오프체인 계산의 혁신: ZK 코프로세서와 DeFi, DAO에서의 응용 전망 심층 분석
저자: Kernel Ventures Turbo Guo
리뷰어: Kernel Ventures Mandy, Kernel Ventures Joshua
TL;DR
ZK 협처리기는 dApp이 오프체인 컴퓨팅 자원을 활용할 수 있도록 하는 솔루션이며, 본문은 협처리기의 구현 방식, 다양한 응용 사례 및 미래 전망에 대해 다룹니다. 주요 내용은 다음과 같습니다:
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RISC Zero의 zkVM은 ZK 협처리기 솔루션으로, 체인 상의 스마트 계약이 오프체인 zkVM에서 특정 Rust 코드를 실행하고 결과와 함께 제로지식 증명(zkp)을 반환받아 온체인에서 검증할 수 있게 해줍니다.
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ZK 협처리기의 구현 방식은 다양하며, zkVM 외에도 사용자가 직접 ZK 회로를 설계하거나 사전 제작된 프레임워크를 이용해 회로를 작성함으로써 체인 상 계약이 오프체인 컴퓨팅 자원을 활용할 수 있습니다.
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ZK 협처리기는 DeFi 분야에서도 활용 가능합니다. 예를 들어 AMM의 계산을 오프체인에서 수행하여 MEV와 유사한 가치를 프로토콜이 포획하거나, 복잡하고 고강도의 계산이 필요한 AMM 로직을 구현할 수 있습니다. 또한 대출 프로토콜이 실시간 금리를 산정하거나 증거금 계산을 투명하게 할 수도 있습니다. zkAMM은 zkVM 또는 zkOracle 두 가지 방식으로 구현될 수 있습니다.
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ZK 협처리기는 지갑에서 인증 절차를 오프체인에서 처리하거나, 체인 상 게임이 더 복잡한 연산을 수행하거나, DAO 거버넌스의 가스 비용을 줄이는 등 다른 잠재적 용도도 존재합니다.
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ZK 협처리기 생태계는 아직 정립되지 않았으며, 사용자가 직접 회로를 작성하는 것보다는 하나의 프로젝트를 통해 오프체인 자원을 호출하는 인터페이스 방식이 더 편리하지만, 이 "인터페이스" 프로젝트가 어떤 컴퓨팅 서비스 제공자(기존 클라우드 업체 또는 탈중앙화 자원 공유)와 연결되는지는 또 다른 논의 주제입니다.
1. ZK 협처리기의 의미와 응용
ZK 협처리기의 핵심은 체인 상의 계산을 오프체인으로 이전하고, 그 계산의 신뢰성을 제로지식 증명(ZK)으로 입증함으로써 스마트 계약이 대규모 연산을 쉽게 처리하면서도 결과의 정확성을 검증할 수 있게 만드는 것입니다. 이는 zkRollup과 유사한 접근이지만, Rollup은 레이어1 프로토콜 차원에서 오프체인 자원을 활용하는 반면, ZK 협처리기는 개별 dApp이 이를 활용한다는 점에서 다릅니다.
RISC Zero를 예로 들어 한 가지 ZK 협처리기 구현 방식을 설명하겠습니다. 다만 ZK 협처리기는 여러 형태로 구현될 수 있으며, 이후 섹션에서 추가로 소개합니다. RISC Zero는 Bonsai ZK 협처리기 아키텍처를 개발하였으며, 그 중심에는 RISC Zero의 zkVM이 있습니다. 개발자는 이 zkVM 위에서 "특정 Rust 코드가 정확히 실행되었다"는 사실에 대한 zkp를 생성할 수 있습니다. zkVM을 활용하면 ZK 협처리기를 다음과 같은 절차로 구현할 수 있습니다:
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개발자가 Bonsai의 리레이 계약에 요청을 보내고, 이 요청은 zkVM 내에서 특정 프로그램을 실행하라는 지시입니다.
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리레이 계약이 요청을 오프체인 요청 풀로 전달합니다.
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Bonsai가 오프체인 zkVM에서 해당 요청을 실행하고 대규모 연산을 수행한 후, 이를 증명하는 영수증(receipt)을 생성합니다.
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이러한 증명 즉 '영수증'은 Bonsai에 의해 다시 리레이 계약을 통해 체인 상으로 되돌려집니다.
Bonsai에서 증명되는 프로그램은 Guest Program이라 불리며, 영수증(receipt)은 이 guest program이 정확히 실행되었음을 입증합니다. 영수증은 journal과 seal(봉인)으로 구성됩니다. 여기서 journal은 zkVM 애플리케이션의 공개 출력값을 담고 있으며, seal은 영수증의 유효성을 증명하는 역할을 하며, 이 자체가 증명자가 생성한 zkSTARK입니다. 영수증을 검증함으로써 journal이 올바른 회로를 기반으로 생성되었음을 보장할 수 있습니다.
