4月10日、a16z Cryptoは、ブロックチェーンのスケーリング操作を加速し、簡素化することを目的としたzkEVMソリューションのJoltをリリースしました。Joltは、SNARKゼロ知識証明を統合して、EVM互換のRollupsのためのフレームワークを提供し、開発者がSNARKベースのL2ソリューションを作成するのを支援します。チームは、Joltの速度が既存のzkVMソリューションと比較して「2倍速い」と述べています。

Joltの技術原則は比較的複雑ですので、関与するかもしれないいくつかの技術用語の簡単な説明をこちらに示します。

zkSNARKは強力なゼロ知識証明の原始であり、zkVMとzkEVMを構築する基盤となっています。

zkVMは、任意の命令セットをサポートするゼロ知識仮想マシンの一般的な概念です。

zkEVMは、EVMとの互換性を特に考慮して設計されたzkVMの特定のインスタンスです。

ZK Rollupは、プライバシーを維持しながらEthereumのスケーラビリティを向上させるためにzkVMまたはzkEVMを使用しています。

Joltとは何ですか？

Joltは、より簡潔で効率的なzkVM（ゼロ知識仮想マシン）の構築手法を提供する革新的なSNARKソリューションです。実際、a16z Cryptoは早くも2023年8月にLassoとJoltというコンセプトを提案しました。これらの技術は、SNARK技術の遅延とコストの高さに対抗するために紹介されました。

これらの概念の1つであるLassoは、検証者のコストを大幅に削減する新しいパラメータルックアップ方法です。一方、Joltは、Lassoを活用してzkVMおよびより広いフロントエンドアプリケーション向けのSNARKsを設計するための新しいフレームワークを提供しています。これらを組み合わせることで、SNARKデザインのパフォーマンス、開発者体験、監査可能性が向上し、それによりweb3アプリケーションの構築が改善されます。これにより、ブロックチェーン領域でのゼロ知識証明の利用が促進されます。

Joltに入る前に、zkVMとzkEVMを理解すると役立つかもしれません。

zkVMは、ゼロ知識仮想マシンを指す一般的な概念です。zkEVMと同様に、zkVMを使用すると、C++やRustなどの高水準言語でプログラムを記述し、その後、仮想マシンによって中間表現（回路や算術制約など）の形式にコンパイルすることができます。この中間表現は、zkSNARKなどの証明システムを使用して正しく実行されることが証明されます。zkEVMとは異なり、zkVMはEVM互換に限定されず、任意の命令セットをサポートしています。Joltは、RISC-V命令セット向けに設計された高性能なzkVMの実装です。

私たちは、zkVMを特別な「ブラックボックス」と考えることができます。これは、外部の世界に証明することができますが、プライバシーを保護しながら、あらかじめ定義されたプログラムに従って計算を実行したことを証明することができます。しかし、従来のzkVMは、この証拠を生成するために複雑で煩雑な計算が必要であり、非常にパフォーマンスが悪い結果となっています。

Joltのコアイノベーションは、この証明を生成するためのより効率的な数学的アプローチを見つけることにあります。

ます、ジョルトは、証明される計算を特殊な種類の多項式に巧妙に変換します、この多項式を「計算多項式」と呼びます。この多項式の特性は、その値がブラックボックスが計算を正しく実行した場合にのみゼロであることです。

「計算多項式」の値がゼロであることを証明するために、Joltは「sumcheck」と呼ばれるインタラクティブプロトコルを使用しています。このプロトコルにより、検証者は多項式全体を計算する必要なく、多項式の値がゼロであることをより短い時間で納得することができます。これは、教師が生徒のテスト用紙のわずかな問題のみをチェックして全体の用紙が正しいかどうかを判断するのに似ています。

