零知識証明経済モデルの探求の道

2024-09-19 03:23:16

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著者：Hugo，ZKPool

TL;DR

二層のゼロ知識証明 (ZKP) 経済モデルを提案し、共有の ZKP 証明アクセラレータプール（Prover Pool）と汎用のモジュラー証明アクセラレータ（Universal Modular Prover）が ZKP エコシステムの重要な構成要素であることを示しました。
ZKP 証明アクセラレータは次世代のブロックチェーン計算インフラストラクチャを代表します。
プルーフ・オブ・ワーク (PoW) マイニング機器と ZKP 証明アクセラレータの間には根本的な違いがあります。
ZK-rollup 証明経済モデルの設計は「不可能な三角形」の課題に直面しています：性能、コスト、分散化のバランスを取ること。
本文では、いくつかの ZKP 証明経済モデルを分析し、Taiko の解決策を例に挙げます。

1. イントロダクション

近年、ゼロ知識証明 (ZKP) 技術は著しい進展を遂げました。計算のスケーラビリティやプライバシー保護が求められるプロジェクトでますます人気を集めています。

ZKP、特に SNARK (Succinct Non-interactive Argument of Knowledge) プロトコルは、イーサリアムのスケーリングにおいて広く認識されています。イーサリアムのロードマップには「Snark Everything」という目標が含まれており、Vitalik Buterin は「zK-SNARKs は今後 10 年間でブロックチェーンと同じくらい重要になる」と主張しています。

Vitalik の zK-SNARK に関する声明

しかし、ゼロ知識証明を生成することは、計算自体よりもはるかに複雑です。

例えば、イーサリアムでは、10M Gas のブロックの計算時間は 1 秒未満です。以下の図に示します。

EVM パフォーマンス

しかし、ZKEVM の回路では、128 コア CPU でブロックの証明を生成するのに 1700 秒以上かかる可能性があります。PSE チームのベンチマーク結果を参照してください。

ZKEVM ベンチマーク

GPU を使用しても、ZKEVM では証明を生成するのに数百秒かかります。これは、ZKP を使用して EVM 計算を検証するコストが元の計算よりも 1000 倍以上高くなることを意味します。

将来的には、zkSync、Scroll、Taiko、Polygon、Linea、Aleo、Mina、Risc Zero などの L2 プロジェクトや、プライバシー、身分、ゲーム関連のプロジェクトなど、多くの ZKP プロジェクトが登場するため、ZKP 計算の需要は膨大になるでしょう。

MESSARI の ZKP エコシステムダイアグラム

私たちは、信頼できる計算が未来のデジタル世界において計算そのものと同じくらい重要になると信じており、ZKP アクセラレーションが次世代のブロックチェーン計算能力の中心になると考えています。

2. ZKP は POW とは異なる経済モデルを必要とする

プルーフ・オブ・ワーク（PoW）は、分散型コンセンサスのためのアルゴリズムです。PoW システムでは、参加者（マイナー）は計算資源を一定量投入したことを証明するために計算集約的な作業を実行する必要があります。これらのアルゴリズムの目的はネットワークの安全性を確保することです。マイナーは特定の条件を満たすハッシュ値を見つけるために競争し、ブロック報酬と取引手数料を獲得します。

しかし、ZKP の目的と特徴は非常に異なります。

以下は、POW マイナーと ZKP 証明アクセラレータの比較です。

POW マイナーと ZKP 証明アクセラレータの比較

一部の ZKP プロジェクト、例えば Aleo は、依然として PoW に似たメカニズムを使用していますが、主流ではありません。イーサリアムが POS を通じて達成した成功は、PoW がブロックチェーンの分散化を実現する唯一の実行可能な解決策ではないことを証明しています。したがって、より多くのプロジェクトがエネルギー消費と全体的なコストを削減するために非 PoW 証明システムを選択する可能性があります。

ZKP 計算のパラダイムでは、異なる証明アクセラレータと異なる経済モデルを設計する必要があります。

3. ZKP 証明経済モデルの不可能な三角形の課題

この文脈において、「証明経済モデル」とは、分散型ゼロ知識証明システムにおけるインセンティブメカニズムを指します。ゼロ知識証明ネットワークの三つの重要な指標はコスト、性能、分散化です。精巧に設計された証明経済モデルは、これら三つの要件を満たすべきです。

まず、コストは ZKP プロジェクトにおける重要な要素であり、特に ZK-rollups に関して言えば重要です。これは、彼らの使命がイーサリアムを拡張し、ユーザーの取引コストを削減することだからです。証明コストは ZK-rollup と他の ZKP プロジェクトの総コストの一部です。

