撰文：LINDABELL
在最近的 Devcon 会议上，以太坊基金会核心成员 Justin Drake 提出了 Beam Chain 提案，计划通过 zkSNARK 和 zkVM 技术升级以太坊共识层，以提升网络的可扩展性、安全性和效率。这一愿景也让 zkVM 的重要性再次被关注。作为一种通用零知识虚拟机，zkVM 能以更灵活及高效的方式处理复杂计算，同时摆脱了对传统智能合约逻辑的依赖。
在这一趋势的推动下，RISC Zero、Succinct 和 Cysic 等项目则被视为推动该领域创新的重要参与者。其中，RISC Zero 凭借基于 RISC-V 架构的 zkVM，开发了 Zeth、Kailua 和 Bonsai 等一系列开源工具，不仅提升了区块验证和 Rollup 的性能，还为以太坊 ZK 化升级提供了技术支持。
RISC Zero 是基于 RISC-V 指令集架构的 zkVM 实现，作为一个通用零知识计算平台，它支持多种主流编程语言，如 Rust 和 C ，几乎可以运行任意计算任务。相比其他零知识技术平台，RISC Zero 的证明者和验证者是完全开源的，开发者可以在本地生成和验证证明。此外，RISC Zero 的验证器兼容多种平台，能够适配不同区块链生态，简化了去中心化应用的开发流程。
今年 6 月 ，RISC Zero 发布了 zkVM 1.0。zkVM 1.0 不仅支持多种语言和复杂计算任务，还利用 Continuations 技术将大规模计算分割成多个小段，实现高效并行计算和验证。根据路线图，RISC Zero 计划在 2024 年底前实现 zkVM 性能和成本的 20 倍提升，优化内容包括将证明流程完全迁移至 GPU（已完成 80%）、引入新型 RISC-V v2 电路设计，以及针对递归电路进行的专项优化等。同时，RISC Zero 正在集成一系列针对 RSA、Keccak、ECDSA 等算法的加速模块，用于提升以太坊相关任务和加密操作的性能。
围绕 zkVM 的核心能力，RISC Zero 还开发了一系列开源工具和产品。例如，通过 Bonsai 网络将证明服务，开发者无需专用硬件即可生成零知识证明；通过 Steel 工具可以将复杂的 EVM 计算转移至链下环境运行，同时保持结果可验证，降低了链上执行成本；而 Blobstream Zero 则通过桥接 Celestia 数据可用性层，为模块化区块链生态中的数据共享和验证提供了更多可能性。
Zeth 是由 RISC Zero 基于其 zkVM 技术开发的开源以太坊零知识区块证明器，可以通过零知识证明验证以太坊区块的有效性，而无需依赖传统验证者或同步委员会。RISC Zero 将 Zeth 定义为 Type-0 zkEVM，既完全兼容以太坊协议，又通过代码的重复利用，实现了开发效率的提升。
以太坊联合创始人 Vitalik Buterin 在文章「Different types of zk-EVMs」将 zkEVM 分为了四类，其中 Type-1 力求完全和毫不妥协的等效于以太坊；Type-2 致力于完全等价于 EVM，但不完全等价于以太坊；Type-3 几乎同等于 EVM；Type-4 则完全不兼容以太坊。
得益于 RISC Zero zkVM 的高性能，Zeth 能够在几分钟内完成以太坊区块的验证。测试数据显示，Zeth 可以以 1.1 MHz 的速度生成区块证明，并通过「继续执行（continuations）」特性扩展 GPU 集群，将速度提升至 4.7 MHz 至 6.3 MHz。这种性能优化也降低了证明生成的成本。根据测试，一个包含 182 笔交易的区块，其证明生成成本仅为 21.72 美元，每笔交易成本约为 0.11 美元。
同时，开发 Zeth 的过程中，RISC Zero 团队充分利用了 Rust 生态系统的组件，如 revm、ethers 和 alloy，使得开发者可以快速实现区块证明功能并将其应用到不同场景中。这种设计为开发者提供了更多灵活性，能够根据需要调整区块构建逻辑并适配未来的以太坊改进提案。
在应用层面，Zeth 为 zk Rollup、轻客户端和跨链桥提供了高效的解决方案。传统 zk Rollup 和 zkEVM 的构建需要耗费大量时间和资金，令小型团队望而却步。而 Zeth 基于模块化的 zkVM 架构，允许开发者轻松定制区块验证逻辑。例如：
zk Rollup：Zeth 能够快速实现区块证明，能够缩短 ZK Rollup 的开发周期和降低资金投入。
轻客户端：无需重新构建区块即可验证区块有效性，降低运行成本。
跨链桥：Zeth 通过 ZKP 可以在不泄漏链上敏感信息的情况下验证跨链数据的正确性，这减少了对第三方的信任依赖，并降低了跨链攻击的风险。
