ブロックチェーンのGPU：ZKコプロセッサ完全解説
TechFlow厳選深潮セレクト
ブロックチェーンのGPU：ZKコプロセッサ完全解説
ZKコプロセッサは、チェーン外での計算とゼロ知識証明を活用することで、ブロックチェーンが複雑な計算タスクを処理する能力を高め、ガス料金を削減し、スマートコントラクトの機能を拡張します。
Web3業界の深掘り報道に専念し潮流を洞察著者: YBB Capital リサーチャー Zeke
TL;DR
-
ZKコプロセッサ（ZK Coprocessor）はモジュラー性の概念から派生した一種のオフチェーン計算プラグインであり、従来のコンピュータにおいてCPUのグラフィック計算を分担するGPUのような役割を持つ。すなわち特定のシナリオにおける計算負荷を分担するプロセッサである。
-
複雑な計算や大量データ処理に利用でき、ガス代の削減およびスマートコントラクト機能の拡張が可能。
-
Rollupとの違い：ZKコプロセッサはステートレスでクロスチェーン利用が可能であり、複雑な計算シナリオに適している。
-
開発難易度が高く、パフォーマンスのオーバーヘッドも大きく、標準化が不十分。ハードウェア面でもコストが高額であり、この分野は1年前と比べて成熟してきたものの依然として初期段階にある。
-
インフラがフラクタル拡張のモジュラー時代に入り、ブロックチェーンは流動性不足、ユーザー分散、革新の欠如、クロスチェーン相互運用性の課題などに直面しており、垂直拡張型L1とも矛盾を抱えている。ZKコプロセッサは将来、これら双方にとって優れた補完となり得る可能性があり、両者の困難を乗り越え、既存アプリケーションおよび新興の大規模アプリケーションに性能サポートを提供し、新たなストーリーをもたらすかもしれない。
一. モジュラーインフラのもう一つの枝系：ZKコプロセッサ
1.1 ZKコプロセッサの概要
ZKコプロセッサ（ZK Coprocessor）はモジュラー性の概念から派生した一種のオフチェーン計算プラグインであり、従来のコンピュータでCPUのグラフィック計算を分担するGPUのように、特定のシナリオにおける計算タスクを分担するプロセッサと考えることができる。この設計枠組みでは、パブリックチェーンが苦手とする「重データ」および「複雑な計算ロジック」タスクをZKコプロセッサが処理し、オンチェーンはその計算結果を受け取るだけでよく、結果の正当性はZK proofによって保証される。これにより、複雑なタスクに対する信頼できるオフチェーン計算が実現される。
現在、AI、SocialFi、DEX、GameFiなどの人気アプリケーションは高性能とコスト管理に対して切実なニーズを持っている。従来のアプローチでは、こうした高性能を必要とする「重アプリ」はしばしば資産をオンチェーンに持ちつつアプリ自体はオフチェーンで運営する形態を選択するか、あるいは専用のアプリケーションチェーンを個別に設計する。しかしいずれも固有の問題がある。前者はブラックボックス化しやすく、後者は開発コストが高く、元のチェーンエコシステムから離脱し、流動性が断絶するという課題がある。さらに、メインチェーンの仮想マシンはこうしたアプリの開発・運用に大きな制限を設けており（たとえばアプリ層の標準が不足していたり、開発言語が複雑だったりする）、それらの革新を妨げている。
ZKコプロセッサはこうした問題を解決するために存在する。より詳しい例を挙げよう。ブロックチェーンをインターネットに接続できない端末（スマホやPCなど）と見なすことができる。このような状況ではUniswapのような比較的シンプルなDeFiアプリなら完全にオンチェーンで動作させられる。しかしChatGPTのようなより複雑なアプリを動かそうとすると、パブリックチェーンのパフォーマンスとストレージ容量は全く足りず、ガス代も爆発的に増加してしまう。Web2の世界では、我々がChatGPTを使うときも同様に、端末自体ではGPT-4oのような大規模言語モデルを処理できないため、ネットワークを通じてOpenAIのサーバーに問い合わせを行い、サーバーでの推論計算後に答えを受け取る。ZKコプロセッサはまさにブロックチェーンの「リモートサーバー」のようなものであり、プロジェクトの種類に応じて設計に若干の差異はあるものの、基本的なロジックは共通している——すなわちオフチェーンでの計算＋ZK proofまたはStorage proofsによる検証方式である。Rise ZeroのBonsai導入事例を見れば、このアーキテクチャの論理が非常に簡潔であることがわかる。このプロジェクトはRise Zero独自のzkVMにシームレスに統合されており、開発者がBonsaiをコプロセッサとして使うには以下の2つの簡単なステップが必要になる：
