zkEVMからzkVMへのアップグレード物語：なぜこの5つのコアプロジェクトに注目すべきなのか？
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zkEVMからzkVMへのアップグレード物語：なぜこの5つのコアプロジェクトに注目すべきなのか？
ゼロ知識仮想マシン（zkVM）は、ゼロ知識証明に基づく汎用計算プラットフォームである。
Web3業界の深掘り報道に専念し潮流を洞察執筆：0XNATALIE
ブロックチェーンのスケーラビリティと計算効率を解決する手段として、ゼロ知識証明（ZKP）技術は特に重要である。zkVM（Zero-Knowledge Virtual Machine）はこの技術の具体的な応用例の一つだ。zkVMはZKPに基づく汎用計算プラットフォームであり、実行内容を公開せずに計算の正当性を検証できる。また、計算量の大きなタスクをオンチェーンではなくオフチェーンで処理し、その検証結果だけをブロックチェーンに提出することで、ブロックチェーンの拡張性を大幅に向上させることができる。現在、a16z、Taiko、ZKMなど多数のプロジェクトがzkVMソリューションの開発を進めている。
zkVMとは
zkVMはゼロ知識証明に基づく汎用計算プラットフォームであり、スマートコントラクトの実行、データ処理、複雑なアルゴリズム演算など、さまざまな計算タスクを実行できる。その核心機能はゼロ知識証明の生成であり、これにより計算の正しさを検証しつつ、実行プロセスの詳細を明らかにしないことが可能になる。SNARKs技術を用いることで、これらの証明はチェーン外で検証でき、検証者は高コストな計算を伴う再実行を行う必要がない。
さらに、zkVMの設計は暗号資産取引に限定されるものではなく、医療データ処理、サプライチェーン管理、秘密投票システムなど、データの安全性を確保しつつ処理ロジックの正当性を検証する必要がある多様な応用シーンへの展開が可能である。
他の仮想機との比較
従来の仮想機（VM）とは、物理ハードウェア上で一連の完全な計算環境を仮想化したものであり、主にハードウェア環境を模倣し、同じ物理ハードウェア上で複数のOSやアプリケーションを動作させることが目的である。このような仮想機は、ハードウェアの仮想化技術やOSレベルの分離によって機能を実現しており、通常は内部で動作するアプリケーションやデータに対する暗号化された検証プロセスを含まない。
一方、ゼロ知識仮想機（zkVM）はゼロ知識証明技術を用いてプログラム実行プロセスの正しさを保証する。この技術は、仮想機上でコンパイルおよび実行可能なすべてのプログラムに適用可能である。zkVMの設計は、さまざまなシナリオに対応可能な汎用的な計算検証プラットフォームの提供に重点を置き、Rust、C/C++、Goなど複数のプログラミング言語をサポートしているため、開発者は自身に馴染みのある言語でアプリケーションを構築できる。ただし、ゼロ知識証明の生成は計算集約型であり、大量の計算リソースを要するため、計算および検証プロセスは従来のVMよりも時間がかかる。これはトランザクション処理速度（TPS）に大きく制限をもたらす。現在のzk技術は個別の証明生成において顕著な進展を遂げているものの、高負荷条件下での大規模トランザクション処理能力には依然として限界がある。証明生成には数秒から数分かかる場合があり、大規模な決済処理システムなどの高スループットが求められるアプリケーションにとっては課題となる。
zkEVMはzkVMの特定の実装形態であり、イーサリアムエコシステム向けに設計され、ゼロ知識証明を通じてイーサリアムのスケーラビリティを強化することを目的としている。SolidityやVyperといった既存のイーサリアムスマートコントラクトおよび開発ツールと完全に互換性があるため、既存のイーサリアムアプリケーションは一切修正なしにzkEVMへシームレスに移行できる。したがって、zkEVMはむしろイーサリアムの最適化版と言える。
zkVM関連プロジェクト
zk技術の課題に直面しながらも、市場には技術力を示しているzkVMソリューションを開発するプロジェクトが存在する。
Jolt：卓越したパフォーマンス
4月9日、a16zはzkVMソリューション「Jolt」の初期実装を発表した。Joltは新型のzkVMであり、高速動作と開発者にとっての拡張性・コード監査の容易さが主な特徴である。
