zkEVM에서 zkVM으로의 업그레이드 서사, 왜 이 다섯 개 핵심 프로젝트가 주목받는가?
글: 0XNATALIE
블록체인의 확장성과 계산 효율성을 해결하기 위한 방안을 모색하는 과정에서 제로지식 증명(ZKP) 기술은 특히 중요하다. zkVM(Zero-Knowledge Virtual Machine)은 이러한 기술의 구체적인 응용 사례 중 하나이다. zkVM은 ZKP 기반의 범용 컴퓨팅 플랫폼으로서 실행 세부 정보를 공개하지 않으면서도 계산의 정확성을 검증할 수 있으며, 체인 외부에서 계산량이 많은 작업을 처리하고 그 검증 결과만 블록체인에 제출함으로써 블록체인의 확장성을 크게 향상시킨다. 현재 a16z, Taiko, ZKM 등 여러 프로젝트가 zkVM 솔루션 개발에 착수하고 있다.
zkVM 소개
zkVM은 제로지식 증명 기반의 범용 컴퓨팅 플랫폼으로 스마트 계약 실행, 데이터 처리 및 복잡한 알고리즘 연산 등 다양한 계산 작업을 수행할 수 있다. 핵심 기능은 계산의 정확성을 검증하면서도 실행 세부 사항은 드러내지 않는 제로지식 증명을 생성하는 것이다. SNARKs 기술을 통해 이러한 증명은 체인 외부에서 검증될 수 있으며, 검증자는 전체 계산 과정을 블록체인 상에서 다시 실행할 필요 없이 비싼 계산 비용을 지불하지 않고도 검증이 가능하다.
또한 zkVM의 설계는 암호화폐 거래에 국한되지 않으며, 그 범용성 덕분에 의료 데이터 처리, 공급망 관리, 비밀 투표 시스템 등과 같은 다양한 애플리케이션 분야에 적용될 수 있다. 이들 분야는 모두 데이터 보안을 유지하면서 처리 로직의 정확성을 검증해야 하는 요구사항을 갖는다.
zkVM과 기타 가상 머신 비교
전통적인 가상 머신(VM)은 물리적 하드웨어 위에 완전한 컴퓨팅 환경을 가상화하는 것을 의미하며, 주된 기능은 하드웨어 환경을 시뮬레이션하여 동일한 물리적 장비에서 여러 운영체제나 애플리케이션을 동시에 실행할 수 있도록 하는 것이다. 이러한 VM은 일반적으로 하드웨어 가상화 기술과 운영체제 수준의 격리를 통해 기능을 구현하며, 내부에서 실행되는 애플리케이션이나 데이터에 대해 암호화 기반의 검증 절차를 포함하지 않는다.
제로지식 가상 머신(zkVM)은 제로지식 증명 기술을 사용해 프로그램 실행 과정의 정확성을 보장한다. 이 기술은 가상 머신에서 컴파일되고 실행 가능한 모든 프로그램에 적용될 수 있으며, zkVM은 다양한 애플리케이션에 적합한 범용 컴퓨팅 검증 플랫폼 제공을 목표로 하고 Rust, C/C++, Go 등 여러 프로그래밍 언어를 지원한다. 개발자는 익숙한 언어를 사용해 애플리케이션을 구축할 수 있다. 다만 계산 및 검증 과정은 전통적인 VM보다 시간이 더 소요된다. 제로지식 증명 생성이 계산 집약적인 과정이기 때문에 막대한 컴퓨팅 자원이 필요하며, 이는 트랜잭션 처리 속도(TPS)를 상당 부분 제한한다. 현재의 zk 기술은 단일 증명 생성에서 상당한 진전을 이루었지만, 고부하 조건에서 대규모 트랜잭션을 처리하는 능력은 여전히 제한적이다. 각 증명 생성에는 수초에서 수분이 소요될 수 있어 대규모 결제 처리 시스템과 같이 고처리량이 요구되는 애플리케이션에 한계를 초래한다.
zkEVM은 zkVM의 특정 구현 형태로서 이더리움 생태계를 위해 설계되었으며, 제로지식 증명을 통해 이더리움의 확장성을 강화하는 것을 목표로 한다. Solidity 및 Vyper와 같은 기존 이더리움 스마트 계약 및 개발 도구와 완전 호환되므로 기존 이더리움 애플리케이션은 수정 없이도 zkEVM으로 원활하게 마이그레이션할 수 있다. 따라서 zkEVM은 이더리움의 특화된 최적화 버전이라고 볼 수 있다.
zkVM 관련 프로젝트
zk 기술의 난관에도 불구하고 일부 프로젝트들은 zkVM 솔루션 개발에서 기술적 역량을 입증하고 있다.
Jolt: 뛰어난 성능
4월 9일, a16z는 zkVM 솔루션 Jolt의 초기 구현을 발표했다. Jolt는 새로운 유형의 zkVM으로 빠른 실행 속도와 개발자 친화적인 확장성 및 코드 감사 용이성이 주요 특징이다.