-
zkVMアプリケーションを作成してアプリケーションロジックを処理する；
-
Solidityコントラクトを作成し、BonsaiにzkVMアプリケーションの実行を依頼し、結果を処理する。
1.2 Rollupとの違いは？
上記の定義を見てみると、Rollupの実装ロジックや目的はZKコプロセッサと非常に似ており、高度な重複があるように見える。しかし実際には、Rollupはむしろメインチェーンのマルチコア化に近く、具体的な違いは以下の通りである：
1. 主な目的：
-
Rollup：ブロックチェーンのトランザクションスループット向上とトランザクション料金の低下。
-
ZKコプロセッサ：スマートコントラクトの計算能力を拡張し、より複雑なロジックおよび大量データを処理できるようにする。
2. 動作原理：
-
Rollup：オンチェーンの取引をまとめてメインチェーンに提出し、詐欺証明（fraud proof）またはZK証明によって検証する。
-
ZKコプロセッサ：ZK Rollupと似ているが、用途が異なる。ZK Rollupはチェーンの形状とルールに制約され、ZKコプロセッサの仕事には適していない。
3. ステート管理：
-
Rollup：自身のステートを維持し、定期的にメインチェーンと同期する必要がある。
-
ZKコプロセッサ：永続的なステートを保持せず、各計算はステートレスである。
4. 用途：
-
Rollup：主にC向けで、高頻度取引に適している。
-
ZKコプロセッサ：主にB向けで、高度な金融モデルやビッグデータ分析など複雑な計算が必要なシナリオに適している。
5. メインチェーンとの関係：
-
Rollup：メインチェーンの拡張と見なされ、通常特定のブロックチェーンネットワークに特化している。
-
ZKコプロセッサ：複数のブロックチェーンにサービスを提供でき、特定のメインチェーンに限定されないため、Rollupに対してもサービスを提供できる。
したがって、両者は本質的に対立するものではなく、むしろ互いに補完し合う関係にある。あるRollupがアプリケーションチェーンの形態を取っていたとしても、ZKコプロセッサは引き続きサービスを提供できる。
1.3 用途例
理論的にはZKコプロセッサの適用範囲は非常に広く、ブロックチェーン各分野のプロジェクトをほぼカバーできる。ZKコプロセッサによりDAppの機能はWeb2の中央集権型アプリに近づき、以下はネット上で収集したいくつかの使用例である：
データ駆動型DApp開発
ZKコプロセッサにより、開発者は全チェーン履歴データを利用するデータ駆動型DAppを作成でき、複雑な計算を追加の信頼前提なしに行えるようになる。これによりDApp開発に前例のない可能性が生まれる。例えば：
-
高度なデータ分析：Dune Analyticsのようなオンチェーンデータ分析機能。
-
複雑なビジネスロジック：従来の中央集権型アプリで使われる複雑なアルゴリズムやビジネスロジックを実装。
-
クロスチェーンアプリ：多チェーンデータに基づいたクロスチェーンDAppの構築。
DEXのVIPトレーダープログラム
典型的な用途例として、取引量ベースの手数料優遇制度（「VIPトレーダーロイヤルティプログラム」）を分散型取引所（DEX）で実現するケースがある。これは中央集権型取引所（CEX）では一般的だが、DEXではほとんど見られない。
ZKコプロセッサを使えば、DEXは以下ができる：
-
ユーザーの過去の取引量を追跡
-
ユーザーのVIPレベルを算出
-
レベルに応じて動的に取引手数料を調整
このような機能により、DEXはユーザーの定着率を高め、流動性を増加させ、最終的に収益を上げることが可能になる。
スマートコントラクトのデータ強化
ZKコプロセッサは強力なミドルウェアとして、スマートコントラクトにデータ取得、計算、検証サービスを提供でき、コスト削減と効率向上を実現する。これによりスマートコントラクトは：
-
大量の履歴データにアクセス・処理
-
複雑なオフチェーン計算を実行
-
より高度なビジネスロジックを実現
クロスチェーンブリッジ技術
