Contexte historique et développement des coprocesseurs
Dans le domaine de l'informatique traditionnelle, un coprocesseur est une unité de traitement qui partage les tâches complexes avec le CPU. Cette technologie est très répandue dans l'industrie informatique, par exemple, le coprocesseur de mouvement M7 lancé par Apple en 2013 a considérablement amélioré la sensibilité de détection de mouvement des appareils intelligents. Le GPU, bien connu, est le concept de coprocesseur proposé par Nvidia en 2007, principalement responsable des tâches de rendu graphique. Le GPU accélère les applications s'exécutant sur le CPU en traitant du code intensif en calcul, cette architecture est appelée "calcul hétérogène" ou "calcul hybride".
Le principal rôle d'un coprocesseur est d'assumer des tâches spécifiques complexes et exigeantes en performance, permettant ainsi au CPU de se concentrer sur des travaux plus flexibles et variés.
Dans le réseau Ethereum, il existe deux problèmes majeurs qui limitent le développement des applications :
Les frais de Gas élevés limitent le champ de développement des applications sur la chaîne. Une opération de transfert ordinaire nécessite 21000 Gas, ce qui est déjà le seuil bas des frais de Gas du réseau Ethereum. D'autres opérations, comme le stockage de données, consomment plus de Gas, ce qui entrave gravement l'adoption à grande échelle des applications et des utilisateurs.
Les contrats intelligents ne peuvent accéder qu'aux données des 256 blocs récents. À l'avenir, avec la mise à niveau de Pectra et la mise en œuvre de la proposition EIP-4444, les nœuds complets ne stockeront plus les données des blocs passés. Ce manque de données rend difficile l'émergence d'applications innovantes basées sur les données, ce qui impacte le développement d'applications gourmandes en données sur la blockchain, telles que Tiktok et Instagram.
Ces problèmes révèlent que la capacité de calcul et la disponibilité des données sont les principales raisons qui limitent l'adoption à grande échelle de nouveaux paradigmes de calcul. La blockchain Ethereum elle-même n'est pas conçue pour traiter de nombreuses tâches intensives en calcul et en données. Pour rendre ces applications compatibles, il est nécessaire d'introduire le concept de coprocesseur. La chaîne Ethereum elle-même agit comme un CPU, tandis que le coprocesseur est similaire à un GPU, traitant des tâches intensives en calcul et en données.
Avec le développement de la technologie des preuves à divulgation nulle de connaissance, pour garantir la fiabilité des calculs hors chaîne des coprocesseurs, la plupart des projets de coprocesseurs reposent sur des preuves à divulgation nulle de connaissance comme base technique.
Le champ d'application des co-processeurs ZK est très large, couvrant presque tous les scénarios d'application décentralisée réels, y compris les réseaux sociaux, les jeux, la DeFi, les systèmes de gestion des risques basés sur des données en chaîne, les oracles, le stockage de données, l'entraînement et l'inférence de grands modèles de langage, etc. Théoriquement, toutes les fonctionnalités que les applications Web2 peuvent réaliser, les co-processeurs ZK peuvent les réaliser sur la blockchain, tout en garantissant la sécurité des applications grâce à Ethereum en tant que couche de règlement finale.
Actuellement, la définition de l'accélérateur ZK dans l'industrie n'est pas encore complètement unifiée. ZK-Query, ZK-Oracle et ZKM peuvent tous être considérés comme des coprocesseurs, car ils aident à interroger les données complètes sur la chaîne, les données fiables hors chaîne et les résultats de calcul hors chaîne. Dans ce sens, le Layer2 est essentiellement un type de coprocesseur d'Ethereum.
Aperçu du projet de coprocesseur
Les projets de coprocesseurs actuellement les plus connus se concentrent principalement sur trois scénarios d'application : l'indexation des données on-chain, les oracles et ZKML. Parmi les projets de machines virtuelles ZK génériques, Delphinus se concentre sur zkWASM, tandis que Risc Zero se consacre à l'architecture Risc-V.