第二層の取引を検証し、最終性を実現するために、ZK 証明アクセラレータは高性能なマシンを必要とします。並列計算を行う GPU、FPGA、または ASIC を使用することでボトルネックを緩和できます。これが、GPU を使用して zkEVM を証明するのに 10 分しかかからない理由であり、CPU を使用すると数時間かかる可能性があるのです。

ZKP 証明アクセラレータのもう一つの重要な要件は分散化です。分散化とは、多くの参加者が許可なしに証明作業に参加でき、冗長性と地理的分散性を持ち、全体のシステムが強力で検閲に耐えられることを意味します。

しかし、同じ設計で高性能、低コスト、分散化の三つの側面を満たすことは不可能な課題です。

ZKP 証明経済モデルの不可能な三角形

まず、コストと性能の間には対立があります。高性能が必要な場合、高価な証明アクセラレータ、例えば GPU、FPGA、さらには GPU/FPGA クラスターが必要です。

ZKP の長期的な使用が一般的になるにつれて、数百万の ZK 証明アクセラレータの市場が生まれるでしょう。その時、低コストの ZK ASIC チップが同時に低コストと高性能の要件を満たすことができるでしょう。しかし、現在は ZKP の初期段階にあり、そのような巨大な市場規模には達していないため、ZK ASIC チップの単位コストは相対的に高いです。したがって、この段階でコスト効率と性能を実現することは依然として課題です。

次に、分散化は通常、証明アクセラレータの冗長性を必要とし、全体の証明システムのコストを増加させます。

例えば、ZK-rollup プロジェクトが 1 秒以内に L2 ブロックを作成し、高性能 GPU を使用してその証明を生成するのに約 10 分かかる場合、需要を満たすためには約 600 の証明アクセラレータが必要です。

ZK-rollup プロジェクトのために 600 の GPU 証明アクセラレータを展開すれば、計算能力はそのスループットを満たすことができます。しかし、いくつかの証明アクセラレータがネットワーク障害や偶発的なシャットダウンのために期限内にタスクを完了できなかった場合、他の証明アクセラレータが証明を生成する必要があります。バックアップ証明アクセラレータの数を増やし、ZK 証明アクセラレータの分散化を図ることは、証明システムの総コストを増加させます。これが、PoW が ZKP プロジェクトで普及していない理由でもあります。

第三の課題は、証明アクセラレータの性能を極限まで追求すると、証明ネットワークが最も速い証明アクセラレータによって独占される可能性があることです。これは分散化の目標と矛盾します。

経済学の観点から見ると、ZKP システム内の証明アクセラレータの収益性と活性を確保する経済システムを構築することは挑戦的なタスクです。これが証明アクセラレータ経済モデルの課題です。

4. ZKP 証明経済モデルの進化

Taiko は分散型の ZK-rollup プロジェクトで、イーサリアムと同等であり、Type 1 zkEVM 技術を使用しています。Taiko プロジェクトの初期には、分散型のシーケンサー（Sequencer）と証明アクセラレータの設計に重点が置かれていました。これは、分散型シーケンサーと証明アクセラレータを積極的に推進する最初の ZK-rollup プロジェクトです。

Taiko はその文書で経済モデル設計の原則を紹介し、類似の指標を挙げています：

証明リソースを効率的に利用すること
証明のコストが証明の速度よりも優先されること
証明アクセラレータの冗長性/分散化

Taiko プロジェクトは、ZKP 証明経済モデルの不可能な三角形を解決するためのさまざまなアプローチを探求しており、現在も進化を続けています。以下は Taiko Testnet とその証明経済モデルの歴史です：

2022 年 12 月 28 日、Alpha-1：証明アクセラレータは未開放。
2023 年 3 月 23 日、Alpha-2：証明アクセラレータは無許可で、最速の証明アクセラレータが勝利し、経済モデルはなし。
2023 年 6 月 7 日、Alpha-3：証明アクセラレータは無許可で、動的報酬経済アクセラレータを持つ。
2023 年 6 月：バッチオークション型経済アクセラレータが提案され、議論される。
2023 年 7 月 18 日、Alpha-4：証明アクセラレータは無許可で、ステーキングベースの経済アクセラレータを持つ。
新しい提案が進行中。