今年 5 月，Zeth 成功扩展至支持从以太坊主网中提取 Optimism 区块数据，并生成 ZKP 验证区块正确性，还支持在链上进行验证。也就是说，借助 Zeth，Optimism 可以更高效验证交易，解决交易争议。
Bonsai 是一项专为 zkVM 应用程序设计的远程证明服务，允许开发者无需使用自身硬件生成证明，从而解决了链上计算资源有限与高昂成本之间的矛盾。通过 Bonsai，开发者只需定义需要执行的 zkVM 应用程序及输入数据，Bonsai 即可在后台运行计算，并生成相应的零知识证明。这一过程完全无需开发者部署额外的硬件设备。同时，Bonsai 利用了大量的 GPU 集群，支持并行化处理多个计算任务。此外，Bonsai 提供简洁易用的 API 和 SDK 接口，使开发者能够轻松将其集成到现有系统中，进一步降低了开发难度。
基于这一远程证明服务，RISC Zero 推出了开源工具 Bonsai Pay，结合了 OAuth2.0 身份认证和 ZKP 技术，使用户能够通过 Google 账户在以太坊网络上发送或接收代币。例如，当 Alice 想将资金转账给 Bob 时，Alice 可以通过 Bonsai Pay 输入 Bob 的 Google 邮箱和转账金额。Bob 随后可登陆 Bonsai Pay 输入邮箱地址并完成 Google 账户身份验证。Bonsai Pay 会使用 OAuth 2.0 生成授权代币，证明 Bob 确实是该邮箱的持有者。随后 Bonsai Pay 调用 Bonsai 证明服务，生成零知识证明，证明 Bob 的 Google 账户与钱包地址相关联。智能合约验证证明后，会解锁资金并将其转账到 Bob 的钱包地址。
整个过程中，Bonsai Pay 通过 ZKP 技术验证了「Bob 的 Google 账户与钱包地址相关联」的事实，又避免泄露任何 Google 账户的具体信息。
Bonsai 的另一重要应用是 Bonsai ZK 协处理器（ZK Co-processor）。它通过零知识证明技术，将复杂的计算任务从链上转移到链下，且生成不可篡改的证明以确保结果的正确性。同时，Bonsai 协处理器的部署也十分简单，开发者只需编写一个 zkVM 应用程序来处理逻辑，并通过简单的 Solidity 合约调用 Bonsai，运行计算并验证结果。整个过程中，Bonsai 证明服务负责生成链下计算的零知识证明，这些证明可以在链上验证。
Bonsai ZK 协处理器适用于需要高性能和低成本的链上应用。例如，在 DAO 治理中，它可以将复杂的投票计算转移到链下，显著降低链上 Gas 费用。Bonsai DAO Governor 通过协处理器将每票的 Gas 成本降低了超过 50%，有效提升治理效率，降低参与门槛。
在传统区块链架构中，为了确保交易的有效性，所有节点都需要重复执行每笔交易的所有计算。这种「全局重执行」模式虽然能够保证安全性和一致性，但也带来了极高的计算成本。为了解决这一问题，RISC Zero 推出了 Boundless，允许单个节点完成计算后生成一个可验证的零知识证明，其他节点只需验证该证明即可确认结果，无需重复执行计算。
Boundless 通过递归组合技术简化了验证过程。它将多个小的零知识证明合并为一个整体证明，使验证者只需检查一个总证明，而不必逐一验证所有阶段的证明。为了进一步优化零知识证明的生成效率，Boundless 内置了专用的密码学加速电路，优化了像哈希计算、数字签名验证等常见任务的效率。
此外，开发者使用 Boundless 不需要深入了解零知识技术，只需用熟悉的编程语言（如 Rust 或 Solidity）编写应用程序即可。目前，Boundless 已向开发者开放免费访问。开发者无需迁移现有系统或更新验证合约，就可以利用 Boundless 提供的 proving 服务，在任意区块链上快速构建和部署零知识应用。
Blobstream Zero 是 RISC Zero 和 Celestia 合作推出的基于 zkVM 的跨链桥，旨在将 Celestia 的数据可用性层无缝连接到现有的模块化区块链生态中。通过共享和验证 Celestia 上的数据，Blobstream Zero 实现了链与链之间更便捷的数据传输和验证。
作为完全开源的公**品，Blobstream Zero 允许任何项目或开发者运行本地实例，并生成零知识证明。此外，Blobstream Zero 还能够为 ZK 协处理器提供支持。ZK 协处理器本质上是一个链下计算工具，因此需要可靠的数据来执行计算。而 Blobstream Zero 可以从 Celestia 等区块链中获取数据，并且可以通过生成 ZK 证明来证明所传输的数据是可靠的。
