ZK协处理器：重塑区块链应用的新范式

协处理器的历史渊源

协处理器在计算机领域由来已久，主要承担为CPU分担特定任务的角色。比如苹果2013年推出的M7运动协处理器大幅提升了智能设备的运动感知能力，而广为人知的GPU则是由Nvidia在2007年提出的图形处理协处理器。这种架构通常被称为"异构计算"或"混合计算"。

协处理器的主要优势在于可以处理一些复杂且性能要求高的特定任务，从而让CPU能够专注于更灵活多变的计算工作。

以太坊面临的挑战

以太坊当前面临两个主要问题:

1. 高昂的Gas费用限制了复杂应用的开发。普通转账就需要21000 Gas，更复杂的操作费用更高，这严重阻碍了应用和用户的广泛采用。

2. 智能合约只能访问有限的近期区块数据。未来的网络升级可能进一步限制历史数据的存储，这使得很多依赖大量数据的创新应用难以实现。

这些问题源于以太坊设计之初并未考虑处理大规模计算和数据密集型任务。为了兼容这些应用，需要引入协处理器的概念。以太坊主链作为"CPU"，协处理器则类似"GPU"，可以灵活处理计算和数据密集型任务。结合零知识证明技术，协处理器可以在链下进行可信计算。

协处理器的应用前景

ZK协处理器的应用领域十分广泛，几乎涵盖了所有真实的去中心化应用场景，包括但不限于:

• 社交应用
• 游戏
• DeFi协议
• 基于链上数据的风控系统
• 预言机
• 数据存储
• 大语言模型训练与推理

理论上，任何Web2应用都可以通过ZK协处理器在区块链上实现，同时还能借助以太坊作为安全结算层。

主流协处理器项目概览

目前业内知名的协处理器项目主要聚焦于三大应用场景:

1. 链上数据索引
2. 预言机
3. ZKML (零知识机器学习)

其中通用型ZK协处理器(General-ZKM)项目能够覆盖全部三种场景。不同项目采用的底层虚拟机架构也有所不同，如Delphinus专注于zkWASM，而Risc Zero则基于RISC-V架构。

典型协处理器项目的技术架构

Risc Zero

Risc Zero的ZK协处理器名为Bonsai，其目标是成为一个与链无关的通用协处理器。Bonsai基于RISC-V指令集架构，支持多种编程语言如Rust、C++、Solidity、Go等。

Bonsai的主要组件包括:

• 证明者网络:接收并生成ZK证明
• 请求池:存储用户发起的证明请求
• Rollup引擎:收集并提交证明结果到主网
• Image Hub:可视化开发者平台
• 状态存储:链下键值对数据库
• 证明市场:匹配算力供需的平台

Lagrange

Lagrange旨在构建一个协处理器和可验证数据库，包含区块链上的历史数据，以支持计算和数据密集型应用的开发。

其主要功能包括:

1. 可验证数据库:索引链上智能合约状态
2. 基于MapReduce原则的并行计算

Lagrange采用了新的数据结构来存储合约状态、账户状态和区块数据,以适应零知识证明的需求。其ZKMR虚拟机通过Map和Reduce两个步骤实现分布式计算和证明合并。

Succinct

Succinct Network的目标是将可编程事实整合到区块链开发栈的各个环节。其链下ZKVM称为Succinct Processor (SP),支持Rust等LLVM语言。

SP的核心特性包括:

1. 基于STARKs的递归证明
2. SNARKs到STARKs的包装器
3. 预编译为中心的zkVM架构

协处理器项目比较

在比较通用ZK协处理器项目时,主要考虑以下几个方面:

1. 数据索引/同步能力
2. 底层技术路线(SNARKs vs STARKs)
3. 是否支持递归证明
4. 证明系统效率
5. 生态合作情况
6. 融资背景

总体来看,主流项目的技术路径较为接近,都采用了STARKs到SNARKs的包装器、支持递归证明,并构建了自己的证明者网络。在同质化严重的情况下,生态合作和资源获取能力可能成为关键的竞争因素。

协处理器与Layer2的区别

与面向用户的Layer2不同,协处理器主要面向应用开发。它可以作为加速组件或模块化组件,应用于以下场景:

1. 作为ZK Layer2的链下虚拟机组件
2. 为公链上应用提供链下算力
3. 作为跨链数据的可验证预言机
4. 充当跨链消息传递的桥梁

协处理器的潜力远不止于此,它有望重构区块链生态中的各类中间件,包括预言机、数据查询、跨链桥等。

协处理器面临的挑战

1. 开发门槛高:ZK技术复杂,需要掌握特定语言和工具
2. 赛道尚处早期:各项目仍在探索最优技术路线
3. 硬件支持不足:专用ZK硬件尚未大规模商用
4. 技术同质化:难以形成显著技术优势,竞争可能转向资源获取能力

未来展望

ZK技术有望重塑区块链应用的开发范式。通用ZK协处理器的应用前景广阔,理论上可以实现任何Web2应用在区块链上的对应版本。

实现"大规模采用"的两个关键指标是:全链实时可证明数据库和低成本链下计算。这一目标需要逐步迭代实现,ZK算力芯片的商用化也是一个重要前提。

当前周期缺乏真正的创新,为构建下一代"大规模采用"技术和应用提供了机会窗口。预计在下一轮周期中,ZK产业链将实现商业化落地,为Web3承载数十亿用户的链上交互奠定基础。