L2トラックの爆発前夜、各種zkEVMの簡単な分析
2024-09-19 06:43:39
著者：0xRJ.eth
はじめに
2023年秋冬に実施される予定のイーサリアムの大規模アップグレード------カンクンアップグレード（Cancun-Deneb Upgrade）の核心的な目標は、イーサリアムネットワークのスケーラビリティ、安全性、可用性を強化し、同時にレイヤー2ネットワークのガス代を大幅に削減することです。したがって、成功裏に実施されれば、イーサリアムのレイヤー2拡張（L2 Rollups）エコシステムに直接的な利益をもたらし、さらにはL2全体のブレイクスルーを促進することが期待されます。
L2拡張の分野では、優れたデータ圧縮性能を持つゼロ知識証明拡張ソリューション（ZK Rollups）が、イーサリアムの中長期的な核心的なソリューションとして認識されています。イーサリアムの創設者であるヴィタリックは、2022年に各種ZK RollupsとEVM（Ethereum Virtual Machine）との互換性に基づいて、それを4つの異なるタイプに分類し、zkEVMタイプの基準を確立しました。
この記事は、上記のVitalikの革新的な分類基準に触発されています。1年間の発展を経て、この分野は大きな進展を遂げました。本稿は、明確な論理と簡潔な言葉で、ヴィタリックの見解を基に、トラックの更新とより詳細な解釈（技術初心者に優しい）を提供することを目的としています。
EVMとは？
EVM（Ethereum Virtual Machine）イーサリアム仮想マシンは、最初のチューリング完全なブロックチェーン仮想マシンです。これは、イーサリアム上のコード実行環境として理解でき、イーサリアムネットワーク上にデプロイされたスマートコントラクトを実行するために特化されています。EVMを通じて、スマートコントラクトは分散型ネットワーク上で自動化された機能を実現できます。
2015年にリリースされた、これまでで最も実績のあるブロックチェーン仮想マシンであるEVMは、イーサリアムにとって非常に重要なインフラです。他のブロックチェーンを評価する際にも、EVM互換性の有無は重要な考慮要素となっています。なぜなら、EVM互換性は単なるスマートコントラクト実行環境や利用可能なイーサリアムツールセットを超え、巨大なネットワーク効果と成熟した複雑なエコシステムを意味するからです。
しかし、EVMは設計当初、ZK Rollup L2がイーサリアムの拡張の核心的なソリューションになるとは想定していなかったため、EVMの設計はゼロ知識証明に対して友好的であることを考慮していませんでした。これにより、ゼロ知識証明に友好的なEVM（zkEVM）を構築することが非常に困難になっています。
zkEVMとは？
ゼロ知識証明（Zero Knowledge Proof）とイーサリアム仮想マシン（EVM）との互換性の難しさから、初期のZK RollupはEVMをサポートしていませんでした。これらは一般的にスマートコントラクトを実行する能力を欠いており（または特別な仮想マシンをサポートしている）、したがって比較的単純な特定のシナリオに制限されていました：例えば、トークン交換（swap）や支払い（payment）などです。
この問題を解決するために、多くの組織や研究者がzkEVM（Zero Knowledge Ethereum Virtual Machine）の作成に注力しました。名前が示すように、これはEVM内でスマートコントラクトの実行（プロセスと結果）に対してゼロ知識証明を生成するものです。
ZK Rollup拡張ソリューションの確実性が高まり、技術が進展する中で、各社のzk拡張プロジェクトは互換性（Compatibility）と性能（Performance）（ゼロ知識証明生成時間Proving Time）の間でバランスを取りながら、EVMの実行とゼロ知識証明計算を組み合わせるさまざまな方法を開発しました。
異なるタイプのzkEVM：
出典：Vitalikブログ「The different types of ZK-EVMs」
2022年、Vitalikは「異なるタイプのzkEVM」について説明し、市場に出ているzk拡張プロジェクトを大まかに分類し比較しました。
次に、わかりやすい言葉と明確な論理でzkEVMのタイプ、技術アーキテクチャ、およびそれぞれの利点と欠点を整理しましょう。
Type1類zkEVM ：完全にイーサリアムと等価
Type2類zkEVM：完全にEVMイーサリアム仮想マシンと互換性がある（かつてはType2.5類もありましたが、現在は基本的にType2類に統合されています）
Type3類zkEVM：ほぼEVMイーサリアム仮想マシンと互換性がある
Type4類zkEVM：高級言語と互換性がある
Type1類zkEVM------完全にイーサリアムと等価
アーキテクチャ：
イーサリアムと完全に等しく、イーサリアムシステム環境のいかなる部分も変更する必要がありません。
ハッシュ（Hashes）、状態ツリー（State Trie）、取引ツリー（Transactions Trie）、プレコンパイル契約（Precompiles）、およびその他の合意ロジック（In-consensus Logic）を置き換える必要はありません。
その目標は、既存のアプリケーションと完全に互換性を持たせることであり、開発者はアプリケーションをスムーズに移行できます。
利点：
すべてのタイプのZK Rollupの中で互換性が最も高いソリューションです。したがって、開発者にとって最もフレンドリーなソリューションであり、開発者は既存のコードを変更なしでL2にデプロイして実行できるため、すべての合意ロジックとシステム環境がイーサリアムと完全に等しいからです。
イーサリアム自体が拡張の方向性を探求するのと高度に一致しており、Type1類zkEVM上での探求は、将来的にイーサリアム本体に摩擦なく導入され、イーサリアムL1自体のスケーラビリティを向上させることができます。
