Em 10 de abril, a16z Crypto lançou uma solução zkEVM chamada Jolt, com o objetivo de acelerar e simplificar as operações de escalonamento de blockchain. O Jolt integra provas de conhecimento zero SNARK para fornecer um framework para Rollups compatíveis com EVM, ajudando os desenvolvedores a criar soluções L2 baseadas em SNARK. A equipe afirmou que a velocidade do Jolt é 'duas vezes mais rápida' em comparação com as soluções zkVM existentes.

Como os princípios técnicos da Jolt são relativamente complexos, aqui está uma explicação simples de vários termos técnicos que podem estar envolvidos:

zkSNARK é um primitivo de prova de conhecimento zero poderoso e forma a base para a construção de zkVM e zkEVM.

zkVM é um conceito geral de uma máquina virtual de conhecimento zero que suporta qualquer conjunto de instruções.

zkEVM é uma instância específica de zkVM projetada especificamente para compatibilidade com EVM.

ZK Rollup emprega zkVM ou zkEVM para aumentar a escalabilidade do Ethereum mantendo a privacidade.

O que é Jolt?

Jolt é uma solução SNARK inovadora que fornece uma abordagem mais concisa e eficiente para a construção de zkVM (máquina virtual de conhecimento zero). Na verdade, já em agosto de 2023, a16z Crypto propôs conceitos chamados Lasso e Jolt. Essas tecnologias foram introduzidas em meio à natureza lenta e custosa da tecnologia SNARK.

Lasso, um destes conceitos, é um novo método de busca de parâmetros que reduz significativamente o custo para verificadores. Jolt, por outro lado, utiliza Lasso para fornecer um novo framework para projetar SNARKs para zkVM e aplicações mais amplas de front-end. Juntos, eles aprimoram o desempenho, a experiência do desenvolvedor e a auditabilidade dos designs SNARK, melhorando assim a construção de aplicativos web3. Isso, por sua vez, aprimora o uso de provas de conhecimento zero no domínio blockchain.

Antes de mergulhar no Jolt, pode ser útil entender zkVM e zkEVM.

zkVM é um conceito genérico que se refere a uma máquina virtual de conhecimento zero. Semelhante ao zkEVM, o zkVM permite que programas sejam escritos em linguagens de alto nível como C++ ou Rust, que são então compiladas pela máquina virtual em alguma forma de representação intermediária (como circuitos ou restrições aritméticas). Esta representação intermediária é então comprovada para executar corretamente usando sistemas de prova como zkSNARK. Ao contrário do zkEVM, o zkVM não está limitado à compatibilidade com EVM, mas suporta qualquer conjunto de instruções. Jolt é uma implementação de alto desempenho do zkVM projetada para o conjunto de instruções RISC-V.

Podemos pensar no zkVM como uma “caixa-preta” especial que pode provar ao mundo exterior, preservando a privacidade, que de fato executou uma computação de acordo com um programa predefinido. No entanto, os zkVMs tradicionais exigem cálculos extensos e complicados para gerar essa prova, resultando em um desempenho muito ruim.

A inovação central do Jolt reside em encontrar uma abordagem matemática mais eficiente para gerar essa prova:

Primeiro, Jolt transforma inteligentemente a computação a ser comprovada em um tipo especial de polinômio, que chamaremos de “polinômio de computação”. A característica deste polinômio é que seu valor é zero apenas quando a caixa preta executa corretamente a computação.

Para provar que o valor do "polinômio de computação" é zero, Jolt emprega um protocolo interativo chamado "sumcheck." Este protocolo permite que os verificadores se convençam em um tempo mais curto de que o valor do polinômio é zero sem precisar calcular o polinômio inteiro. Isso é semelhante a um professor verificando apenas algumas perguntas em uma prova de um aluno para determinar se toda a prova está correta.

Vantagens Técnicas da Jolt

Os princípios técnicos do Jolt são bastante complexos, mas, para simplificar, o zkVM é uma tecnologia chave para melhorar a escalabilidade das redes blockchain, capaz de fornecer provas eficientes preservando a privacidade. Vitalik discutiu detalhadamente a tecnologia zkSNARK em seu recente discurso de abertura no Hong Kong Web3 Carnival. Vitalik afirmou: 'Encontrar ZKSNARKS é muito útil para privacidade e escalabilidade'.

