します。

Lumozチェーンでは：Lumozトークンを保有する誰もがバリデータになれます。バリデータはLumozチェーンからブロック報酬とガス手数料を得られます。

Rollupレイヤーでは：

PoS（シーケンサー）：バリデータはLumozチェーンとRollupレイヤー（データバッチ）でブロックを提案します。したがって、彼らはRollupレイヤーのソーターとしても機能し、そこで取引からGAS手数料を得られます。

PoW（プローバー）：十分な計算能力を持ってZKP計算ができる個人であれば誰でも、Rollupレイヤーのプローバーになれます。PoWルールに従い、プローバーはシーケンサーが提出したRollupレイヤーブロックからzk証明を生成します。

ZK-Rollupは一台のコンピュータに例えると、ハードディスクがPoSが提供するデータ可用性を表し、CPUがPoWが与える計算能力を反映します。

Lumozチェーンの任務は、PoSとPoWの間にバランスをとり、すべての参加者が最大限に貢献し、利益を得られるようにすることで、大規模なZK-Rollupネットワークのパフォーマンスとユーザーエクスペリエンスを向上させることです。

04 市場構図とLumozの独自のアプローチ

RaaSおよびモジュラーレースを見渡すと、現在の市場競争はすでに白熱化しています。決済層はすでにETH、Optimism、Arbitrumといった大手プレイヤーのゲームです。

相互運用性分野では、Mini Bridge、Orbiter、Connextといった資産クロスチェーンブリッジや、Layzero、Chainlink CCIPなどのクロスチェーン通信プロジェクトがあります。

DA層はCelestia、EigenDAなどがすでに絶対的な市場ポジションを占めています。Rollupスタックレベルでは、多くのRollupプロジェクト、さらにはRaaSプロバイダーでさえ、Optimism、Arbitrum、Polygon、zkSyncなどのL2が提供する開発キットに強く依存しており、純粋な開発ツールに特化したRaaSプロジェクトの均質化を招いています。

分散型ソーター分野でも、Altlayer、Espressoなどの新鋭プロジェクトが先行優位を確立しています。

均質化と寡占化は、RaaSおよびモジュラーレースの顕著な特徴です。新規プロジェクトが突破口を開くには、独自のアプローチと先見性のある戦略が必要です。

Lumozが打ち出す算力モジュールとRaaSの組み合わせは、ZK-Rollupの一連の痛点をワンストップで解決し、ZK-Rollupの迅速な普及を後押しします。

現在、ZK-Rollup RaaSという細分化領域において、Lumozはすでにリードする「統合型」プラットフォームとなっています。ZK-Rollupの浸透率が高まるにつれ、Lumozはこの細分化レースで最も輝かしいプレイヤーになる可能性を秘めています。

比較可能なプロジェクトとしては、LumozをZKレースのAltLayerと見なすのは妥当です。AltLayerもLumozと同様に、単なるRaaSプロジェクトではなく、特定の特性でRaaSに付加価値を与え、顧客に包括的なサービスを提供することで、優位な市場地位を築いています。

AltLayerはEigenLayerに基づく再ステーキングソーターでRaaSに付加価値を与え、一定の市場地位を確立しています。一方LumozはZK算力の共有により、ZK-Rollupプロジェクトが立ち上げ後の計算問題を解決するのを助けます。

AltLayerの時価総額は現在6.7億ドルに達し、FDVは53億ドルを超えています。AltLayerの市場パフォーマンスは、RaaSレースが高価値を捕獲できることを示しています。同様に、Lumozは現時点でのZK RaaSレースのリードプレイヤーとして、ZK算力とRaaSサービスを統合することで、ZK-Rollupが全面的に爆発するときに優れた市場パフォーマンスを発揮できるはずです。