Architecture de la technologie de coprocesseur
Prenons l'exemple des coprocesseurs ZK génériques, nous analysons en profondeur l'architecture technique des trois projets Risc Zero, Lagrange et Succinct, afin de comprendre les similitudes et les différences dans la conception technique et mécanique de ce type de machine virtuelle générique, et ainsi évaluer les tendances de développement futures des coprocesseurs.
Risc Zero
Le coprocesseur ZK de Risc Zero s'appelle Bonsai, il construit un ensemble de composants de preuve à connaissance nulle indépendants de la blockchain. Bonsai est basé sur l'architecture d'ensemble d'instructions Risc-V, offrant une grande polyvalence et prenant en charge de nombreux langages de programmation tels que Rust, C++, Solidity et Go.
Les principales fonctionnalités de Bonsai incluent :
zkVM universel, capable d'exécuter n'importe quelle machine virtuelle dans un environnement à connaissance nulle / vérifiable.
Système de génération de preuves ZK pouvant être directement intégré dans des contrats intelligents ou des blockchains.
Rollup générique, distribuant les résultats de calcul prouvés sur Bonsai sur la chaîne.
Les composants clés de Bonsai comprennent :
Réseau des validateurs : reçoit et vérifie le code ZK, génère une preuve ZK.
Request Pool : Stocke les demandes de preuve initiées par les utilisateurs.
Moteur Rollup : collecte des résultats de preuve et les emballe pour les télécharger sur le réseau principal Ethereum.
Image Hub : plateforme de développement visuel pour les fonctions et applications.
État Stocké : stockage d'état hors chaîne.
Proving Marketplace : Marché de puissance de calcul de la chaîne d'approvisionnement ZK.
Lagrange
Lagrange vise à construire des coprocesseurs et des bases de données vérifiables, contenant des données historiques sur la blockchain, soutenant le développement d'applications sans confiance. Ses principales fonctionnalités incluent :
Base de données vérifiable : stockage des contrats intelligents sur la chaîne d'index, état enregistré dans la base de données.
Calcul basé sur le principe MapReduce : architecture zkMR prenant en charge l'exécution parallèle.
La conception de la base de données de Lagrange implique trois parties : le stockage des données de contrat, les données d'état EOA et les données de bloc. Elle crée une structure de données de bloc compatible avec les preuves SNARK, chaque nœud feuille étant un en-tête de bloc.
Le calcul de la machine virtuelle ZKMR de Lagrange se divise en deux étapes :
Map : Des machines distribuées effectuent une cartographie des données et génèrent des paires clé-valeur.
Réduire : Les ordinateurs distribués calculent séparément les preuves, puis les fusionnent.
ZKMR peut combiner des preuves de calculs de petite taille en une preuve de calcul global, étendant efficacement la capacité de preuve de calculs complexes.
Succinct
L'objectif de Succinct Network est d'intégrer des faits programmables dans tous les aspects du développement de la blockchain. Il prend en charge plusieurs langages de code, y compris Solidity et des langages spécialisés en zéro connaissance, qui peuvent être exécutés dans des coprocesseurs hors chaîne.
Le ZKVM hors chaîne de Succinct est appelé SP (Succinct Processor), prenant en charge Rust et d'autres langages LLVM. Ses caractéristiques principales incluent :
Technologie de preuve récursive basée sur les STARKs.
Support des wrappers de SNARKs à STARKs.
Architecture zkVM centrée sur la précompilation.
Comparaison des projets de coprocesseurs
Lors de la comparaison des coprocesseurs ZK généraux, nous prenons principalement en compte les aspects suivants :
Capacité d'indexation/synchronisation des données
La technologie adoptée (SNARKs vs STARKs)
Est-ce que la preuve récursive est supportée
L'efficacité du système de preuve
Situation de coopération écologique
Contexte de financement
Actuellement, les chemins technologiques des projets mainstream tendent à converger, utilisant tous des wrappers de STARKs à SNARKs, ainsi que des techniques de preuve récursive. Étant donné que la génération de preuves des algorithmes ZK est l'étape la plus coûteuse en termes de coûts et de temps, chaque projet s'efforce de construire un réseau de validateurs et un marché de puissance de calcul en cloud.