HerodotusやLagrangeなどのZKベースのクロスチェーンブリッジ技術も、ZKコプロセッサの一種の応用と見なせる。これらの技術は主にデータ抽出と検証に焦点を当てており、クロスチェーン通信に信頼できるデータ基盤を提供する。
1.4 ZKコプロセッサは完璧ではない
多くの利点を挙げたが、現時点のZKコプロセッサは完璧ではなく、多くの課題に直面している。筆者がまとめた主な問題点は以下の通り：
1. 開発：ZKという概念は多くの開発者にとって理解が難しく、関連する暗号学知識や特定の開発言語・ツールの習得が必要となる；
2. ハードウェアコストが高額：オフチェーン計算に必要なZKハードウェアの費用はすべてプロジェクト側が負担しなければならない。ZKハードウェアは高価であり、急速に進化・更新されているため、すぐに陳腐化する可能性もある。これが商業的循環を形成できるのかは疑問である；
3. 競争過多：技術実装面では大きな差がないため、最終的に現在のLayer2と同様の状況になり、少数の注目プロジェクトを除いて大部分が無視される可能性がある；
4. zk回路：zkコプロセッサ内でオフチェーン計算を行うには、従来のコンピュータプログラムをzk回路に変換する必要がある。各アプリケーションごとにカスタム回路を書くのは非常に煩雑であり、zkvmを使って仮想マシン内で回路を書く方法は計算モデルの違いからオーバーヘッドが大きい。
二. 大規模採用への鍵となるピース
（本章は主観的要素が強く、筆者の個人的見解を示す）
今回のサイクルはモジュラーインフラが主導しており、もしこのモジュラー化の道筋が正しいとすれば、このサイクルこそが大規模採用への最後の一歩となるかもしれない。しかし現時点では誰もが共通して感じていることがある。なぜ新しいアイデアのない「古い酒を新しい瓶に入れた」ようなアプリしか見えないのか。なぜアプリよりもチェーンのほうが多いのか。なぜ铭文（インスクリプション）などの新しいトークン基準が今回のサイクル最大のイノベーションと呼ばれるのか。
このような新鮮なストーリーの欠如は、本質的に現在のモジュラーインフラがスーパーアプリを支えるには不十分であり、特に全チェーン相互運用性やユーザー参入障壁といった前提条件が不足しているためである。その結果、ブロックチェーン史上最大の断絶が生じている。Rollupはモジュラー時代の中核的存在だが、速度は上がったものの、それに伴う問題も多い。つまり前述した流動性の断絶、ユーザーの分散、チェーン（あるいは仮想マシン）自体がアプリの革新を制限していることである。一方で、モジュラー化のもう一つの「キープレーヤー」Celestiaは、DA（データ可用性）をイーサリアムに依存しない最初の存在となり、この考え方は断絶をさらに加速させた。イデオロギー的動機であろうとDAコストの問題であろうと、結果としてBTCが自前のDAを構築せざるを得なくなり、他のパブリックチェーンもよりコスト効率の高いDAを求めることになった。現状では、各パブリックチェーンに少なくとも1つ、多いと数十のLayer2プロジェクトが存在する。さらに、すべてのインフラおよびエコシステムプロジェクトがBlur（鉄順）が確立した「ポイントドラゴンスレイヤー（OpenSea攻略）」手法を深く学び、ユーザーにトークンをプロジェクト内にステーキングさせる要求をしている。この手法はホエールに対して三重の利益（金利、ETHまたはBTCの上昇、無料配布トークン）をもたらすが、その反面、オンチェーンの流動性をさらに圧迫している。
かつてのブルマーケットでは、資金は数本から十数本のパブリックチェーンに集中しており、実質的にイーサリアムに集中していた。しかし現在では資金が数百本のチェーンに分散し、数千もの似たようなプロジェクトにステーキングされている。オンチェーンの活況は消え、イーサリアムですら活動が少ない。そのため、東アジアのプレイヤーがBTCエコシステムでPVPし、欧米のプレイヤーがSolanaでPVPするのはやむを得ない選択と言える。したがって筆者が今最も注目しているのは、全チェーンの流動性を集約する方法、そして新しいゲームプレイとスーパーアプリの誕生をどう支援するかである。全チェーン相互運用性分野では、伝統的な主要プロジェクトは長らく振るわず、いまだに従来のクロスチェーンブリッジに近い。一方で、当社の以前のリサーチレポートでも触れた新世代相互運用性ソリューションは、多チェーンを単一チェーンに集約するアプローチを取っており、AggLayer、Superchain、Elastic Chain、JAMなどが該当するが、ここでは詳述しない。
