zkEVM에서 zkVM으로 영지식증명 기술 서사의 진화
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블록체인 확장성과 계산 효율성에 대한 솔루션을 찾는 과정에서 영지식 증명(ZKP) 기술은 특히 중요하다. 영지식 가상 머신(zkVM)은 이 기술의 구체적인 적용 사례 중 하나다. ZKP 기반 범용 컴퓨팅 플랫폼인 zkVM은 실행 세부 정보를 공개하지 않고도 계산의 정확성을 검증할 수 있다. 계산 집약적인 작업을 오프체인에서 처리하고 검증 결과만 블록체인에 제출할 수 있어 블록체인의 확장성을 크게 향상시킨다. 현재 a16z, Taiko, ZKM 등 여러 프로젝트에서 zkVM 솔루션을 개발 중이다.
zkVM 소개
zkVM은 스마트 컨트랙트 실행, 데이터 처리, 복잡한 알고리즘 연산 등 다양한 컴퓨팅 작업을 수행할 수 있는 영지식 증명 기반 범용 컴퓨팅 플랫폼이다. 핵심 기능은 실행 내역을 공개하지 않고도 계산의 정확성을 검증할 수 있는 영지식 증명을 생성하는 것이다. SNARKs 기술을 통해 이러한 증명은 오프체인에서 검증할 수 있고 검증자( verifiers)는 블록체인에서 전체 연산 과정을 다시 실행할 필요가 없으므로 값비싼 연산 비용을 절감할 수 있다.
zkVM 설계는 암호화폐 거래에만 국한되지 않으며, 다용도로 사용할 수 있다. 처리 로직의 정확성을 검증하면서 데이터 보안을 보장해야 하는 의료 데이터 처리, 공급망 관리, 비밀 투표 시스템 등 다양한 애플리케이션 시나리오에 투입할 수 있다.
zkVM과 다른 가상 머신 비교
기존 가상 머신(VM)은 일반적으로 물리적 하드웨어에 대해 완전하게 가상화된 컴퓨팅 환경을 의미하며 핵심 기능은 하드웨어 환경을 시뮬레이션해 동일한 물리적 하드웨어에서 여러 운영 체제 또는 애플리케이션을 실행할 수 있도록 하는 것이다. 이러한 가상 머신은 주로 하드웨어 가상화 기술과 OS 단 격리를 통해 그 기능을 수행한다. 일반적으로 가상 머신 내에서 실행되는 애플리케이션이나 데이터 암호화 및 검증은 포함하지 않는다.
zkVM은 영지식 증명 기술을 사용해 프로그램 실행의 정확성을 보장하며, 가상 머신에서 컴파일 및 실행할 수 있는 모든 프로그램에 적용 가능하다. zkVM은 다양한 애플리케이션 시나리오에 적합한 범용 컴퓨팅 검증 플랫폼을 제공하도록 설계됐고 Rust, C/C++, Go와 같은 여러 프로그래밍 언어를 지원한다. 개발자는 익숙한 언어로 애플리케이션을 빌드할 수 있다. 영지식 증명을 생성하는 것은 계산 집약적인 과정으로 많은 컴퓨팅 리소스가 필요하기 때문에 기존 VM보다 계산 및 검증 프로세스에 더 많은 시간이 소요되며, 이로 인해 트랜잭션 처리 속도(TPS)가 크게 제한되는 경우가 많다. 현재 영지식 증명 기술은 개별 증명을 생성하는 데 상당한 진전을 이루었지만, 부하가 높은 조건에서 대규모 트랜잭션을 처리하는 능력은 여전히 제한적이다. 각 증명을 생성하는 데 몇 초에서 몇 분이 걸릴 수 있으므로 대규모 결제 처리 시스템과 같이 높은 처리량이 필요한 애플리케이션에는 한계가 있다.
zkEVM은 영지식 증명을 통해 이더리움 확장성을 향상시키는 것을 목표로 이더리움 생태계용으로 설계된 zkVM의 특정 구현이다. 이는 이더리움 스마트 컨트랙트 및 솔리디티, 바이퍼와 같은 개발 도구와 완벽하게 호환된다. 기존 이더리움 애플리케이션을 수정하지 않고도 zkEVM으로 원활하게 마이그레이션할 수 있다. 따라서 zkEVM은 최적화된 이더리움 특정 버전에 가깝다고 할 수 있다.
zkVM 관련 프로젝트
zk 기술이 갖는 어려움에도 불구하고, 시장에는 여전히 여러 프로젝트 팀이 zkVM 솔루션 개발에서 기술력을 보여주고 있다.
Jolt: 뛰어난 성능
4월 9일, a16z는 빠른 실행 속도와 개발자를 위한 쉬운 확장성 및 코드 감사가 특징인 새로운 유형의 zkVM 솔루션인 Jolt의 초기 구현을 출시했다.