Dans le cas où les chemins technologiques sont similaires, les percées d'un projet peuvent dépendre davantage de la force de l'équipe et du soutien des ressources écologiques des VC en arrière-plan, afin de conquérir une plus grande part de marché.
Différence entre coprocesseurs et Layer2
Contrairement aux Layer2 orientés utilisateur, le coprocesseur est principalement destiné au développement d'applications. Il peut servir de composant d'accélération ou de composant modulaire, appliqué aux scénarios suivants :
En tant que composant de machine virtuelle hors chaîne de ZK Layer2
Fournir une puissance de calcul hors chaîne pour les applications sur la chaîne publique
Oracle pour obtenir des données vérifiables d'autres chaînes en tant qu'application de chaîne publique
Servir de pont inter-chaînes pour la transmission de messages
Le coprocesseur offre le potentiel de synchronisation des données en temps réel sur l'ensemble de la chaîne et de calculs fiables à haute performance et faible coût, capable de reconstruire la plupart des middleware de la blockchain, y compris les oracles, les requêtes de données, les ponts inter-chaînes, etc.
Les défis auxquels sont confrontés les coprocesseurs
Le seuil d'entrée pour les développeurs est élevé, nécessitant la maîtrise de langages et d'outils spécifiques.
L'industrie est à un stade précoce, les performances du zkVM impliquent plusieurs dimensions complexes.
Les infrastructures de base telles que le matériel ne sont pas encore matures, et la commercialisation nécessitera encore du temps.
Les chemins technologiques des différents projets sont similaires, rendant difficile la formation d'un avantage significatif, et l'accent de la concurrence se déplace vers la coopération en matière de ressources et d'écosystèmes.
Résumé et perspectives
La technologie ZK possède une grande universalité, contribuant au développement de l'écosystème Ethereum vers une décentralisation sans confiance. Le coprocesseur ZK, en tant qu'outil essentiel pour la mise en œuvre de la technologie ZK, peut théoriquement réaliser une version blockchain de n'importe quelle application Web2.
L'adoption à grande échelle des coprocesseurs ZK dépend principalement de deux facteurs : une base de données prouvable en temps réel sur toute la chaîne et un calcul hors chaîne à faible coût. Cet objectif nécessite une mise en œuvre itérative progressive. L'application commerciale des puces de calcul ZK est une condition préalable clé à l'implémentation à grande échelle des coprocesseurs.
Le cycle actuel du marché manque d'innovation, ce qui offre une fenêtre d'opportunité pour construire des technologies d'applications massives de prochaine génération. On s'attend à ce que la chaîne industrielle ZK réalise une commercialisation lors du prochain cycle. C'est le meilleur moment pour se concentrer sur les technologies fondamentales capables de supporter les interactions en ligne de 1 milliard d'utilisateurs.
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Processeur ZK : une nouvelle approche pour surmonter les goulets d'étranglement de performance d'Ethereum
Contexte historique et développement des coprocesseurs
Dans le domaine de l'informatique traditionnelle, un coprocesseur est une unité de traitement qui partage les tâches complexes avec le CPU. Cette technologie est très répandue dans l'industrie informatique, par exemple, le coprocesseur de mouvement M7 lancé par Apple en 2013 a considérablement amélioré la sensibilité de détection de mouvement des appareils intelligents. Le GPU, bien connu, est le concept de coprocesseur proposé par Nvidia en 2007, principalement responsable des tâches de rendu graphique. Le GPU accélère les applications s'exécutant sur le CPU en traitant du code intensif en calcul, cette architecture est appelée "calcul hétérogène" ou "calcul hybride".
