RISC Zero 제품 라인업을 해독하다: 이더리움의 ZK 기반 미래를 실현하는 방법
글: LINDABELL
최근 열린 Devcon 회의에서 이더리움 재단 핵심 멤버 저스틴 드레이크는 zkSNARK 및 zkVM 기술을 활용해 이더리움 컨센서스 레이어를 업그레이드하는 '빔 체인(Beam Chain)' 제안을 발표했다. 이 계획은 네트워크의 확장성, 보안성 및 효율성을 향상시키는 것을 목표로 하며, 이러한 비전으로 인해 다시 한번 zkVM의 중요성이 조명되고 있다. 일반적인 제로지식 가상머신(zkVM)은 복잡한 연산을 더욱 유연하고 효율적인 방식으로 처리할 수 있을 뿐 아니라, 전통적인 스마트 계약 로직에 대한 의존도를 줄일 수 있다.
이러한 추세 속에서 RISC Zero, Succinct, Cysic 등의 프로젝트들은 해당 분야의 혁신을 주도하는 중요한 참여자로 주목받고 있다. 특히 RISC Zero는 RISC-V 아키텍처 기반의 zkVM을 바탕으로 Zeth, Kailua, Bonsai 등 일련의 오픈소스 도구를 개발하여 블록 검증과 롤업(Rollup) 성능을 향상시켰으며, 이더리움의 제로지식화(ZK-화) 업그레이드에 기술적 지원을 제공하고 있다.
RISC zkVM 생태 제품 매트릭스: 핵심 기술부터 시나리오 적용까지
RISC Zero는 RISC-V 명령어 세트 아키텍처를 기반으로 한 zkVM 구현체로서, 범용 제로지식 컴퓨팅 플랫폼으로서 Rust 및 C++ 등 다양한 주요 프로그래밍 언어를 지원하며 거의 모든 종류의 계산 작업을 실행할 수 있다. 다른 제로지식 기술 플랫폼들과 비교했을 때, RISC Zero의 증명자(prover)와 검증자(verifier)는 완전히 오픈소스이며, 개발자는 로컬 환경에서 증명 생성 및 검증이 가능하다. 또한 RISC Zero의 검증기는 다양한 플랫폼과 호환되어 서로 다른 블록체인 생태계에 적응할 수 있어 탈중앙 애플리케이션 개발 절차를 단순화한다.
올해 6월, RISC Zero는 zkVM 1.0을 공개했다. zkVM 1.0은 다수의 언어와 복잡한 계산 작업을 지원할 뿐 아니라 Continuations 기술을 활용해 대규모 계산을 여러 작은 조각으로 나누어 고속의 병렬 계산 및 검증을 실현한다. 로드맵에 따르면, RISC Zero는 2024년 말까지 zkVM의 성능과 비용을 20배 향상시키는 것을 목표로 하고 있으며, 이를 위한 최적화 내용에는 증명 프로세스를 GPU로 완전히 이전(현재 80% 완료), 새로운 RISC-V v2 회로 설계 도입, 재귀 회로 특화 최적화 등이 포함된다. 동시에 RISC Zero는 RSA, Keccak, ECDSA 등 알고리즘을 위한 가속 모듈을 통합 중이며, 이를 통해 이더리움 관련 작업 및 암호화 연산의 성능을 향상시키고 있다.
zkVM의 핵심 역량을 중심으로 RISC Zero는 일련의 오픈소스 도구와 제품들을 추가로 개발했다. 예를 들어, Bonsai 네트워크를 통해 증명 서비스를 제공함으로써 개발자가 전용 하드웨어 없이도 제로지식 증명을 생성할 수 있게 되었고, Steel 도구를 사용하면 복잡한 EVM 연산을 오프체인 환경에서 실행하면서 결과의 검증 가능성을 유지함으로써 온체인 실행 비용을 낮출 수 있다. Blobstream Zero는 Celestia의 데이터 가용성 레이어와 연결함으로써 모듈형 블록체인 생태계 내에서의 데이터 공유 및 검증에 더 많은 가능성을 제공한다.