기타 STARK 프레임워크 기반 zkVM과 달리 Jolt는 Lasso 조회 매개변수와 sumcheck 기반 기술을 활용한다. 이러한 혁신적인 접근법은 새로운 가상 머신 명령어 구현을 단순화할 뿐 아니라 시스템 전반의 속도를 향상시킨다. Jolt는 사용 편의성과 효율성을 강조하며 코드베이스가 매우 간결하여 Jolt의 각 CPU 명령어는 50줄의 Rust 코드로 구현된다. 또한 초기 벤치마크 테스트에서 RISC Zero보다 제로지식 증명 생성 속도가 5배 이상, SP1보다는 2배 이상 빠른 뛰어난 성능을 보였다.
RISC Zero: 복잡한 계산의 효율적 처리
RISC Zero는 재귀적 SNARK 구조를 갖춘 zkVM으로, 증명을 서로 중첩할 수 있는 재귀적 방법을 채택한 것이 특징이다. SNARKs 기술에서 재귀는 복잡한 증명을 더 작고 관리하기 쉬운 작은 증명들로 분해할 수 있게 해준다. 이러한 소규모 증명은 독립적으로 검증 가능하며 최종적으로 무결성을 유지한 채 하나의 통합된 큰 증명으로 병합된다. RISC Zero의 독특한 점은 다단계 증명을 단일 증명 체인에 원활하게 통합하는 방식에 있으며, 이를 통해 계산 부하와 처리해야 할 데이터 양을 줄이면서도 여러 계산 단계에서 검증 과정의 보안성과 무결성을 유지할 수 있다.
RISC Zero의 또 다른 차별점은 RISC-V 명령어 세트를 사용한다는 점이다. RISC-V는 확장성과 유연성을 목표로 설계된 오픈 스탠다드 ISA(Instruction Set Architecture)로, 광범위한 도구와 생태계 지원을 활용할 수 있어 전용 또는 덜 보편적인 아키텍처를 사용하는 다른 zkVM에 비해 기존 시스템에 통합하기 쉽고 접근성이 높다.
지난해 RISC Zero는 4000만 달러 규모의 A 라운드 펀딩을 성공적으로 마쳤다. 이번 라운드는 Blockchain Capital이 주도했으며 Bain Capital Crypto, Galaxy Digital, IOSG Ventures, RockawayX, Maven 11, Fenbushi Capital, Delphi Digital 등 유명 투자사들이 참여했다.
Succinct: 개발자 친화적 설계
Succinct는 zkVM SP1을 개발했는데, SP1은 Rust 또는 LLVM을 통해 컴파일 가능한 다른 언어로 작성된 코드 실행을 위해 맞춤화되어 유연성과 사용 용이성이 뛰어나다. SP1은 모듈화 아키텍처를 지원하여 개발자가 '사전 컴파일(precompile)'을 통해 기능을 맞춤 설정하고 확장할 수 있도록 한다. 사전 컴파일은 개발자가 추가하거나 수정할 수 있는 특정 모듈로, 핵심 가상 머신의 기능을 강화하여 특정 작업이나 연산을 더욱 효율적으로 처리할 수 있게 한다.
또한 SP1은 탈중앙화된 증명자 네트워크를 구축하여 증명 배포와 실행을 단순화함으로써 고급 암호화 기술 사용 장벽을 낮췄다. 이 네트워크를 통해 개발자는 클릭 한 번으로 효율적으로 증명을 생성할 수 있으며, 사용을 간소화한 방법을 제공한다.
3월, Succinct는 5500만 달러 규모의 펀딩을 완료했다. 이번 펀딩은 Paradigm이 주도했으며 Robot Ventures, Bankless Ventures, Geometry 등이 참여했고 Eigenlayer의 Sreeram Kannan, Polygon 공동 창립자 Sandeep Nailwal 등 앵젤 투자자들도 함께했다. 5월 13일, Succinct는 SP1 테스트넷 출시를 발표했다.
Taiko: 다중 증명 시스템
Taiko는 기존 zkEVM 사용에서 zkVM으로 전환하고 있으며, 그 zkVM의 차별점은 다중 증명 시스템(multi-proof system)의 활용이다. 다중 증명 개념은 비탈릭(Vitalik)이 제안한 것으로, Taiko는 이를 실제로 구현한 첫 번째 프로젝트라고 밝히며 오는 5월 말 메인넷 출시 시 바로 이 다중 증명 시스템을 지원할 예정이다. 이 시스템은 Taiko의 zkVM이 다양한 유형의 증명을 생성할 수 있게 하여 시스템의 보안성과 안정성을 향상시킨다. 한 가지 유형의 증명에 문제가 발생하더라도 다른 유형의 증명이 계속해서 시스템의 정상 작동을 보장하고 오류 상태 전환을 즉시 탐지할 수 있다. 또한 Halo2-KZG 증명 시스템을 채택하여 복잡한 계산과 대규모 트랜잭션 처리에서도 효율성과 저비용을 유지할 수 있다.