Steel 是 RISC Zero 推出的开源工具，利用 zkVM 技术实现了链下可验证的智能合约执行。通过 Steel，开发者可以将 EVM 操作从链上转移到链下执行，同时生成零知识证明，确保计算结果的真实性和可验证性。
传统智能合约需要在链上完整执行所有逻辑，不仅 Gas 成本高昂，还限制了复杂应用的开发。而 Steel 的链下计算和链上验证机制解决了这一问题。例如，在一个简单的智能合约中，判断某账户的 ERC20 余额是否大于 1，并递增计数器变量。传统方法需要在链上完整执行逻辑，而 Steel 则在链下完成计算并生成零知识证明，链上只需验证证明，无需重复执行合约逻辑。
目前，RISC Zero 已发布 Steel 1.0，并且已经有合作伙伴已功利用该工具开发了应用。例如，在一个处理约 40 万次 SLOAD 操作的合约调用中，通过 Steel 将计算转移至链下执行，随后在链上验证生成的零知识证明。证明生成成本不到 10 美元，链上验证成本低于 30 万 Gas。
继发布 Zeth 后，RISC Zero 推出了 Kailua，旨为乐观 Rollup 提供了一种混合 ZK Rollup 的升级方案。传统乐观 Rollup 通常需要 7 天的挑战期，导致交易终局性较慢，而 ZK Rollup 虽然能快速实现终局性，但持续生成零知识证明的成本过高。Kailua 结合了两者的优势，通过混合架构实现了成本与效率的平衡。作为 Optimism Kona 框架的扩展，Kailua 不仅支持未经修改的 Kona 在 zkVM 上运行，还引入了创新的争议解决机制，降低了质押要求并减少了终局性延迟，从而提升了系统的效率和可用性。
在 Kailua 的架构中，争议机制采用了全新的设计。首先，其争议解决机制取消了时间限制，允许验证者在遇到网络中断等特殊情况时有充足时间生成证明，从而增强系统的弹性。即使在极端情况下，RISC Zero zkVM 的扩展架构仍能在一小时内完成证明。此外，Kailua 的按需验证功能让开发者能够灵活配置验证频率，以更低成本逐步过渡到完全验证的 Rollup 模式。
与 ZK Rollup 不同，Kailua 的设计无需持续生成证明。对于低频率的空区块或具有特殊合约需求的 Rollup，Kailua 提供了一种更具成本效益的选择。同时，Kailua 还显著降低了 Rollup 的质押成本需求。传统乐观 Rollup 的质押量会随着较长的终局性周期线性增加，而 Kailua 的优化设计将质押需求固定化，使得系统即使在长周期内依然能以更低成本维持安全性和活性。
目前，Kailua 已完全开源。开发者可以使用其命令行工具部署本地的 Optimism 测试网络，并快速升级为支持 ZK 故障证明的网络。Kailua 还支持模拟故障提案，帮助开发者了解验证者如何通过 zkVM 挑战错误状态，从而深入理解其争议解决机制。未来，Kailua 还将进一步优化成本与性能，及扩展至更多的 Rollup 框架支持。
从上文可以看出，RISC Zero 的 zkVM 产品矩阵正推动零知识证明技术在多个领域的发展。Zeth 和 Kailua 专注于 Rollup 架构优化，提升了区块验证效率和争议解决速度。Bonsai 提供远程证明服务，降低了硬件依赖和运行成本，使开发者能够更高效地构建应用。而 Blobstream Zero 通过高效验证跨链数据，为模块化区块链生态提供了可靠支持。此外，Steel 通过链下计算与链上验证的模式，降低了智能合约执行的 Gas 成本。
当然，在不断完善 zkVM 产品矩阵的同时，RISC Zero 也在持续推动 zkVM 底层技术的创新。近日，RISC Zero zkVM 发布了 1.2 版本，引入了一种全新的预编译方式，允许开发者将预编译逻辑与应用程序一起部署，而无需内置于 zkVM 本身。这意味着开发者可以添加新的预编译逻辑，而无需修改链上验证合约或协调证明者的配置，也无需对 zkVM 进行分叉或重大改动即可实现性能优化。此外，通过应用定义预编译，还可减少证明生成的计算成本。例如 Automata 集成 RSA 预编译后，将执行周期从 3900 万缩减到 21.7 万，成本降低了约 180 倍。
随着 zkVM 技术的不断优化，其发展潜力将在多个应用场景中逐步得到体现，不过如果要更好的释放这些潜力，仍要依赖于生态协作和技术落地的实际表现。
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