Zeth: 전체 이더리움 블록이 정확하게 구성되었음을 증명
Zeth는 RISC Zero가 자체 zkVM 기술을 기반으로 개발한 오픈소스 이더리움 제로지식 블록 증명기로, 전통적인 검증자나 동기화 위원회에 의존하지 않고 제로지식 증명을 통해 이더리움 블록의 유효성을 검증할 수 있다. RISC Zero는 Zeth를 Type-0 zkEVM으로 정의하며, 이는 이더리움 프로토콜과 완전히 호환되면서 코드 재사용을 통해 개발 효율성을 높였다는 의미이다.
이더리움 공동 창립자 비탈릭 부테린은 글 「Different types of zk-EVMs」에서 zkEVM을 네 가지 유형으로 분류했다. Type-1은 이더리움과 완전하고 타협 없는 동등성을 추구하며, Type-2는 EVM과는 완전히 동등하되 이더리움 전체와는 완전히 동등하지 않다. Type-3는 거의 EVM과 동일하며, Type-4는 이더리움과 전혀 호환되지 않는다.
RISC Zero zkVM의 높은 성능 덕분에 Zeth는 몇 분 안에 이더리움 블록 검증을 완료할 수 있다. 테스트 데이터에 따르면 Zeth는 초당 1.1MHz의 속도로 블록 증명을 생성할 수 있으며, ‘계속 실행(continuations)’ 기능을 통해 GPU 클러스터를 확장해 속도를 4.7MHz에서 6.3MHz까지 끌어올릴 수 있다. 이러한 성능 최적화는 증명 생성 비용도 낮춘다. 테스트 결과, 182건의 트랜잭션을 포함한 블록의 증명 생성 비용은 21.72달러에 불과하며, 개별 트랜잭션당 비용은 약 0.11달러 수준이다.
또한 Zeth 개발 과정에서 RISC Zero 팀은 revm, ethers, alloy와 같은 Rust 생태계 컴포넌트를 충분히 활용해 개발자가 빠르게 블록 증명 기능을 구현하고 다양한 시나리오에 적용할 수 있도록 했다. 이러한 설계는 개발자에게 더 큰 유연성을 제공하며, 필요에 따라 블록 생성 로직을 조정하고 향후 이더리움 개선 제안(EIP)에 대비할 수 있게 한다.
응용 측면에서 Zeth는 zk Rollup, 경량 클라이언트, 크로스체인 브릿지에 효율적인 해결책을 제공한다. 전통적인 zk Rollup과 zkEVM 구축은 막대한 시간과 자금을 소모해 소규모 팀들에게 진입 장벽이 된다. 반면 Zeth는 모듈화된 zkVM 아키텍처를 기반으로 개발자가 블록 검증 로직을 쉽게 맞춤 설정할 수 있게 한다. 예를 들어:
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zk Rollup: Zeth는 블록 증명을 신속하게 수행해 ZK Rollup의 개발 주기를 단축하고 자본 투입을 줄일 수 있다.
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경량 클라이언트: 블록을 다시 구성하지 않고도 블록 유효성을 검증할 수 있어 운영 비용을 낮춘다.
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크로스체인 브릿지: Zeth는 ZKP를 통해 체인 상의 민감 정보를 노출하지 않으면서도 크로스체인 데이터의 정확성을 검증할 수 있으므로, 제3자에 대한 신뢰 의존도를 줄이고 크로스체인 공격 위험을 낮춘다.
올해 5월, Zeth는 이더리움 메인넷에서 Optimism 블록 데이터를 추출하고 그 정확성을 ZKP로 검증하며, 체인 상에서도 검증 가능한 기능까지 확장하는 데 성공했다. 즉, Zeth를 활용하면 Optimism이 거래를 보다 효율적으로 검증하고 거래 분쟁을 해결할 수 있다.
Bonsai: 개발자가 자체 하드웨어 없이 증명 생성 가능
Bonsai는 zkVM 애플리케이션을 위한 원격 증명 서비스로, 개발자가 자신의 하드웨어를 사용하지 않고도 증명을 생성할 수 있게 함으로써 온체인 계산 자원의 제한성과 높은 비용 간의 모순을 해결한다. Bonsai를 통해 개발자는 실행할 zkVM 애플리케이션과 입력 데이터만 정의하면, Bonsai가 백엔드에서 계산을 수행하고 해당 제로지식 증명을 생성한다. 이 과정에서 개발자는 별도의 하드웨어 장비를 배포할 필요가 없다. 또한 Bonsai는 대규모 GPU 클러스터를 활용해 여러 계산 작업을 병렬 처리할 수 있다. 더불어 Bonsai는 간결하고 사용하기 쉬운 API 및 SDK 인터페이스를 제공하여 기존 시스템에 쉽게 통합할 수 있도록 해 개발 난이도를 더욱 낮춘다.