他のSTARKフレームワークに基づくzkVMとは異なり、JoltはLassoルックアップ引数とsumcheckベースの技術を利用している。この革新的なアプローチにより、新しい仮想機命令の実装が簡素化され、システム全体の速度も向上している。Joltの設計は使いやすさと効率性を重視しており、コードベースが非常に簡潔である。JoltではCPU命令1つにつき50行のRustコードで実装できる。さらに、初期のベンチマークテストでは、ゼロ知識証明の実行速度がRISC Zeroより5倍以上、SP1より2倍速いという優れた性能を発揮している。
RISC Zero：複雑な計算を効率的に処理
RISC Zeroは再帰的SNARK構造を持つzkVMであり、証明の入れ子化をサポートする再帰的手法を採用している点が特徴である。SNARKs技術において、再帰は複雑な証明をより小さく扱いやすい単位に分解できる。これらの小型証明は独立して検証可能であり、最終的に有効性を損なうことなく一つの大きな証明に統合される。RISC Zeroの独自性は、こうした多層の証明を単一の証明チェーンにシームレスに統合する方法にある。これにより計算負荷と処理すべきデータ量が削減され、複数の計算ステップにわたり検証プロセスの安全性と完全性が維持される。
RISC Zeroのもう一つの特徴は、RISC-V命令セットの採用である。これは拡張性とスケーラビリティを目指したオープンスタンダードのISA（命令セットアーキテクチャ）であり、広範なツール群と支援エコシステムを活用できるため、専有または汎用性の低いアーキテクチャを使用する他のzkVMと比べて、既存システムへのアクセスや統合が容易になる。
昨年、同社は4000万ドルのシリーズA調達を成功させた。この資金調達はBlockchain Capitalが主導し、Bain Capital Crypto、Galaxy Digital、IOSG Ventures、RockawayX、Maven 11、Fenbushi Capital、Delphi Digitalなど著名な投資家が参加した。
Succinct：開発者に優しい
SuccinctはzkVM「SP1」を開発しており、SP1はRustまたはLLVMでコンパイル可能な任意の言語で記述されたコードの実行に特化しており、柔軟性と使いやすさが高い。SP1はモジュラー構造をサポートしており、開発者が「プリコンパイル」を通じて機能をカスタマイズ・拡張できる。プリコンパイルとは、開発者が追加または変更可能な特定のモジュールであり、これらによりコア仮想機の機能が強化され、特定のタスクや演算をより効率的に処理できるようになる。
さらに、SP1は分散型の証明者ネットワークを構築しており、証明の展開と実行を簡素化することで、高度な暗号技術の利用障壁を下げている。このネットワークにより、開発者はワンクリックで効率的に証明を生成でき、簡便な方法を提供している。
3月、Succinctは5500万ドルの資金調達を完了した。この調達はParadigmが主導し、Robot Ventures、Bankless Ventures、Geometryに加え、EigenlayerのSreeram Kannan、Polygonの共同創業者Sandeep Nailwalらのエンジェル投資家も参加した。5月13日、SuccinctはSP1テストネットのローンチを発表した。
Taiko：マルチプルプローフシステム
TaikoはzkEVMからの使用からzkVMへの移行を開始しており、そのzkVMの特徴はマルチプルプローフシステムの採用にある。この概念はVitalikによって提唱され、Taikoはこれを最初に実装したプロジェクトであると表明しており、5月末のメインネットローンチ時にこのマルチプルプローフシステムを直接サポートする予定である。このシステムにより、TaikoのzkVMは複数の種類の証明を生成でき、システムの安全性と堅牢性が向上する。たとえある種類の証明に問題が生じても、他の種類の証明がシステムの正常動作を維持し、誤った状態遷移を即座に検出できる。また、Halo2-KZG証明システムを採用することで、複雑な計算や大規模トランザクション処理においても高い効率性と低コストを維持できる。
3月、TaikoはLightspeed Faction、Hashed、Generative Ventures、Token Bay Capitalが共同で主導するシリーズAで1500万ドルを調達し、Wintermute Ventures、Flow Traders、Amber Group、OKX Ventures、GSRなどが参画した。