STARK 프레임워크 기반 다른 zkVM과 달리 Jolt는 Lasso (Least Absolute Shrinkage and Selection Operator) 룩업 매개변수( lookup parameters)와 섬테크 기반(Sumcheck-based) 기술을 활용한다. 이 혁신적인 방법은 새로운 가상 머신 명령어 구현을 간소화할 뿐만 아니라 전반적인 시스템 속도를 향상시킨다. Jolt 설계는 사용성과 효율성에 중점을 두어 매우 간소화된 코드베이스를 통해 Jolt 각 CPU 명령어를 단 50줄 Rust 코드로 구현할 수 있다. 또한, 사전 벤치마크 테스트에서 영지식 증명을 실행하는 속도가 RISC Zero보다 5배 이상, SP1보다 2배 이상 빠른 것으로 나타났다.
RISC 제로: 복잡한 계산에 대한 효율적 처리
RISC 제로는 재귀적 SNARK 구조를 가진 zkVM으로, 증명의 중첩을 지원하는 재귀적 방식이 특징이다. SNARK 기술에서 재귀는 복잡한 증명을 더 작고 관리하기 쉬운 증명으로 분해할 수 있다. 이러한 작은 증명은 독립적으로 검증될 수 있고 궁극적으로 증명의 유효성을 손상시키지 않고 하나의 완전한 큰 증명으로 병합될 수 있다. 여러 계층 증명을 하나의 증명 체인으로 원활하게 통합하는 방식은 계산 부하와 처리해야 하는 데이터 양을 줄일 뿐만 아니라 여러 계산 단계를 통해 검증 과정 보안과 무결성을 유지한다는 점에서 RISC 제로의 독특한 측면이다.
RISC 제로 또 다른 특징은 확장성과 확장성을 위해 설계된 개방형 표준 ISA(명령어 집합 아키텍처)인 RISC-V 명령어 집합을 사용한다는 점이다. 이러한 선택 덕분에 RISC 제로는 다양한 툴과 지원 생태계를 활용할 수 있어 독점적이거나 덜 보편적인 아키텍처를 사용하는 다른 zkVM에 비해 기존 시스템에 더 쉽게 접근하고 통합할 수 있다.
작년에 RISC 제로는 블록체인 캐피탈이 주도하는 4천만 달러 규모 시리즈 A 펀딩 라운드를 성공적으로 마쳤으며, 베인 캐피탈 크립토, 갤럭시 디지털, IOSG 벤처스, 록어웨이엑스, 메이븐 11, 펜부시 캐피탈, 델파이 디지털 등의 유명 투자자들이 함께했다.
Succinct: 개발자 친화적
Succinct는 Rust 또는 LLVM을 통해 컴파일할 수 있는 다른 언어로 작성된 코드를 실행하도록 특화된 zkVM SP1을 개발해 높은 유연성과 사용 편의성을 제공한다. SP1은 모듈식 아키텍처를 지원하므로 개발자가 '프리컴파일'(precompiles)을 통해 기능을 최적화하고 확장할 수 있도록 지원한다. 프리컴파일은 개발자가 특정 작업이나 계산을 효율적으로 처리하는 코어 가상 머신 기능을 향상시키기 위해 추가하거나 수정한 모듈이다.
또한, SP1은 탈중앙화된 증명 네트워크를 구축해 증명 배포와 실행을 간소화함으로써 고급 암호화 방법 사용에 대한 장벽을 낮췄다. 이 네트워크를 통해 개발자는 클릭 한 번으로 효율적으로 증명을 생성할 수 있다.
지난 3월, Succinct는 로봇 벤처스, 뱅크리스 벤처스, 지오메트리, 그리고 아이겐레이어 스리람 칸난(Sreeram Kannan), 폴리곤 공동 설립자 산딥 네일왈(Sandeep Nailwal) 등의 엔젤 투자자가 참여한 가운데 패러다임이 주도하는 5,500만 달러 규모 투자 라운드를 완료했다. 5월 13일, Succinct는 SP1 테스트넷도 출시했다.
타이코(Taiko): 다중 증명 시스템(Multi-Proof System)
타이코는 zkEVM 사용에서 zkVM으로 전환하기 시작했다. zkVM의 독특한 특징은 다중 증명 시스템을 적용한다는 것이다. 다중 증명 개념은 비탈릭이 제안한 것으로, 타이코는 이 개념을 구현한 최초 프로젝트로서 5월 말 메인넷에서 이 다중증명 시스템을 지원한다. 이 시스템을 통해 타이코 zkVM은 여러 유형 증명을 생성할 수 있어 시스템 보안과 견고성을 강화할 수 있다. 한 가지 유형의 증명에 문제가 발생하더라도 다른 유형이 시스템의정상 작동을 계속 보장하고 잘못된 상태 전환을 즉시 감지할 수 있다. 또 Halo2-KZG 증명 시스템을 사용하면 복잡한 계산과 대규모 거래를 처리할 때 효율성과 저렴한 비용을 보장한다.