이러한 원격 증명 서비스를 기반으로 RISC Zero는 오픈소스 도구 Bonsai Pay를 출시했다. Bonsai Pay는 OAuth2.0 신원 인증과 ZKP 기술을 결합해 사용자가 Google 계정을 통해 이더리움 네트워크에서 토큰을 송수신할 수 있도록 한다. 예를 들어, 앨리스가 밥에게 자금을 송금하고자 할 경우, Bonsai Pay에 밥의 Google 이메일과 송금 금액을 입력할 수 있다. 이후 밥은 Bonsai Pay에 로그인하여 이메일 주소를 입력하고 Google 계정 인증을 완료한다. Bonsai Pay는 OAuth 2.0을 이용해 권한 토큰을 생성하여 밥이 실제로 해당 이메일 소유자임을 입증한다. 이후 Bonsai Pay는 Bonsai 증명 서비스를 호출해 제로지식 증명을 생성함으로써 밥의 Google 계정과 지갑 주소가 연결되어 있음을 증명한다. 스마트 계약은 증명을 검증한 후 자금을 잠금 해제하고 밥의 지갑 주소로 송금한다.
이 과정에서 Bonsai Pay는 ZKP 기술을 통해 "밥의 Google 계정이 지갑 주소와 연결되어 있다"는 사실을 검증하면서도 Google 계정의 구체적인 정보는 전혀 노출하지 않는다.
Bonsai의 또 다른 주요 응용은 Bonsai ZK 코프로세서(ZK Co-processor)이다. ZK 코프로세서는 제로지식 증명 기술을 통해 복잡한 계산 작업을 온체인에서 오프체인으로 이전하고, 변조 불가능한 증명을 생성하여 결과의 정확성을 보장한다. 또한 ZK 코프로세서의 배포는 매우 간단하며, 개발자는 논리를 처리할 zkVM 애플리케이션을 작성한 후 간단한 Solidity 계약을 통해 Bonsai를 호출하여 계산을 실행하고 결과를 검증하면 된다. 이 과정에서 Bonsai 증명 서비스는 오프체인 계산에 대한 제로지식 증명을 생성하며, 이러한 증명은 체인 상에서 검증될 수 있다.
Bonsai ZK 코프로세서는 고성능과 저비용이 요구되는 온체인 애플리케이션에 적합하다. 예를 들어 DAO 거버넌스에서는 복잡한 투표 계산을 오프체인으로 이전해 체인 상의 가스 비용을 크게 줄일 수 있다. Bonsai DAO Governor는 코프로세서를 통해 개별 투표 당 가스 비용을 50% 이상 절감하여 거버넌스 효율성을 높이고 참여 장벽을 낮췄다.
Boundless: 검증 가능한 컴퓨팅 레이어
기존 블록체인 아키텍처에서는 거래의 유효성을 보장하기 위해 모든 노드가 각 거래의 모든 계산을 반복해서 수행해야 한다. 이러한 '전역 재실행(global re-execution)' 모델은 보안성과 일관성을 보장한다는 장점이 있지만, 동시에 매우 높은 계산 비용을 수반한다. 이 문제를 해결하기 위해 RISC Zero는 Boundless를 출시했다. Boundless는 단일 노드가 계산을 완료한 후 검증 가능한 제로지식 증명을 생성하면, 다른 노드는 해당 증명만 검증함으로써 결과를 확인할 수 있고, 계산을 반복할 필요가 없다.
Boundless는 재귀적 조합 기술을 통해 검증 과정을 단순화한다. 여러 개의 작은 제로지식 증명을 하나의 통합 증명으로 결합하여 검증자가 모든 단계의 증명을 일일이 검증하지 않고 하나의 최종 증명만 확인하면 된다. 제로지식 증명 생성 효율을 더욱 최적화하기 위해 Boundless는 해시 연산, 디지털 서명 검증 등 일반적인 작업의 효율을 높이기 위한 전용 암호학 가속 회로를 내장하고 있다.