3월, Taiko는 Lightspeed Faction, Hashed, Generative Ventures, Token Bay Capital이 공동 주도한 1500만 달러 규모의 A 라운드 펀딩을 완료했으며 Wintermute Ventures, Flow Traders, Amber Group, OKX Ventures, GSR 등이 참여했다.
ZKM: 간단하고 안정적인 MIPS 아키텍처
ZKM은 Metis 재단이 육성한 zkVM 프로젝트로, MIPS 아키텍처를 채택하여 이를 제로지식 증명 기술과 결합해 zk 가상 머신을 구축했다. 이 설계는 ZKP를 시스템 내부의 계산 처리 방식과 더욱 밀접하게 일치시켜 작업 속도를 높이고 별도의 ZKP 프로토콜 구현에 따른 계산 오버헤드를 줄인다. 대부분의 zkVM이 Rust 언어를 사용하는 것과 달리 ZKM은 Golang 언어를 기본 지원한다.
MIPS(Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages)는 최초의 RISC(정교하지 않은 명령어 세트 컴퓨터) 아키텍처이다. MIPS 명령어 세트는 비교적 단순하고 안정적이며 다양한 컴퓨팅 장치와 임베디드 시스템에 폭넓게 적용 가능하여 우수한 범용성과 적응성을 갖춘다. 이러한 MIPS 아키텍처 기반의 ZKM 시스템은 개발과 배포가 더욱 용이하다.
zkMIPS는 전체 MIPS 프로그램을 여러 세그먼트로 나누고 각 세그먼트의 명령어를 네 가지 유형으로 분류하여 해당하는 네 개의 모듈 테이블에 배치한다. zkMIPS는 STARK 증명 방법을 사용해 각 모듈 테이블 내 명령어를 독립적으로 검증하여 테이블 내 모든 작업이 정확하고 각 프로그램 세그먼트의 모든 명령어가 해당 모듈 테이블에 포함되어 있음을 확인한다. 이후 각 프로그램 세그먼트의 실행 순서가 전체 프로그램 실행과 일치하는지도 검증한다. 이 방식을 통해 체인 외부에서 실행된 프로그램도 체인 상에서 검증 가능하게 되어 프로그램 실행의 투명성과 신뢰도를 강화한다.
최근 ZKM은 zkMIPS를 활용해 신뢰를 최소화한 멀티체인 상호 운용성 인프라 'Entangled Rollups'를 출시했다. 이를 통해 신뢰 없이 탈중앙화된 멀티체인 상호 운용 프레임워크를 구축한다. 제3자 zk 브릿지는 자산 이전을 스냅샷으로만 검증하지만, ZKM은 모든 계산 자체가 검증 가능하므로 매우 안전하다. 이러한 상호 운용성의 핵심은 하나의 블록체인에서 증명을 생성하고 다른 블록체인에서 검증할 수 있는 범용 증명 메커니즘이 존재한다는 점이다. ZKM은 다른 zkVM과의 차이점 중 하나로 모든 작업에 적용 가능한 단일 제로지식 증명을 생성할 수 있다는 점을 들 수 있다. ZKM은 보안성을 CPU/MIPS 아키텍처의 저수준에 내장시킴으로써 이 아키텍처 위에서 동작하는 모든 소프트웨어가 별도의 제로지식 증명 과정 없이 동일한 수준의 보안을 누릴 수 있도록 한다.
또한 ZKM의 주요 특징은 다음과 같다:
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모든 가상 머신과 호환: ZKM은 각 가상 머신 아래에 위치하여 MoveVM(zkMVM), WASM(zkWASM), RustVM(zkRVM) 등 다양한 블록체인 스마트 계약 엔진 VM과 호환된다.
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플러그 앤 플레이: 개발자는 기존 코드베이스를 변경하지 않고도 ZKM을 도입할 수 있어 저렴한 도입 비용을 제공하며 다양한 스마트 계약 언어뿐 아니라 전통적인 프로그래밍 언어까지 사용할 수 있다.
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장기적 안정성: MIPS 명령어 세트는 안정성이 뛰어나 지속적으로 변화하는 EVM에 따라 명령어 세트를 변경할 필요가 없어 개발자에게 보다 안정적인 환경을 제공한다.
zkVM의 미래 전망
블록체인 기술의 지속적인 성숙과 선도 기업들의 끊임없는 탐구 속에서 zkVM의 성능은 계속해서 향상되고 있으며, 우리는 zkVM이 암호화 세계에서 점점 더 중요한 역할을 하여 핵심 기술의 일원이 될 것으로 기대할 수 있다. 특히 데이터 민감도와 크로스체인 보안성에 대한 요구가 높아지는 현 시점에서 zkVM이 제공하는 기능은 시장 수요에 잘 부합한다. 회로 최적화 및 증명 시스템 자체의 최적화 등 다양한 기술적 난제들을 극복하고, 다양한 프로그래밍 언어에 완벽하게 적합한 zkVM을 출시하여 더 많은 개발자들이 Web3의 새 시대로 나아가기를 기대한다.
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