Le principal rôle d'un coprocesseur est d'assumer des tâches spécifiques complexes et exigeantes en performance, permettant ainsi au CPU de se concentrer sur des travaux plus flexibles et variés.
Dans le réseau Ethereum, il existe deux problèmes majeurs qui limitent le développement des applications :
Les frais de Gas élevés limitent le champ de développement des applications sur la chaîne. Une opération de transfert ordinaire nécessite 21000 Gas, ce qui est déjà le seuil bas des frais de Gas du réseau Ethereum. D'autres opérations, comme le stockage de données, consomment plus de Gas, ce qui entrave gravement l'adoption à grande échelle des applications et des utilisateurs.
Les contrats intelligents ne peuvent accéder qu'aux données des 256 blocs récents. À l'avenir, avec la mise à niveau de Pectra et la mise en œuvre de la proposition EIP-4444, les nœuds complets ne stockeront plus les données des blocs passés. Ce manque de données rend difficile l'émergence d'applications innovantes basées sur les données, ce qui impacte le développement d'applications gourmandes en données sur la blockchain, telles que Tiktok et Instagram.
Ces problèmes révèlent que la capacité de calcul et la disponibilité des données sont les principales raisons qui limitent l'adoption à grande échelle de nouveaux paradigmes de calcul. La blockchain Ethereum elle-même n'est pas conçue pour traiter de nombreuses tâches intensives en calcul et en données. Pour rendre ces applications compatibles, il est nécessaire d'introduire le concept de coprocesseur. La chaîne Ethereum elle-même agit comme un CPU, tandis que le coprocesseur est similaire à un GPU, traitant des tâches intensives en calcul et en données.
Avec le développement de la technologie des preuves à divulgation nulle de connaissance, pour garantir la fiabilité des calculs hors chaîne des coprocesseurs, la plupart des projets de coprocesseurs reposent sur des preuves à divulgation nulle de connaissance comme base technique.
Le champ d'application des co-processeurs ZK est très large, couvrant presque tous les scénarios d'application décentralisée réels, y compris les réseaux sociaux, les jeux, la DeFi, les systèmes de gestion des risques basés sur des données en chaîne, les oracles, le stockage de données, l'entraînement et l'inférence de grands modèles de langage, etc. Théoriquement, toutes les fonctionnalités que les applications Web2 peuvent réaliser, les co-processeurs ZK peuvent les réaliser sur la blockchain, tout en garantissant la sécurité des applications grâce à Ethereum en tant que couche de règlement finale.
Actuellement, la définition de l'accélérateur ZK dans l'industrie n'est pas encore complètement unifiée. ZK-Query, ZK-Oracle et ZKM peuvent tous être considérés comme des coprocesseurs, car ils aident à interroger les données complètes sur la chaîne, les données fiables hors chaîne et les résultats de calcul hors chaîne. Dans ce sens, le Layer2 est essentiellement un type de coprocesseur d'Ethereum.
Aperçu du projet de coprocesseur
Les projets de coprocesseurs actuellement les plus connus se concentrent principalement sur trois scénarios d'application : l'indexation des données on-chain, les oracles et ZKML. Parmi les projets de machines virtuelles ZK génériques, Delphinus se concentre sur zkWASM, tandis que Risc Zero se consacre à l'architecture Risc-V.
Architecture de la technologie de coprocesseur
Prenons l'exemple des coprocesseurs ZK génériques, nous analysons en profondeur l'architecture technique des trois projets Risc Zero, Lagrange et Succinct, afin de comprendre les similitudes et les différences dans la conception technique et mécanique de ce type de machine virtuelle générique, et ainsi évaluer les tendances de développement futures des coprocesseurs.
Risc Zero
Le coprocesseur ZK de Risc Zero s'appelle Bonsai, il construit un ensemble de composants de preuve à connaissance nulle indépendants de la blockchain. Bonsai est basé sur l'architecture d'ensemble d'instructions Risc-V, offrant une grande polyvalence et prenant en charge de nombreux langages de programmation tels que Rust, C++, Solidity et Go.