ジョルトの技術的な利点

Joltの技術原則はかなり複雑ですが、単純に述べると、zkVMはブロックチェーンネットワークのスケーラビリティを向上させるための主要技術であり、効率的な証明を提供しながらプライバシーを保護することができます。 Vitalikは最近の香港Web3 Carnivalでの基調講演で、zkSNARK技術について詳しく議論しました。 Vitalikは、「ZKSNARKSを見つけることは、プライバシーとスケーラビリティに非常に役立つ」と述べています。

ただし、証明生成の速度と計算オーバーヘッドは、zkSNARK技術の実用化において常に大きな課題となっており、ここ数年の学術および産業研究の焦点となっています。PinocchioやGroth16などの従来のzkSNARKスキームは、複雑な計算の証明を生成するのに数時間、あるいは数日を要し、かなりのメモリとストレージリソースを必要とします。この性能ボトルネックは、zkSNARKの実用化を多くの実践的なシナリオで制限しています。

ブロックチェーンネットワーク上で大規模なアプリケーションを可能にし、リアルタイム検証を実現するために、zkSNARKのパフォーマンス向上は重要なステップです。

具体的には、zkSNARKの証明生成プロセスは、楕円曲線ペアリングや多項式補間などの複雑な暗号アルゴリズムを含み、膨大な計算リソースを消費します。特に、計算された回路のサイズが大きい場合、証明生成の計算量は指数関数的に増加します。

a16z Cryptoによると、Joltの最初の実装は、RISC Zeroよりも約6倍、最近リリースされたSP1よりも約2倍高速です。さらに、彼らは今後数週間でJoltの速度を約1.5倍向上させる予定です。

現在、Joltのスピードは既存のzkVMよりも既に2倍以上速くなっていますが、まだ最適化の余地が大きくあります。Joltは多項式の代数的性質を巧みに利用して、より効率的な多項式コミットメントスキームを実現し、証明のサイズと検証時間をさらに削減しています。

可能な変更点Jolt Will Bring

エンジニアリングの観点から、Joltは、よりコンパクトな回路設計、効率的なパイプライン、そしてより大規模な並列化など、ハードウェアコンピューティングパワーの利用を最大化するために、一連の最適化技術を採用しています。

あなたがWeb3開発者であり、Ethereum上で分散型ポーカーゲームを展開したいとします。このゲームでは、オンチェーンでのシャッフル、配布、およびカードランクの比較が必要であり、それぞれの操作はプライバシーと検証可能性のためにzkVM回路を介して実装する必要があります。

既存のZoKratesやBellmanなどのzkVMソリューションを使用する場合、このような回路を構築するのには数時間、あるいは数日かかるかもしれません。これは、zkVMの現在のパフォーマンスが比較的低いためであり、複雑な回路のためにゼロ知識証明を生成するには、かなりの計算リソースと時間が必要です。これにより、開発およびテストサイクルが長くなる可能性があります。

ただし、同じ回路を構築するためにJoltを使用すると、状況は大幅に変わります。Joltチームによるテストによると、Joltの現行実装は、主流のzkVMソリューションよりも2〜5倍高速に証明を生成できることがあります。つまり、証明を生成するのに10時間かかった場合、今では2〜5時間で済むかもしれません。

全体的に、Joltによってもたらされた2〜5倍の性能向上は、zkVMテクノロジーの使いやすさとアクセシビリティの大幅な向上を意味しています。これにより、Web3開発者の障壁が大幅に低下し、アプリケーション開発サイクルが短縮され、エンドユーザーにとってより良いユーザーエクスペリエンスが提供されます。将来を見据えると、JoltはzkVMテクノロジーの広範な採用を加速させる可能性があり、Web3エコシステムにおいてプライバシー保護と検証可能なコンピューティング能力の向上を受けて、より多くのユーザーが恩恵を受けることができるでしょう。

もちろん、Joltはまだ開発初期段階にあり、2-5倍のパフォーマンス向上はその始まりに過ぎません。Joltテクノロジーの継続的な繰り返しと最適化により、zkVMのパフォーマンス向上にさらなる突破が期待され、最終的には大規模なWeb3アプリケーションの実現の道を開くことになるでしょう。

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