a16z Crypto가 최신으로 발표한 zkVM 솔루션 Jolt는 어떤 변화를 가져올까?
글: Frank, PANews
4월 10일, a16z Crypto는 블록체인 확장을 가속화하고 단순화하기 위한 목적으로 'Jolt'라는 이름의 zkEVM 솔루션을 발표했다. Jolt는 SNARK 제로지식 증명을 통합하여 EVM 호환 롤업에 프레임워크를 제공하며, 개발자들이 SNARK 기반 L2 솔루션을 만들 수 있도록 지원한다. 이 팀은 현재의 zkVM과 비교해 Jolt가 "두 배 더 빠르다"고 밝혔다.
Jolt의 기술 원리가 상당히 복잡하기 때문에, 아래에서는 관련된 몇 가지 기술 용어들 간의 관계를 간단히 설명한다:
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zkSNARK는 강력한 제로지식 증명 원시 기술로서, zkVM 및 zkEVM 구축의 기반이 된다.
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zkVM은 임의의 명령어 세트를 지원하는 일반적인 제로지식 가상 머신 개념이다.
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zkEVM은 EVM과 호환되도록 특화된 zkVM의 한 사례이다.
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ZK 롤업은 zkVM 또는 zkEVM을 활용하여 이더리움의 확장성을 향상시키면서 동시에 프라이버시를 보존한다.
Jolt란 무엇인가?
Jolt는 새로운 유형의 SNARK 솔루션으로, zkVM(제로지식 가상 머신)을 보다 간결하고 효율적인 방식으로 구축할 수 있게 해준다. 사실 a16z crypto는 이미 2023년 8월 Lasso와 Jolt라는 관련 개념을 제안한 바 있다. SNARK 기술이 느리고 비용이 많이 드는 문제를 해결하기 위해 이 두 기술이 등장하게 된 것이다.
여기서 Lasso는 검색 인수를 최적화하는 새로운 방법으로, 증명자의 비용을 크게 줄일 수 있다. Jolt는 이러한 Lasso를 활용하여 소위 말하는 zkVM과 보다 광범위한 프론트엔드 설계를 위한 새로운 SNARK 프레임워크를 제공한다. 이들은 공동으로 SNARK 설계의 성능, 개발자 경험, 감사 가능성(auditability)을 향상시켜 Web3 생태계 내 구축 작업을 촉진하고, 결과적으로 블록체인 분야에서 제로지식 증명의 활용도를 높인다.
Jolt를 이해하기 전에 먼저 zkVM과 zkEVM에 대해 알아볼 필요가 있다.
zkVM은 제로지식 가상 머신을 의미하는 일반적인 개념이다. zkEVM과 유사하게, zkVM은 C++ 또는 Rust와 같은 고급 언어로 프로그램을 작성한 후, 이를 중간 표현(예: 회로 또는 산술 제약 조건)으로 컴파일하고, zkSNARK 등의 증명 시스템을 통해 그 실행 과정을 증명한다. zkEVM과 달리 zkVM은 EVM과의 호환성에 국한되지 않고 임의의 명령어 세트를 지원한다. Jolt는 RISC-V 명령어 세트를 위한 고효율 zkVM 구현체이다.
우리는 zkVM을 일종의 특별한 '블랙박스'로 생각할 수 있다. 이 블랙박스는 프라이버시를 보호하면서 자신이 미리 정의된 프로그램대로 계산을 수행했음을 외부에 증명할 수 있다. 하지만 기존의 zkVM은 이러한 증명을 생성하는 과정에서 방대한 계산량을 요구해 성능이 매우 낮았다.
Jolt의 핵심 혁신은 이러한 증명을 생성하기 위한 훨씬 더 효율적인 수학적 방법을 찾아낸 것이다:
먼저 Jolt는 증명하려는 계산을 특수한 다항식으로 변환하는데, 이를 편의상 '계산 다항식'이라 하자. 이 다항식의 특징은 오직 블랙박스가 실제로 올바르게 계산을 수행했을 때만 그 값이 0이 된다는 점이다.
이 '계산 다항식'의 값이 0임을 입증하기 위해 Jolt는 'sumcheck'라 불리는 대화형 프로토콜을 사용한다. 이 프로토콜은 전체 다항식을 계산하지 않아도 짧은 시간 안에 검증자가 다항식의 값이 0임을 확신할 수 있게 한다. 이것은 마치 교사가 학생의 시험지 전체를 다 채점하지 않고 일부 문제만 확인해서 전체 시험이 올바른지 판단하는 것과 비슷하다.