No entanto, a velocidade de geração de provas e o custo computacional sempre foram grandes desafios para a aplicação prática da tecnologia zkSNARK, e têm sido foco de pesquisas acadêmicas e industriais nos últimos anos. Esquemas zkSNARK tradicionais, como Pinocchio e Groth16, podem levar várias horas ou até dias para gerar provas para cálculos complexos e exigir recursos significativos de memória e armazenamento. Esse gargalo de desempenho limita severamente a aplicação de zkSNARK em muitos cenários práticos.

Para habilitar aplicativos em grande escala em redes blockchain e alcançar verificação em tempo real, melhorar o desempenho do zkSNARK é um passo crucial.

Especificamente, o processo de geração de prova de zkSNARK envolve algoritmos criptográficos complexos como emparelhamentos de curvas elípticas e interpolação polinomial, que consomem recursos computacionais significativos. Especialmente quando o tamanho do circuito computado é grande, a complexidade computacional da geração de prova aumenta exponencialmente.

De acordo com a16z Crypto, a implementação inicial do Jolt é aproximadamente 6 vezes mais rápida do que o RISC Zero e 2 vezes mais rápida do que o SP1 lançado recentemente na CPU. Além disso, eles planejam melhorar ainda mais a velocidade do Jolt em aproximadamente 1,5 vezes nas próximas semanas.

Atualmente, a velocidade do Jolt já é mais de 2 vezes mais rápida do que a zkVM existente, mas ainda há um espaço considerável para otimização. Jolt também utiliza de forma inteligente certas propriedades algébricas de polinômios para alcançar um esquema de compromisso de polinômio mais eficiente, reduzindo ainda mais o tamanho das provas e o tempo de verificação.

Mudanças Possíveis que Jolt Irá Trazer

De uma perspectiva de engenharia, Jolt emprega uma série de técnicas de otimização, como designs de circuitos mais compactos, pipelines mais eficientes e maior paralelização, para maximizar a utilização do poder de computação do hardware.

Suponha que você seja um desenvolvedor Web3 e queira implantar um jogo de pôquer descentralizado na Ethereum. Este jogo requer embaralhamento, distribuição e comparação de classificações de cartas on-chain, sendo que cada operação precisa ser implementada por meio de circuitos zkVM para privacidade e verificabilidade.

Se você fosse usar soluções zkVM existentes como ZoKrates ou Bellman para construir um circuito desse tipo, poderia levar várias horas ou até mesmo dias. Isso ocorre porque o desempenho atual do zkVM é relativamente baixo, e a geração de provas de conhecimento zero para circuitos complexos requer recursos computacionais significativos e tempo. Isso resultaria em ciclos longos de desenvolvimento e teste.

No entanto, se você fosse usar Jolt para construir o mesmo circuito, a situação mudaria significativamente. De acordo com os testes conduzidos pela equipe Jolt, a implementação atual do Jolt pode gerar provas 2-5 vezes mais rápido do que as soluções mainstream zkVM. Isso significa que se originalmente levava 10 horas para gerar uma prova, agora pode levar apenas 2-5 horas.

No geral, a melhoria de desempenho de 2-5x trazida pelo Jolt significa um aprimoramento significativo na usabilidade e acessibilidade da tecnologia zkVM. Isso reduzirá consideravelmente a barreira para os desenvolvedores Web3, encurtará os ciclos de desenvolvimento de aplicativos e proporcionará uma melhor experiência ao usuário final. Olhando para o futuro, o Jolt tem o potencial de acelerar a adoção generalizada da tecnologia zkVM, permitindo que mais usuários se beneficiem da proteção de privacidade aprimorada e das capacidades de computação verificáveis no ecossistema Web3.

Claro, Jolt ainda está em seus estágios iniciais de desenvolvimento, e a melhoria de desempenho de 2-5x é apenas o começo. Com iteração contínua e otimização da tecnologia Jolt, podem ser esperados novos avanços no desempenho do zkVM, pavimentando o caminho para a realização de aplicativos Web3 em grande escala.

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