3월에 타이코는 라이트스피드 팩션, 해시드, 제너레이티브 벤처스, 토큰 베이 캐피탈이 공동 주도하고 윈터뮤트 벤처스, 플로우 트레이더스, 앰버 그룹, OKX 벤처스, GSR이 참여한 1500만 달러 규모 시리즈 A 펀딩 라운드를 완료했다.
ZKM: 간단하고 안정적인 MIPS 아키텍처
ZKM은 메티스 재단에서 인큐베이팅하는 zkVM 프로젝트로, MIPS 아키텍처를 활용하고 이를 영지식 증명 기술과 결합해 zk 가상 머신을 만든다. 이 설계는 ZKP를 시스템 내부 연산 처리 방식과 더욱 밀접하게 연계해 작업 속도를 높이고 ZKP 프로토콜 별도 구현과 관련된 연산 오버헤드를 줄인다. 또한 대부분의 zkVM이 Rust 언어를 사용하는 반면, ZKM은 Golang에 대한 기본 지원을 제공한다.
MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages)는 1세대 축소 명령어셋 컴퓨팅 아키텍처다. MIPS 명령어셋은 비교적 간단하고 안정적이며 다양한 컴퓨팅 장치 및 임베디드 시스템에 광범위하게 적용되어 범용성과 적응성이 뛰어나다. MIPS 아키텍처를 기반으로 ZKM 시스템은 보다 쉽게 개발 및 배포할 수 있다.
zkMIPS는 전체 MIPS 프로그램을 여러 세그먼트로 나눈다. 그런 다음 각 세그먼트 명령어를 네 가지 유형으로 나누어 각각의 모듈 테이블로 분류한다. zkMIPS는 STARK 증명 방법을 사용해 각 모듈 테이블 명령어를 독립적으로 검증, 테이블 각 연산이 올바른지, 프로그램 세그먼트의각 명령어가 해당 모듈 테이블에 포함되는지 확인한다. 그 후 개별 프로그램 세그먼트 실행 순서가 전체 프로그램 실행과 일치하는지 확인한다. 이러한 접근 방식을 통해 오프체인에서 실행된 프로그램도 온체인에서 검증할 수 있어 프로그램 실행 투명성과 신뢰성을 높일 수 있다.
최근 ZKM은 신뢰가 필요 없는 탈중앙화 멀티체인 상호운용성 프레임워크를 구축하기 위해 zkMIPS를 사용해 엔탱글드 롤업(Entangled Rollups)이라는 새로운 신뢰 최소화 멀티체인 상호운용성 인프라를 출시했다.
엔탱글드 롤업은 스냅샷을 통해서만 자산 전송을 검증하는 타사 zk 브릿지와 달리, 모든 계산을 검증할 수 있어 매우 안전하다. 이러한 상호운용성에서 핵심은 한 블록체인에서 증명을 생성한 다음 다른 블록체인에서 검증할 수 있는 범용 증명 메커니즘이다. ZKM 특징 중 하나는 모든 작업에 적용할 수 있는 영지식 증명을 생성할 수 있다는 점이다. ZKM은 기본 CPU/MIPS 아키텍처에 보안을 내장해 이 아키텍처에 구축된 모든 소프트웨어가 동일한 수준으로 보안을 누릴 수 있도록 보장하므로 각 소프트웨어가 별도 영지식 증명 프로세스를 거칠 필요가 없다.
ZKM의 특징은 다음과 같다.
모든 가상 머신과의 호환성: ZKM은 각 가상 머신 아래에 위치하므로 MoveVM(zkMVM), WASM(zkWASM), RustVM(zkRVM) 등 다양한 블록체인 스마트 컨트랙트 엔진 가상 머신과 호환된다.
플러그 앤 플레이: 개발자는 기존 코드베이스를 변경하지 않고도 ZKM을 도입할 수 있다. 따라서 저렴한 비용으로 도입할 수 있으며 다양한 스마트 컨트랙트 언어 또는 기존 프로그래밍 언어도 사용할 수 있다.
장기적인 안정성: MIPS 명령어셋은 안정성을 제공하며 EVM의 지속적인 변화에 따라 변경할 필요가 없으므로 보다 안정적인 개발 환경을 제공한다.
zkVM의 향후 전망
블록체인 기술이 계속 발전하고 프론티어 기업들이 계속 탐구함에 따라 zkVM 성능은 지속적으로 개선되고 있다. 우리는는 zkVM이 암호화폐 세계에서 점점 더 중요한 역할을 하며 핵심 기술의 일부가 될 것이라고 예상할 수 있다. 특히 데이터 민감도와 크로스체인 보안에 대한 수요가 증가하고 있는 지금 상황에서 zkVM의 기능은 시장 요구를 충족시키는 데 매우 적합하다. 회로 최적화(circuit optimization) 및 증명 시스템 최적화(proof system optimization)와 같은 다양한 기술적 과제를 극복하고 다양한 프로그래밍 언어에 완벽하게 적응한 zkVM을 출시해, 더 많은 개발자가 새로운 웹3 시대를 맞이할 수 있기를 기대한다.