Bonsai는 Rust 코드를 zkVM 바이트코드로 컴파일하고, 프로그램을 업로드하며, VM 내에서 실행하고 증명을 반환하는 일련의 과정을 단순화하여 개발자가 프로그램의 로직 설계에 집중할 수 있게 합니다. 이는 일부 계약 로직뿐 아니라 전체 계약 로직을 오프체인에서 실행하는 것도 가능하게 합니다. RISC Zero는 또한 continuations 기술을 사용해 큰 증명을 여러 조각으로 나누어 각각 따로 증명함으로써 대규모 프로그램에 대한 증명 생성이 가능하면서도 메모리 사용량을 줄입니다. RISC Zero 외에도 IronMill, =nil; Foundation, Marlin 등의 프로젝트가 유사한 범용 솔루션을 제공하고 있습니다.
2. ZK 협처리기의 DeFi 응용
2.1 AMM - 협처리기로서의 Bonsai
zkUniswap은 오프체인 컴퓨팅 자원을 활용하는 AMM의 일종으로, swap의 일부 계산을 오프체인에서 수행하며 Bonsai를 사용합니다. 사용자가 체인 상에서 swap 요청을 시작하면, Bonsai의 리레이 계약이 요청을 받아 오프체인 계산을 수행하고, EVM의 콜백 함수에 계산 결과와 증명(proof)을 반환합니다. 증명이 성공적으로 검증되면 swap이 실행됩니다.
그러나 swap은 한 번의 트랜잭션으로 완료되지 않고, 요청과 실행이 서로 다른 트랜잭션에 걸쳐 이루어지므로 일정한 리스크가 존재합니다. 즉, 요청을 제출한 후 swap이 완료되기 전까지 풀의 상태가 변할 수 있다는 점입니다. 검증은 요청 제출 시점의 풀 상태를 기준으로 이루어지므로, 만약 요청 대기 중 풀 상태가 변경되면 검증이 실패할 수 있습니다.
이 문제를 해결하기 위해 개발자들은 풀 잠금(pool lock) 메커니즘을 도입했습니다. 사용자가 요청을 시작하면 swap 정산 외 모든 작업이 잠금되며, 오프체인에서 체인 상 swap이 성공적으로 트리거되거나 사전에 설정된 시간 초과(timeout)가 발생할 때까지 유지됩니다. 시간 제한을 두면 중계 또는 zkp에 문제가 생겨도 풀이 영구적으로 잠기는 것을 방지할 수 있으며, 일반적으로 몇 분 정도로 설정됩니다.
zkUniswap은 MEV에 대해 특별한 설계를 가지고 있는데, 바로 프로토콜이 MEV 가치를 자체적으로 포획하려는 의도입니다. 이론적으로 zkAMM 역시 MEV가 존재하는데, 첫 번째로 트랜잭션을 제출하는 사람이 잠금을 획득하므로 여전히 gas 경쟁이 발생하며, builder들도 요청 트랜잭션 순서를 조정할 수 있습니다. 하지만 zkUniswap은 MEV 수익을 자체적으로 가져가기 위해 가변 금리 기반 점진적 네덜란드 경매(VRGDA) 방식을 사용합니다.
zkUniswap은 lock을 자체적으로 낙찰 경매하며, lock이 빠르게 팔릴 경우 수요가 크다고 판단해 자동으로 가격을 올리고, 판매 속도가 느려지면 가격을 낮춥니다. 이는 새로운 수익원이 됩니다. 즉 프로토콜이 거래 순서를 결정하는 새로운 요소를 제공하고, 그에 대한 경쟁 비용이 직접적으로 프로젝트 팀에게 귀속되는 구조인데, 매우 창의적인 설계입니다.
2.2 AMM - 협처리기로서의 zkOracle
zkVM 외에도 zkOracle을 활용해 오프체인 컴퓨팅 자원을 사용할 수 있으며, zkOracle은 입력과 출력 모두를 처리하는 오라클입니다. 일반적인 오라클은 입력 오라클(오프체인 데이터를 정리해 체인 상에 제공)과 출력 오라클(체인 상 데이터를 정리해 오프체인에 제공)로 나뉩니다. I/O 오라클(zkOracle)은 먼저 출력을 수행한 후 입력을 수행함으로써 체인 상이 오프체인 계산 자원을 활용할 수 있게 합니다.
zkOracle은 체인 상 데이터를 소스로 사용하면서도, 제로지식 증명을 통해 오라클 노드의 계산이 조작되지 않았음을 보장함으로써 협처리기 기능을 수행할 수 있습니다. 따라서 AMM의 핵심 계산을 zkOracle 내부에서 수행함으로써 기존 AMM 기능을 유지하면서도 더 복잡하고 계산 집약적인 작업을 구현할 수 있습니다.