異なる ZKP 証明アクセラレータの比較

4.1 動的報酬証明経済モデル（Taiko A3）

A3 の経済モデルには、証明アクセラレータのコストを低く、性能を高くすることを目的とした動的報酬メカニズムが含まれています。以下のルールが含まれています：

最も早く証明を提出した証明アクセラレータが勝利します。
証明アクセラレータが証明を提出する速度が速くなるにつれて、報酬は徐々に減少します。

したがって、証明アクセラレータが最速になると、その最良の戦略は競争相手よりもわずかに早く証明を提出し、より高い報酬を得るためにしばらく待つことです。

次に、Taiko A3 で観察された現象のいくつかを見てみましょう。

1. ガス戦争

現在、A3 で活発な証明アクセラレータの数は徐々に減少しており、中央集権化の傾向を示しています。

A3 テストネット上の毎日の活発な証明アクセラレータの傾向

上記の傾向の理由は、一部の高性能証明アクセラレータが 24 秒以内に証明を提出できるため、非常に迅速であることです。イーサリアムの設計によれば、複数の証明アクセラレータが同じ時間ウィンドウ内に証明を提出すると、より高いガス料金の証明アクセラレータが受け入れられます。Sepolia テストネットでは、ガス料金は実際の ETH ではなく、非常に安価です。

したがって、これらの高性能証明アクセラレータの間にはガス戦争が存在します。彼らは非常に高いガス価格で証明を提出し、時には 2000 Gwei に達します。一部の非常に高いガス料金の証明アクセラレータが証明タスクを支配しています。

もう一つの戦略は、12 秒以内に証明を提出して性能を最適化することです。しかし、12 秒以内にすべての証明を提出することは困難です。なぜなら、A3 の設計によれば、より速い速度は報酬を減少させるからです。

A3 テストネット上の証明アクセラレータのガス料金の傾向

A3 テストネット上の高ガス料金

2. 計算リソースの競争

A3 でのもう一つの現象は、失敗した提出の数が増加していることです。これは、各ブロックに対して一人の勝者しか証明を提出できないためであり、有効な証明を生成しても、他のすべての提出は拒否されます。

A3 での失敗率（赤枠内の取引）

4.2 ステーキングベースの証明経済モデル（Taiko A4）

A4 では、Taiko がステーキングベースの証明経済モデルを採用し、いくつかの利点を提供します：

過剰な計算リソースの競争を排除し、証明を生成するために一つの証明アクセラレータのみを選択します。選ばれなかった場合、他の証明アクセラレータは再計算する必要はありません。
より高い重みを与えることで、低コストで高性能の証明アクセラレータを奨励しますが、勝利を保証するものではありません。
オークション型の解決策と比較して、設計が比較的簡単です。

なぜ私たちはステーキングが必要なのでしょうか？理由は、選ばれた証明アクセラレータが誠実に、かつタイムリーに証明を提出する必要があるからです。選ばれた証明アクセラレータがこのタスクを完了できなかった場合、罰則が実行されます。

A4 での重要な現象は、ZKP 証明アクセラレータが罰せられる確率が非常に高いことです。特にネットワークが混雑しているときです。ここに一例があります。

A4 テストネット上の罰則の履歴

次に、可能な解決策について議論できます。

5. 証明経済モデルのさらなる改善

私たちの分析に基づくと、期待されるゼロ知識証明経済モデルは以下の要件を満たすべきです：

各タスクには一つの証明アクセラレータのみがあり、計算の無駄がないこと。
独占状態を防ぎ、分散化を促進するメカニズムを策定すること。
選ばれた証明アクセラレータはステーキングを提供し、指定された時間ウィンドウ内に証明を生成できなかった場合は罰せられるべきです。
より速い証明の提出を奨励し、コストを削減するインセンティブメカニズム。
証明アクセラレータは高いガス料金の補償を受けるべきです。
交通混雑時には証明ウィンドウを延長するべきです。

さらに議論を進めましょう。

このゼロ知識証明のステーキングメカニズムは、イーサリアムに似ており、検証者の誠実さを奨励します。しかし、両者の間には違いがあります。

イーサリアムの検証者とゼロ知識証明アクセラレータの比較

表に示すように、イーサリアムの検証者と比較して、ゼロ知識証明アクセラレータのコストは高く、罰せられるリスクも大きいです。同時に、報酬に関して言えば、ゼロ知識証明アクセラレータの唯一の補償は ZKP プロジェクトから来るものであり、ガス料金、計算ハードウェアコスト、ステーキング資産のコストを含む必要があります。

以下は、ゼロ知識証明アクセラレータがガス料金と相対的に高い計算ハードウェアリソースコストを支払う必要があることを考慮した、罰金額を削減するためのいくつかの提案です：

証明アクセラレータが相対的に長い時間ウィンドウ内に証明を提出した場合、罰則を課すべきではありません。これは、他の人が設計に従って証明を提出でき、証明アクセラレータがガス料金と計算能力コストを負担しているためです。
証明アクセラレータが証明を提出したことがない場合は、低い罰金を課すべきです。この場合、ネットワーク/技術的な問題と不誠実な問題を区別するのは難しいかもしれません。したがって、罰則は合理的ですが、通常は失敗がネットワークの混雑によるものであるため、より穏やかであるべきです。