結局のところ、全チェーンの集約はモジュラー構造下で必ず越えなければならない壁だが、この壁を越えるにはまだ長い時間がかかるだろう。一方でZKコプロセッサは、現段階においてさらに重要なピースである。Layer2を強化するだけでなく、Layer1の補強にもなる。全チェーンおよび三角パラドックスという二つの問題から一時的に抜け出し、ある程度の流動性を持つ特定のLayer1またはLayer2上で、現状に即したアプリをまず実現することは可能だろうか？ 現在のブロックチェーンアプリのストーリーは本当に乏しい。また、ゲームプレイの多様化、ガス代の制御、大規模アプリの登場、さらにはクロスチェーン、ユーザー参入障壁の低下なども、協調プロセッサの統合というアプローチは、中央集権化に頼るよりも理想的な選択肢となるだろう。
三. プロジェクト概覧
ZKコプロセッサ分野は約2023年頃に台頭し、現在は比較的成熟している。Messariの分類によると、この分野にはすでに3つの主要垂直領域（汎用計算、相互運用性・クロスチェーン、AIおよび機械学習）、計18のプロジェクトがある。大部分のプロジェクトはトップVCの支援を受けており、以下では各分野から代表的なプロジェクトを取り上げて紹介する。
3.1 Giza
GizaはStarknet上に展開され、StarkWare公式が支援するzkML（ゼロナレッジ機械学習）プロトコルであり、人工知能モデルをブロックチェーンのスマートコントラクト内で検証可能な形で利用することを目指している。開発者はAIモデルをGizaネットワークにデプロイでき、Gizaはその後ゼロナレッジ証明によってモデル推論の正確性を検証し、信頼不要な形で結果をスマートコントラクトに提供する。これにより開発者はAI機能を備えたオンチェーンアプリを構築できるとともに、ブロックチェーンの非中央集権性と検証可能性を維持できる。
Gizaは以下の3つのステップでワークフローを完了する：
-
モデル変換：Gizaは一般的なONNX形式のAIモデルをゼロナレッジ証明システムで動作可能な形式に変換する。これにより開発者は馴染みのあるツールでモデルを訓練し、それをGizaネットワークにデプロイできる。
-
オフチェーン推論：スマートコントラクトがAIモデルの推論を要求すると、Gizaはオフチェーンで実際に計算を実行する。これによりブロックチェーン上で直接複雑なAIモデルを実行する高コストを回避できる。
-
ゼロナレッジ検証：Gizaは各モデル推論に対してZK証明を生成し、計算が正しく実行されたことを証明する。これらの証明はオンチェーンで検証され、計算結果の正確性を保証するが、計算全体をオンチェーンで再実行する必要はない。
Gizaのアプローチにより、AIモデルは信頼できる入力源としてスマートコントラクトに利用できるようになり、中央集権的なオラクルや信頼できる実行環境（TEE）に依存する必要がなくなる。これによりAIを活用した資産管理、不正検出、動的価格設定など、ブロックチェーンアプリケーションに新たな可能性が開かれる。現在のWeb3×AI分野で数少ないロジックが閉じたプロジェクトの一つであり、コプロセッサのAI分野への巧みな応用例と言える。
3.2 Risc Zero
Risc Zeroは複数のトップVCが支援するコプロセッサプロジェクトであり、この分野のリーディングプレーヤーの一つである。同プロジェクトは任意の計算をブロックチェーンのスマートコントラクト内で検証可能な形で実行することを目指している。開発者はRustでプログラムを書き、RISC Zeroネットワークにデプロイできる。RISC Zeroはその後ゼロナレッジ証明によってプログラム実行の正当性を検証し、信頼不要な形で結果をスマートコントラクトに提供する。これにより開発者は複雑なオンチェーンアプリを構築できるとともに、ブロックチェーンの非中央集権性と検証可能性を維持できる。
上記で簡単に導入・動作プロセスを述べたが、ここでは二つのキーコンポーネントについて詳しく説明する：