2.3 대출 금리 산정, 증거금 계산 등 기타 응용
구현 방식을 떠나 ZK 협처리기를 활용하면 다양한 기능을 구현할 수 있습니다. 예를 들어, 대출 프로토콜이 더 이상 미리 정해진 파라미터를 사용하지 않고, 실시간 대출 상황에 따라 금리를 조정할 수 있습니다. 예컨대 대출 수요가 많을 때는 금리를 올려 공급을 유도하고, 수요가 줄면 금리를 낮추는 식입니다. 이를 위해서는 대출 프로토콜이 실시간 체인 상 데이터를 확보하고, 많은 계산을 수행하여 적절한 파라미터를 도출해야 하는데, 이는 오프체인 계산 없이는 어렵습니다(체인 상 비용이 극도로 낮아지지 않는 한).
증거금 잔액, 미실현 손익, 청산 금액 등 복잡한 계산도 협처리기로 이관할 수 있습니다. 협처리기의 장점은 이러한 애플리케이션이 더욱 투명하고 검증 가능해진다는 점이며, 증거금 엔진의 로직이 더 이상 숨겨진 블랙박스가 아니게 됩니다. 계산은 오프체인에서 이루어지지만, 사용자는 그 실행의 정확성을 완전히 신뢰할 수 있습니다. 이 방식은 옵션 계산에도 적용 가능합니다.
3. ZK 협처리기의 기타 응용
3.1 지갑 - Bonsai를 협처리기로 활용
Bonfire Wallet은 zkVM을 이용해 신원 인증 계산을 오프체인으로 이전합니다. 이 지갑은 사용자가 생체 정보(지문) 또는 암호화 하드웨어 yubikey를 이용해 burner 지갑을 만들 수 있도록 목표로 합니다.
구체적으로, Bonfire Wallet은 WebAuthn이라는 보편적인 웹 인증 표준을 사용해 사용자가 비밀번호 없이 기기만으로 웹 상에서 신원을 인증할 수 있게 합니다. 따라서 Bonfire 지갑에서는 사용자가 WebAuthn을 통해 공개키(체인 상이 아닌 WebAuthn 전용)를 생성하고, 이를 기반으로 지갑을 만듭니다.
각 Burner 지갑은 체인 상에 계약을 가지며, 여기에는 WebAuthn 공개키가 포함되어 있고, 계약은 사용자의 WebAuthn 서명을 검증해야 합니다. 그러나 이 검증 계산은 매우 무거우므로, Bonsai를 활용해 오프체인에서 zkVM guest 프로그램이 서명을 검증하고 zkp를 생성하여 체인 상에서 검증하도록 합니다.
3.2 체인 상 데이터 조회 - 사용자 직접 ZK 회로 작성
Axiom은 zkVM을 사용하지 않으면서도 다른 형태의 협처리기 솔루션을 제공하는 사례입니다. 먼저 Axiom이 하고자 하는 바를 설명하면, ZK 협처리기를 이용해 스마트 계약이 과거 체인 상 정보를 조회할 수 있게 하는 것입니다. 실제로 스마트 계약이 과거 데이터를 읽는 것은 매우 어렵습니다. 일반적으로 스마트 계약은 실시간 체인 데이터만 얻을 수 있으며, 비용도 비싸기 때문에 계정의 과거 잔액이나 거래 기록 같은 유용한 체인 상 데이터를 쉽게 확보하기 어렵습니다.
Axiom 노드는 필요한 체인 상 데이터에 접근하고 오프체인에서 지정된 계산을 수행한 후, 그 계산이 유효한 체인 상 데이터로부터 올바르게 수행되었음을 입증하는 제로지식 증명을 생성합니다. 이 증명은 체인 상에서 검증되어 계약이 그 결과를 신뢰할 수 있음을 보장합니다.
오프체인 계산에 대한 zkp를 생성하려면 프로그램을 ZK 회로로 컴파일해야 하며, 앞서 언급한 zkVM 방식 외에도 여러 선택지가 있으며, Axiom은 성능, 유연성, 개발자 경험 사이의 균형을 고려해 다음과 같은 방식을 제시합니다:
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맞춤형 회로(Custom circuit): 개발자가 프로그램에 맞춰 회로를 직접 설계하면 성능은 최고지만 개발 시간이 많이 듭니다.