ネットワークが混雑している場合やガス料金が非常に高い場合、合理的なガス料金を使用しても、証明アクセラレータが証明を提出するのは困難です。以下は考慮すべきいくつかの解決策です：

基本料金が高い場合、証明ウィンドウを延長します。
より経済的な解決策は、基本ガス料金が高い場合に報酬を増加させることです。

ステーキングメカニズムは、いくつかの資金コストをもたらします。いわゆる POS 報酬はありませんが、ZK-rollup は証明経済モデルの一部として POS を使用します。しかし、すべての資金には利子コストがあります。したがって、ステーキングベースのメカニズムでは、ステーキングコストをカバーするために報酬額を増加させるべきですが、これは全体の証明アクセラレータの報酬に含まれる可能性があります。

さらに、以下の改善が望ましいでしょう：

より速い証明アクセラレータを奨励するために、証明アクセラレータを選択した後、目標証明時間ウィンドウの前に証明を提出した場合、報酬を増加させることができます。
バッチ証明を使用することで、全体のガス料金を削減するのに役立ちます。

6. 二層のゼロ知識証明経済モデル

現在、多くのゼロ知識証明（ZKP）プロジェクトが独自の証明システムと経済モデルを使用していますが、この方法は ZKP プロジェクト間で計算能力を共有するのに不利であり、全体の ZKP エコシステムのコストが高くなります。

前述の部分で分析したように、ZKP プロジェクトは罰則、報酬、証明ウィンドウ、その他の関連側面を管理するための複雑なメカニズムを必要とします。

さらに、さまざまな ZKP プロジェクトの証明アクセラレータになることや、さまざまな資産をステーキングすることには高いハードルがあります。

より健全でコスト効率の良い ZKP 証明エコシステムを実現するために、二層経済モデルを採用することは良い解決策かもしれません。Taiko は複数回の証明経済モデルの反復の後に解決策を提案し、私たちはその解決策をさらに二層のフレームワークとして拡張します。

この方法では、各 ZKP プロジェクトが第一層として機能し、自らの経済モデルを定義します。しかし、証明アクセラレータの選択、スケジューリング、罰則、報酬、評価は第二層、すなわち共有の証明アクセラレータプールに委託されます。

二層の ZKP 経済モデル

ZKPool は証明アクセラレータプールとして、複数の ZKP プロジェクトの需要を集約し、証明アクセラレータにタスクを割り当てることで、より高い利用率と収益を実現します。さらに、参加のハードルを下げ、可能な罰則を最小化します。

ZKP プロジェクトに最適な性能と低コストの証明アクセラレータを提供するために、ZKPool は証明市場を実現し、標準化された料金システムを採用して証明アクセラレータの性能を評価し、証明アクセラレータ間に競争メカニズムを作成します。このシステムは、最適な証明アクセラレータを ZKP プロジェクトに返し、ZKPool は評価システムに基づいて追加のプラットフォームインセンティブを提供できます。この方法は、ZKP プロジェクトと ZKP 証明アクセラレータの両方に大きな利益をもたらすことができます。

二層経済モデルの責任範囲

さらに、私たちは UMP（汎用モジュラー証明アクセラレータ）という概念を提案しました。汎用モジュラー証明アクセラレータは、同じハードウェアプラットフォーム上で動作し、さまざまな ZKP プロジェクトの証明作業をサポートできます。

汎用モジュラー証明アクセラレータ

全体の ZKPool は分散化に向かい、健全な ZKP エコシステムの経済を促進します。

ZKPool アーキテクチャの概要

ZKPool の設計原則：

ZKP プロジェクトのコストを最小化し、証明アクセラレータの収入を最大化します。

シンプル：ZKP 計算能力へのアクセスが容易で、ZKP 証明アクセラレータへの参加が容易です。

透明性：収入配分を透明に保ちます。

ZKP だけでなく、人工知能や空間計算の Web3 への展開も加速計算リソースを必要とします。ZKPool は最終的に Web3 全体ですべての加速計算リソースを共有できるようになり、これを Web3 の加速層と呼ぶことができます。

Web3 の加速層

7. 結論

ZKP 証明経済モデルの探求は、長く実り多い旅です。私たちの研究を通じて、コスト、性能、分散化が ZKP 証明経済モデルの重要な指標であることを特定しました。二層の ZKP 証明経済モデルを実施することで、全体のシステムが恩恵を受けることができます。さらに、共有の汎用証明アクセラレータプールは ZKP エコシステムにとって重要です。

今後、私たちはこれらの課題に取り組み、解決してこのエコシステムを完全に完成させる必要があります。重要な作業には、ZKP 証明アクセラレータの標準入力を構築し、ハードウェア要件を削減することが含まれます。これらは私たちが注目し、努力する分野です。

(ソースリンク)