Les principales fonctionnalités de Bonsai incluent :
Les composants clés de Bonsai comprennent :
Lagrange
Lagrange vise à construire des coprocesseurs et des bases de données vérifiables, contenant des données historiques sur la blockchain, soutenant le développement d'applications sans confiance. Ses principales fonctionnalités incluent :
La conception de la base de données de Lagrange implique trois parties : le stockage des données de contrat, les données d'état EOA et les données de bloc. Elle crée une structure de données de bloc compatible avec les preuves SNARK, chaque nœud feuille étant un en-tête de bloc.
Le calcul de la machine virtuelle ZKMR de Lagrange se divise en deux étapes :
ZKMR peut combiner des preuves de calculs de petite taille en une preuve de calcul global, étendant efficacement la capacité de preuve de calculs complexes.
Succinct
L'objectif de Succinct Network est d'intégrer des faits programmables dans tous les aspects du développement de la blockchain. Il prend en charge plusieurs langages de code, y compris Solidity et des langages spécialisés en zéro connaissance, qui peuvent être exécutés dans des coprocesseurs hors chaîne.
Le ZKVM hors chaîne de Succinct est appelé SP (Succinct Processor), prenant en charge Rust et d'autres langages LLVM. Ses caractéristiques principales incluent :
Comparaison des projets de coprocesseurs
Lors de la comparaison des coprocesseurs ZK généraux, nous prenons principalement en compte les aspects suivants :
Actuellement, les chemins technologiques des projets mainstream tendent à converger, utilisant tous des wrappers de STARKs à SNARKs, ainsi que des techniques de preuve récursive. Étant donné que la génération de preuves des algorithmes ZK est l'étape la plus coûteuse en termes de coûts et de temps, chaque projet s'efforce de construire un réseau de validateurs et un marché de puissance de calcul en cloud.
Dans le cas où les chemins technologiques sont similaires, les percées d'un projet peuvent dépendre davantage de la force de l'équipe et du soutien des ressources écologiques des VC en arrière-plan, afin de conquérir une plus grande part de marché.
Différence entre coprocesseurs et Layer2
Contrairement aux Layer2 orientés utilisateur, le coprocesseur est principalement destiné au développement d'applications. Il peut servir de composant d'accélération ou de composant modulaire, appliqué aux scénarios suivants :
Le coprocesseur offre le potentiel de synchronisation des données en temps réel sur l'ensemble de la chaîne et de calculs fiables à haute performance et faible coût, capable de reconstruire la plupart des middleware de la blockchain, y compris les oracles, les requêtes de données, les ponts inter-chaînes, etc.
Les défis auxquels sont confrontés les coprocesseurs
Résumé et perspectives
La technologie ZK possède une grande universalité, contribuant au développement de l'écosystème Ethereum vers une décentralisation sans confiance. Le coprocesseur ZK, en tant qu'outil essentiel pour la mise en œuvre de la technologie ZK, peut théoriquement réaliser une version blockchain de n'importe quelle application Web2.
L'adoption à grande échelle des coprocesseurs ZK dépend principalement de deux facteurs : une base de données prouvable en temps réel sur toute la chaîne et un calcul hors chaîne à faible coût. Cet objectif nécessite une mise en œuvre itérative progressive. L'application commerciale des puces de calcul ZK est une condition préalable clé à l'implémentation à grande échelle des coprocesseurs.
Le cycle actuel du marché manque d'innovation, ce qui offre une fenêtre d'opportunité pour construire des technologies d'applications massives de prochaine génération. On s'attend à ce que la chaîne industrielle ZK réalise une commercialisation lors du prochain cycle. C'est le meilleur moment pour se concentrer sur les technologies fondamentales capables de supporter les interactions en ligne de 1 milliard d'utilisateurs.