Bonsai：RISC ZeroのBonsaiはプロジェクト内のコプロセッサコンポーネントであり、RISC-V命令セットアーキテクチャのzkVMにシームレスに統合されており、開発者が数日間で高性能なゼロナレッジ証明をイーサリアム、L1ブロックチェーン、Cosmosアプリチェーン、L2ロールアップ、dAppsに迅速に統合できるようにする。スマートコントラクトからの直接呼び出し、検証可能なオフチェーン計算、クロスチェーン相互運用性、汎用ロールアップ機能を提供し、分散化を最優先とした分散型アーキテクチャを採用。再帰的証明、カスタム回路コンパイラ、ステート継続、継続的に改善される証明アルゴリズムを組み合わせ、誰もがさまざまなアプリケーションに対して高性能なゼロナレッジ証明を生成できるようにする。
zkVM：zkVMは検証可能なコンピュータであり、実際の組込みRISC-Vマイクロプロセッサと同様に動作する。この仮想マシンはRISC-V命令セットアーキテクチャに基づき、Rust、C++、Solidity、Goなど多数の高級プログラミング言語を使用してゼロナレッジ証明を生成可能なプログラムを記述できる。人気のあるRust cratesの70％以上をサポートし、汎用計算とゼロナレッジ証明をシームレスに統合。任意の複雑さの計算に対して効率的なゼロナレッジ証明を生成でき、計算プロセスのプライバシーと結果の検証可能性を維持する。STARKおよびSNARKを含むZK技術を採用し、Recursion ProverやSTARK-to-SNARK Proverなどのコンポーネントにより効率的な証明生成と検証を実現。オフチェーン実行とオンチェーン検証のモデルをサポートする。
Risc Zeroは複数のETH系Layer2と統合済みであり、Bonsaiの複数のユースケースをデモンストレーションしている。中でも興味深いのがBonsai Payである。このデモではRISC ZeroのzkVMおよびBonsai証明サービスを利用し、ユーザーがGoogleアカウントを使ってイーサリアム上でETHやトークンを送金・引き出しできるようにしている。これはRISC ZeroがオンチェーンアプリケーションとOAuth2.0（Googleなど主要IDプロバイダが使用する標準）をシームレスに統合できる例であり、従来のWeb2アプリケーションを通じてWeb3のユーザー参入障壁を下げる試みである。他にもDAOなどのアプリケーションを用いた事例がある。
3.3 =nil;
=nil; はMina、Polychain、Starkware、Blockchain Capitalなど有名プロジェクトおよび機関から投資を受けている。特にMinaやStarkwareといったzk技術の最先端を走るプロジェクトが支援している点は注目に値し、技術的认可度が高いことを示している。=nil; は当社のリサーチレポート「コンピューティングマーケット」でも取り上げたプロジェクトであり、当時は主に同社のProof Market（分散型証明生成市場）に焦点を当てていた。実は同社にはもう一つの子製品であるzkLLVMがある。
zkLLVMは=nil; Foundationが開発した革新的な回路コンパイラであり、C++、Rustなどの主流開発言語で書かれたアプリケーションコードをイーサリアム上で効率的な証明可能な回路に自動変換できる。これにより特別なゼロナレッジDSL（ドメインスペシフィック言語）の使用が不要となり、開発プロセスが大幅に簡素化され、開発障壁が低下する。またzkVM（ゼロナレッジ仮想マシン）を介さないことでパフォーマンスが向上し、ハードウェアアクセラレーションをサポートして証明生成速度を向上。ロールアップ、クロスチェーンブリッジ、オラクル、機械学習、ゲームなど多様なZK応用シーンに適しており、=nil; FoundationのProof Marketと緊密に統合され、開発者に回路作成から証明生成までの一貫したサポートを提供する。
3.4 Brevis
同プロジェクトはCeler Networkの子プロジェクトであり、Brevisはブロックチェーン向けのスマートゼロナレッジ（ZK）コプロセッサで、dAppが複数のブロックチェーンにまたがって任意のデータを完全に信頼不要な方法でアクセス、計算、利用することを可能にする。他のコプロセッサ同様、Brevisも幅広い用途を持ち、データ駆動型DeFi、zkブリッジ、オンチェーンユーザーアクイジション、zkDID、ソーシャルアカウント抽象などが挙げられる。
Brevisのアーキテクチャは主に3つの部分から構成される：
-