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eDSL/DSL: 개발자가 여전히 회로를 직접 작성하지만, ZK 관련 문제를 해결해주는 프레임워크를 활용함으로써 성능과 개발자 경험 사이의 균형을 맞춥니다.
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zkVM: 기존의 가상머신을 그대로 사용해 ZK를 실행하는 것으로 매우 편리하지만, Axiom은 효율성이 매우 낮다고 평가합니다.
따라서 Axiom은 두 번째 방식을 선택했으며, 사용자가 회로를 직접 설계할 수 있도록 최적화된 ZK 모듈도 제공합니다.
Axiom과 유사한 프로젝트로는 Herodotus가 있으며, 이는 크로스체인 정보 전송을 위한 미들웨어를 지향합니다. 정보 처리가 오프체인에서 이루어지므로 서로 다른 체인이 처리된 데이터를 공유하는 것이 타당한 접근입니다. 또 다른 프로젝트 Space and Time은 유사한 아키텍처로 데이터 인덱싱을 구현하고 있습니다.
3.3 체인 상 게임, DAO 거버넌스 등 기타 응용
그 외에도 체인 상 게임, DAO 거버넌스 등 다양한 분야에서 ZK 협처리기를 활용할 수 있습니다. RISC Zero는 250k 가스 이상의 계산은 ZK 협처리기를 사용하는 것이 비용 측면에서 더 유리하다고 보지만, 이 수치의 근거는 아직 명확하지 않습니다. DAO 거버넌스도 다수의 참여자와 여러 계약이 관여하는 만큼 계산 리소스를 많이 소비하므로 ZK 협처리기를 활용할 수 있으며, RISC Zero는 Bonsai 사용 시 가스 비용을 50% 절감할 수 있다고 주장합니다. ZKML 역시 본질적으로 ZK 협처리기와 같은 접근이며, Modulus Labs, Giza 등이 이 분야의 프로젝트이지만, ZK 협처리기 개념은 더 포괄적입니다.
또한 ZK 협처리기 분야에는 ezkl과 같은 보조 프로젝트도 존재합니다. ezkl은 ZK 회로를 생성하는 컴파일러, ZK 배포 도구 세트, 체인 상 계산을 오프체인으로 이전하는 도구 등을 제공합니다.
4. 미래 전망
협처리기는 체인 상 애플리케이션이 마치 '클라우드'처럼 외부 컴퓨팅 자원을 활용할 수 있게 하며, 저렴한 비용으로 대규모 연산을 수행할 수 있게 하고, 체인 상에서는 필수적인 계산만 처리합니다. 실제 구현에서 zkVM은 클라우드 위에서 실행될 수도 있으며, ZK 협처리기는 본질적으로 체인 상 계산을 오프체인으로 이전하는 아키텍처이며, 오프체인 컴퓨팅 자원의 제공자는 제한되지 않습니다.
본질적으로 오프체인 컴퓨팅 자원은 전통적인 대형 업체, 탈중앙화된 자원 공유, 또는 사용자 개인 장치에 의해 제공될 수 있습니다. 이 세 방향은 각기 다른 특성을 가지며, 전통적인 대형 업체는 상대적으로 성숙한 오프체인 컴퓨팅 솔루션을 제공할 수 있고, 미래에는 탈중앙화 자원 공유가 더 강건한(Robust) 구조를 갖출 수 있으며, 개인 장치에서의 계산도 흥미로운 가능성을 지닙니다. 그러나 현재 많은 ZK 협처리기 프로젝트들이 폐쇄형 서비스 제공 단계에 있는 이유는 이 분야의 생태계가 아직 형성되지 않아 서비스를 세분화하고 다양한 프로젝트에 위임할 수 없기 때문입니다. 앞으로 두 가지 가능성이 있습니다:
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ZK 협처리기의 각 단계에 다수의 프로젝트가 경쟁하는 생태계
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사용자 경험(UX)이 뛰어난 단일 프로젝트가 대부분의 시장을 장악하는 구조
개발자의 관점에서 보면, ZK 협처리기를 사용할 때 하나의 '인터페이스' 프로젝트만을 사용하게 될 가능성이 높으며, 아마존 클라우드가 시장을 장악한 이유와 동일하게, 개발자들은 익숙한 배포 방식을 선호하게 됩니다. 그러나 이 '인터페이스' 프로젝트가 어떤 오프체인 컴퓨팅 서비스 제공자(기존 클라우드 업체 또는 탈중앙화 자원 공유)와 연결되는지는 또 다른 중요한 논의 주제가 될 것입니다.
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