Jolt의 기술적 장점
Jolt의 기술 원리는 매우 복잡하지만 간단히 말하면, 블록체인 네트워크 발전 과정에서 zkVM은 확장성을 향상시키는 핵심 기술로, 프라이버시를 보장하면서도 효과적인 증명을 제공할 수 있다. 최근 홍콩에서 열린 Web3 카니발에서 비탈릭(Vitalik)은 주제 연설을 통해 zkSNARK 기술에 대해 자세히 설명했다. 그는 "ZKSNARK는 프라이버시 측면에서 매우 유용할 뿐 아니라 확장성 면에서도 매우 유용하다"고 말했다.
그러나 증명 생성 속도와 계산 부담은 오랫동안 zkSNARK 기술 실용화의 주요 장애물이었으며, 최근 몇 년간 학계와 업계가 집중적으로 해결하려는 과제였다. Pinocchio나 Groth16과 같은 기존 zkSNARK 방식은 복잡한 계산 로직을 증명할 때 증명 생성 시간이 몇 시간에서 며칠까지 걸릴 수 있으며, 많은 메모리와 저장 공간을 소비한다. 이러한 성능 병목 현상은 다양한 실제 응용 시나리오에서 zkSNARK의 활용을 심각하게 제한하고 있다.
블록체인이 대규모로 실용화되어 실시간 검증을 달성하기 위해서는 zkSNARK의 성능을 향상시키는 것이 매우 중요하다.
구체적으로 말해, zkSNARK의 증명 생성 과정은 타원 곡선 페어링, 다항식 보간 등 복잡한 암호학 알고리즘을 포함하며, 이러한 연산은 컴퓨팅 리소스를 대량으로 소모한다. 특히 증명 대상 계산 회로의 규모가 클수록 증명 생성의 계산 복잡도는 지수적으로 증가한다.
a16z Crypto에 따르면 CPU 기준으로 초기 Jolt 구현은 RISC Zero보다 약 6배 빠르며, 최근 출시된 SP1보다는 2배 빠르다. 또한 향후 몇 주 내에 Jolt의 속도를 약 1.5배 더 향상시킬 예정이라고 한다.
현재 Jolt의 속도는 기존 zkVM보다 이미 2배 이상 빠르지만, 여전히 큰 최적화 여지가 있다.
또한 Jolt는 다항식의 특정 대수적 성질을 적절히 활용하여 더욱 효율적인 다항식 커밋(polynomial commitment) 방식을 구현했다. 이를 통해 증명의 크기와 검증 시간을 추가로 줄였다.
Jolt가 가져올 수 있는 변화
공학적 관점에서 보면, Jolt는 더 간결한 회로 설계, 더 효율적인 파이프라이닝, 더 철저한 병렬화 등 일련의 최적화 기법을 채택하여 하드웨어의 연산 능력을 극대화한다.
당신이 Web3 개발자라고 가정해보자. 이더리움 위에 체인 기반 포커 게임을 배포하고자 한다. 이 게임은 카드 섞기, 카드 나눠주기, 패 비교 등의 동작을 모두 체인 상에서 처리해야 하며, 각 동작마다 zkVM 회로를 통해 프라이버시 보호와 검증 가능성을 확보해야 한다.
만약 ZoKrates나 bellman과 같은 기존 zkVM 솔루션을 사용한다면, 이러한 회로를 구성하는 데 몇 시간에서 며칠이 걸릴 수 있다. 현재 zkVM의 성능이 여전히 낮기 때문에 복잡한 회로의 제로지식 증명을 생성하는 데 많은 계산 리소스와 시간이 소요되기 때문이다. 이는 개발 및 테스트 주기가 매우 길어진다는 것을 의미한다.
하지만 동일한 회로를 Jolt를 이용해 구축한다면 상황이 크게 달라진다. Jolt 팀의 테스트에 따르면, 현재 Jolt 구현은 주류 zkVM 솔루션보다 증명 생성 속도가 2~5배 더 빠르다. 즉, 기존에 증명 생성에 10시간이 걸렸다면 지금은 2~5시간 정도만 소요될 수 있다는 뜻이다.
종합하면, Jolt가 제공하는 2~5배의 성능 향상은 zkVM 기술의 실용성과 사용 편의성이 크게 개선되었음을 의미한다. 이는 Web3 개발자의 진입 장벽을 크게 낮추고, 애플리케이션 개발 주기를 단축시키며, 궁극적으로 최종 사용자에게 더 나은 사용자 경험을 제공할 수 있게 한다. 장기적으로 보면, Jolt는 zkVM 기술의 대규모 적용을 가속화하여 모든 Web3 사용자가 프라이버시 보호 및 검증 가능한 컴퓨팅 기능의 혜택을 누릴 수 있도록 할 전망이다.
물론 Jolt는 아직 초기 개발 단계에 있으며, 2~5배의 성능 향상은 단지 시작에 불과하다. Jolt 기술이 계속 반복적으로 개선되고 최적화됨에 따라 zkVM의 성능은 추가로 돌파구를 마련하게 될 것이며, 궁극적으로 Web3의 대규모 실용화를 위한 길을 열어줄 것이다.
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