zkFabric：zkFabricはBrevisアーキテクチャのリレーヤー。主な任務は接続されたすべてのブロックチェーンからブロックヘッダー情報を収集・同期し、ZKライトクライアント回路を通じて各ブロックヘッダーに対してコンセンサス証明を生成すること。
-
zkQueryNet：zkQueryNetはオープンなZKクエリエンジン市場であり、オンチェーンスマートコントラクトからのデータクエリを直接受け付け、ZKクエリエンジン回路を通じてクエリ結果と対応するZKクエリ証明を生成できる。これらのエンジンは特定期間のDEX取引量計算といった高度に特化したものから、高度なデータインデックス抽象および高度なクエリ言語を提供する汎用的なものまであり、さまざまなアプリケーションニーズに対応する。
-
zkAggregatorRollup：zkFabricおよびzkQueryNetの集約・ストレージ層として機能。両コンポーネントの証明を検証し、証明済みデータを保存し、そのZK証明のステートルートをすべての接続チェーンにコミットすることで、dAppが直接オンチェーンスマートコントラクトのビジネスロジック内で証明済みクエリ結果にアクセスできるようにする。
このモジュラー型アーキテクチャにより、Brevisはすべてのサポートチェーン上のスマートコントラクトに対して、信頼不要で効率的かつ柔軟なアクセス手段を提供できる。UNIのV4バージョンでも同プロジェクトが採用され、プロトコル内のHooks（さまざまなユーザー統合用のカスタムロジックシステム）と統合され、履歴ブロックチェーンデータの読み取りを容易にし、ガス代を削減しつつ非中央集権性を確保している。これはzkコプロセッサがDEXを前進させた一例である。
3.5 Lagrange
Lagrangeは1kxおよびFounders Fundが主導して投資した相互運用性指向のzkコプロセッサプロトコルであり、信頼不要なクロスチェーン相互運用性を提供し、大規模データを扱う複雑計算アプリケーションの革新を支えることを目的としている。従来のノードブリッジとは異なり、Lagrangeのクロスチェーン相互運用性は独自のZK Big DataおよびState Committeeメカニズムによって実現されている。
ZK Big Data：本製品はLangrangeのコアであり、主にクロスチェーンデータの処理・検証および関連ZK証明の生成を担当。高度に並列化されたZKコプロセッサが複雑なオフチェーン計算を実行しゼロナレッジ証明を生成。無限のストレージスロットをサポートしスマートコントラクトが直接SQLクエリ可能な検証可能なデータベース。変更されたデータポイントのみを更新するダイナミック更新メカニズムにより証明時間を短縮。開発者がスマートコントラクトから直接SQLクエリを使って履歴データにアクセスでき、複雑な回路を書く必要がない統合機能。これらが共同で大規模ブロックチェーンデータ処理・検証システムを構成している。
State Committee：これは分散化された検証ネットワークであり、複数の独立ノードから構成され、各ノードはETHをステーキングして担保とする。これらのノードはZKライトクライアントとして機能し、特定の最適化ロールアップのステートを検証する。State CommitteeはEigenLayerのAVSと統合され、再ステーキングメカニズムによってセキュリティを強化。無限のノード参加をサポートし、超線形的なセキュリティ向上を実現。また「ファストモード」を提供し、挑戦ウィンドウを待たずにクロスチェーン操作を可能にし、ユーザー体験を大幅に向上させる。この二つの技術の融合により、Lagrangeは大規模データを効率的に処理し、複雑な計算を実行し、異なるブロックチェーン間で安全に結果を転送・検証できるため、複雑なクロスチェーンアプリの開発を支援できる。
LagrangeはすでにEigenLayer、Mantle、Base、Frax、Polymer、LayerZero、Omni、AltLayerなどと統合されており、イーサリアムエコシステム内で最初のZK AVSとして接続される予定である。
TechFlow公式コミュニティへようこそ
Telegram購読グループ：https://t.me/TechFlowDaily
Twitter公式アカウント：https://x.com/TechFlowPost
Twitter英語アカウント：https://x.com/BlockFlow_News
@YBBCapital