또한 개발자는 Boundless를 사용할 때 제로지식 기술에 대해 깊이 이해할 필요 없이 익숙한 프로그래밍 언어(예: Rust 또는 Solidity)로 애플리케이션을 작성할 수 있다. 현재 Boundless는 개발자에게 무료로 접근이 가능하며, 기존 시스템을 마이그레이션하거나 검증 계약을 업데이트하지 않아도 Boundless의 증명 서비스를 활용해 어떤 블록체인에서도 빠르게 제로지식 애플리케이션을 구축하고 배포할 수 있다.
Blobstream Zero: zkVM 기반 크로스체인 브릿지로 크로스체인 데이터 검증을 단순화
Blobstream Zero는 RISC Zero와 Celestia가 협력하여 출시한 zkVM 기반 크로스체인 브릿지로, Celestia의 데이터 가용성 레이어를 기존의 모듈형 블록체인 생태계에 원활하게 연결하는 것을 목표로 한다. Celestia 상의 데이터를 공유하고 검증함으로써 Blobstream Zero는 체인 간 데이터 전송 및 검증을 보다 용이하게 만든다.
완전히 오픈소스인 공공재로서 Blobstream Zero는 어떤 프로젝트나 개발자라도 로컬 인스턴스를 실행하고 제로지식 증명을 생성할 수 있도록 허용한다. 또한 Blobstream Zero는 ZK 코프로세서를 지원할 수도 있다. ZK 코프로세서는 본질적으로 오프체인 계산 도구이므로 신뢰할 수 있는 데이터를 기반으로 계산을 수행해야 하는데, Blobstream Zero는 Celestia 등 블록체인에서 데이터를 가져와 ZK 증명을 생성함으로써 전송된 데이터의 신뢰성을 입증할 수 있다.
Steel: 오프체인 실행과 온체인 검증이라는 스마트 계약의 새로운 패러다임
Steel은 RISC Zero가 출시한 오픈소스 도구로, zkVM 기술을 활용해 오프체인에서 검증 가능한 스마트 계약 실행을 실현한다. Steel을 통해 개발자는 EVM 작업을 온체인에서 오프체인으로 이전하여 실행하면서 제로지식 증명을 생성함으로써 계산 결과의 진실성과 검증 가능성을 보장할 수 있다.
기존 스마트 계약은 모든 로직을 온체인에서 완전히 실행해야 하므로 가스 비용이 매우 높을 뿐 아니라 복잡한 애플리케이션 개발에도 제약이 따른다. 반면 Steel의 오프체인 계산 및 온체인 검증 메커니즘은 이러한 문제를 해결한다. 예를 들어, 특정 계좌의 ERC20 잔액이 1보다 큰지를 판단하고 카운터 변수를 증가시키는 간단한 스마트 계약이 있다고 하자. 기존 방법은 온체인에서 로직을 완전히 실행해야 하지만, Steel은 오프체인에서 계산을 완료하고 제로지식 증명을 생성하며, 온체인에서는 증명만 검증하면 되고 계약 로직을 반복 실행할 필요가 없다.
현재 RISC Zero는 이미 Steel 1.0을 출시했으며, 일부 파트너사는 이를 활용해 애플리케이션을 성공적으로 개발했다. 예를 들어, 약 40만 번의 SLOAD 작업을 처리하는 계약 호출에서 Steel을 통해 계산을 오프체인으로 이전한 후 온체인에서 생성된 제로지식 증명을 검증했다. 증명 생성 비용은 10달러 미만이며, 온체인 검증 비용은 30만 가스 미만이다.
Kailua: 롤업 아키텍처 혁신을 추진하는 하이브리드 ZK 솔루션
Zeth 출시 이후, RISC Zero는 Kailua를 출시하여 낙관형 롤업(Optimistic Rollup)에 하이브리드 ZK 롤업 업그레이드 방안을 제공하고자 했다. 기존 낙관형 롤업은 일반적으로 7일간의 도전 기간을 필요로 해 거래 종결성이 느린 반면, ZK 롤업은 빠른 종결성을 제공하지만 지속적인 제로지식 증명 생성 비용이 너무 높다. Kailua는 두 방식의 장점을 결합한 하이브리드 아키텍처를 통해 비용과 효율 사이의 균형을 실현한다. Optimism Kona 프레임워크의 확장판으로, Kailua는 수정되지 않은 Kona를 zkVM 상에서 실행할 수 있을 뿐 아니라 혁신적인 분쟁 해결 메커니즘을 도입해 담보 요구를 낮추고 종결성 지연을 줄여 시스템의 효율성과 가용성을 높였다.