ZKM：シンプルで安定したMIPSアーキテクチャ
ZKMはMetis財団が育成するzkVMプロジェクトであり、MIPSアーキテクチャを採用し、これをゼロ知識証明技術と組み合わせてzk仮想機を構築している。この設計により、ZKPがシステム内部の計算処理方式とより緊密に整合し、操作速度の向上とZKPプロトコル単独実装に伴う計算オーバーヘッドの削減が可能になる。また、現在の多くのzkVMがRust言語を使用する中で、ZKMはGolangのネイティブサポートを提供している。
MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）は初代のRISC（精簡命令セットコンピュータ）アーキテクチャである。MIPS命令セットは比較的シンプルで安定しており、さまざまな計算デバイスや組み込みシステムに広く適用でき、優れた汎用性と適応性を持つ。MIPSアーキテクチャに基づくZKMシステムは、開発および展開が容易である。
zkMIPSはMIPSプログラム全体を複数のセグメントに分割し、各セグメントの命令を4つのタイプに分け、それぞれ対応する4つのモジュールテーブルに分類する。zkMIPSはSTARK証明方式を用いて、各モジュールテーブル内の命令を個別に検証し、テーブル内のすべての操作が正しく、プログラムセグメント内の各命令が対応するモジュールテーブルに含まれていることを確認する。その後、各プログラムセグメントの実行順序が全体のプログラム実行と一致することを検証する。この方法により、オフチェーンで実行されたプログラムであってもオンチェーンで検証可能となり、プログラム実行の透明性と信頼性が強化される。
ZKMは最近、新たな信頼最小化マルチチェーン相互運用性インフラ「Entangled Rollups」をリリースした。これはzkMIPSを活用して、信頼不要で分散型のマルチチェーン相互運用フレームワークを構築するものである。第三者のzkブリッジが資産移転のスナップショット検証に留まるのに対し、すべての計算が検証可能であるため、非常に安全である。この相互運用性の鍵は、あるブロックチェーン上で証明を生成し、別のブロックチェーン上で検証できる汎用的な証明メカニズムの存在にある。ZKMの他との違いの一つは、すべての操作に対して適用可能なゼロ知識証明を生成できることである。ZKMは安全性をCPU/MIPSアーキテクチャの基盤に埋め込んでおり、このアーキテクチャ上にあるすべてのソフトウェアが個別のゼロ知識証明プロセスを経ることなく同等の安全性を享受できる。
さらに、ZKMの特徴には以下がある：
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すべての仮想機と互換：ZKMは各仮想機の下位に位置するため、MoveVM（zkMVM）、WASM（zkWASM）、RustVM（zkRVM）など、さまざまなブロックチェーンスマートコントラクトエンジンVMと互換性を持つ。
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プラグアンドプレイ：開発者は既存のコードベースを変更せずにZKMを採用できる。低コストでの導入が可能であり、さまざまなスマートコントラクト言語だけでなく従来のプログラミング言語も使用できる。
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長期的な安定性：MIPS命令セットは安定性を持っており、変化し続けるEVMに合わせて命令セットを変更する必要がないため、開発者に安定した環境を提供する。
zkVMの将来展望
ブロックチェーン技術の成熟と先端企業による継続的な探求により、zkVMの性能は着実に向上しており、zkVMが暗号世界でますます重要な役割を果たし、主要技術の一部となっていくことが予想される。特にデータの機密性やクロスチェーンの安全性に対する需要が高まる中、zkVMが提供する能力は市場のニーズに合致している。回路の最適化や証明システム自体の改善といった技術的課題の克服が期待され、さまざまなプログラミング言語に完全対応したzkVMの登場により、より多くの開発者がWeb3の新時代へと引き込まれていくだろう。
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