Kailua 아키텍처에서 분쟁 메커니즘은 새로운 설계를 채택했다. 먼저, 분쟁 해결 메커니즘은 시간 제한을 폐지하여 검증자가 네트워크 중단 등의 특수 상황에서도 충분한 시간을 갖고 증명을 생성할 수 있도록 하여 시스템의 탄력을 강화한다. 극단적인 상황에서도 RISC Zero zkVM의 확장 아키텍처는 1시간 이내에 증명을 완료할 수 있다. 또한 Kailua의 필요 시 검증(on-demand verification) 기능은 개발자가 검증 빈도를 유연하게 구성할 수 있게 해주며, 더 낮은 비용으로 완전 검증 롤업 모드로 점진적으로 전환할 수 있도록 한다.
ZK 롤업과 달리 Kailua는 지속적인 증명 생성이 필요 없다. 낮은 빈도의 공백 블록이나 특수한 계약 요구가 있는 롤업의 경우, Kailua는 비용 효율적인 선택지를 제공한다. 동시에 Kailua는 롤업의 담보 비용 요구도 크게 낮춘다. 기존 낙관형 롤업의 담보량은 긴 종결성 주기에 따라 선형적으로 증가하지만, Kailua의 최적화 설계는 담보 요구를 고정시켜 시스템이 장기간에도 더 낮은 비용으로 보안성과 활성화를 유지할 수 있도록 한다.
현재 Kailua는 완전히 오픈소스로 공개되었다. 개발자는 명령줄 도구를 사용해 로컬 Optimism 테스트 네트워크를 배포하고, 빠르게 ZK 오류 증명을 지원하는 네트워크로 업그레이드할 수 있다. Kailua는 오류 제안 시뮬레이션도 지원하여, 개발자가 검증자가 어떻게 zkVM을 통해 잘못된 상태를 도전하는지 이해하고 분쟁 해결 메커니즘을 심층적으로 파악할 수 있도록 돕는다. 앞으로 Kailua는 비용과 성능을 계속 최적화하고, 더 많은 롤업 프레임워크 지원으로 확장될 예정이다.
결론
위 내용에서 알 수 있듯이, RISC Zero의 zkVM 제품 매트릭스는 제로지식 증명 기술이 여러 분야에서 발전하도록 이끌고 있다. Zeth와 Kailua는 롤업 아키텍처 최적화에 집중하여 블록 검증 효율과 분쟁 해결 속도를 높였다. Bonsai는 원격 증명 서비스를 제공해 하드웨어 의존도와 운영 비용을 낮추고, 개발자가 애플리케이션을 보다 효율적으로 구축할 수 있도록 한다. Blobstream Zero는 크로스체인 데이터의 효율적인 검증을 통해 모듈형 블록체인 생태계에 신뢰할 수 있는 지원을 제공한다. 또한 Steel은 오프체인 계산과 온체인 검증 패턴을 통해 스마트 계약 실행의 가스 비용을 낮춘다.
물론 zkVM 제품 매트릭스를 지속적으로 완성해 나가는 동시에, RISC Zero는 zkVM의 핵심 기술 혁신도 꾸준히 추진하고 있다. 최근 RISC Zero zkVM은 1.2 버전을 출시하며, 새로운 사전컴파일 방식을 도입했다. 이 방식을 통해 개발자는 사전컴파일 로직을 애플리케이션과 함께 배포할 수 있으며, 이를 zkVM 자체에 내장시킬 필요가 없다. 즉, 개발자는 체인 상의 검증 계약을 수정하거나 증명자 설정을 조정할 필요 없이, zkVM을 포크하거나 중대한 변경 없이도 성능 최적화를 실현할 수 있다. 또한 애플리케이션 정의 사전컴파일을 통해 증명 생성 계산 비용도 줄일 수 있다. 예를 들어 Automata가 RSA 사전컴파일을 통합한 후, 실행 사이클이 3900만에서 21.7만으로 줄어들었으며, 비용이 약 180배 감소했다.
zkVM 기술이 지속적으로 최적화됨에 따라 그 잠재력은 다양한 응용 시나리오에서 점차 드러날 것이다. 그러나 이러한 잠재력을 더 잘 발휘하기 위해서는 여전히 생태계 협력과 기술 실현의 실제 성과에 의존해야 한다.
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