それは、Rollupが既存の膨大なイーサリアムインフラを摩擦なく移行できるようにします（例えば、イーサリアム実行クライアントは元の方法でRollupブロックを生成および処理でき、既存のブロックエクスプローラーやブロック生成ツールもスムーズにL2にデプロイできます）。
現在のイーサリアムと同様にイーサリアムブロックを検証でき、より正確には実行層端（すべての取引実行、スマートコントラクト、アカウントロジックを含むが、現在はビーコンクレイン合意ロジックを含まない）を検証できます。
前述のように、イーサリアムと完全に等しいことの大きな価値は、イーサリアムの既存の巨大なネットワーク効果と成熟した複雑なエコシステムを活用できることです。
欠点：
イーサリアムがゼロ知識証明を統合する際に直面する問題は、Type1類ソリューションも同様に直面します（結局のところ、これはイーサリアムと等価であり、イーサリアムは最初からzk機能のために設計されていなかったからです）。
最大の問題は、証明生成に必要な時間が長いことです。この問題に対して、現在業界での主要な解決策は、巧妙なエンジニアリングによる大規模な並列化証明や、ハードウェアの最適化による加速です。
主流プロジェクト：
イーサリアム財団PSE（Privacy and Scaling Explorations 隠私と拡張）チーム
Taiko：今年7月にAlpha-4テストネットに更新され、2024年初頭にメインネットが立ち上がる予定です。Taikoプロジェクトは、最初から分散化と互換性を優先しており、現在のところ唯一の分散型提案者（proposer）を実現したZK Rollupです。
Type2類zkEVM------完全にEVMイーサリアム仮想マシンと互換性がある
アーキテクチャ：
完全にEVMイーサリアム仮想マシンと互換性を持つことを目指していますが、イーサリアムと等価ではありません。
イーサリアム自身の実行環境と比較して、このタイプのzkEVMは、ブロック構造、状態ツリーのデータ構造、ガス代の価格設定ロジック（zkの友好度に基づいて再価格設定）およびデータストレージなどのいくつかの変更を行い、zk検証証明の生成をより迅速かつ安価にします。
その目標は、可能な限り既存のアプリケーションの大部分と互換性を持たせることであり、少数のアプリケーションは若干の変更が必要です。
利点：
ガス代の再価格設定（zkに友好的でないopコードの価格が高く、逆に友好的なものは安くなる）や、ZKに友好的でないイーサリアムスタックの一部を削除することにより、Type1類よりも迅速な検証時間を提供します。
Type2類は、既存のイーサリアムアプリケーションの大部分と互換性を持つことができるため、ほとんどの開発者やユーザーは摩擦を感じることはありません。
直接イーサリアム実行クライアントを変更なしで使用することはできませんが、いくつかのデバッグを通じて既存のEVMデバッグツールや他の開発インフラをサポートすることができます。したがって、イーサリアムの既存の繁栄したエコシステムを大いに活用することができます。
欠点：
実行環境の変更の影響範囲は小さいですが、中長期的には潜在的な開発問題が依然として存在します。例えば、イーサリアムで一般的に使用されるハッシュ（Keccak）を他のzkに友好的なハッシュ値（例えばPoseidon）に置き換えると、Keccakハッシュ値に依存するプログラムアプリケーション（例えば、クロスチェーンブリッジなど）がType2類プロジェクトに移行した際に互換性の問題（使用できない、または異なる結果が出る）を引き起こす可能性があります。
ガス代の価格設定ルールの変更（本来はzkの友好度に基づいてopコードの価格を再設定することで、開発者にzkに友好的でないopコードの使用を減らすよう「誘導」することを意図しています）は、すでにイーサリアム上でガス代の最適化を行った契約や、イーサリアム上のガス代最適化ツールに問題をもたらす可能性があります。
これらの変更は、Type1類zkEVMと比較して証明者の効率をさらに向上させましたが、Type4類zkEVMと比較すると、証明時間は依然として相対的な欠点です。
主流プロジェクト：
Scroll：2022年9月にPre-Alphaテストネットを立ち上げ、2023年2月にAlphaテストネットを立ち上げ、2023年8月にメインネットを立ち上げる予定です。テストネットの立ち上げ時はType3類zkEVMに属していましたが、現在はEVM互換性を徐々に強化し、Type2類zkEVMに移行しています。
Polygon zkEVM（PolygonチームのZK Rollupソリューション）：2023年3月にメインネットのベータ版を立ち上げました。立ち上げ時はType3類zkEVMに属していましたが、現在はType2類zkEVMに移行しています。
Type3類zkEVM------ほぼEVMイーサリアム仮想マシンと互換性がある
アーキテクチャ：
ヴィタリックは2022年のブログ記事で、Type3類zkEVMは、互換性を高めてType2/1類に移行するか、互換性を低下させてzkに友好的な度合いを高めてType4類に移行する過渡的なものだと述べています。
ほぼEVMイーサリアム仮想マシンと互換性があります。互換性の面でさらに犠牲を払うことで、zkEVMの開発が容易になり、zk証明の生成速度が向上します。
zkEVMで実現が難しい機能（例えばプレコンパイル機能）をさらに削除しました。
コントラクトコード（contract code）、メモリ（memory）、またはスタック（stack）を処理する際に、より大きな差異があります。
目標は、既存のアプリケーションの大部分と互換性を持たせることです。
利点：
Type1およびType2類zkEVMと比較して、このタイプはよりzkに友好的であり、zk証明の運算時間が短くなります。
Type4類zkEVMが互換性を持つ既存のイーサリアムアプリケーションよりも多くのアプリケーションと互換性があります。
欠点：
Type1およびType2類zkEVMと比較して、このタイプは互換性が高くなく、より多くの要素が犠牲になっています（イーサリアム開発者にとってより不親切です）。これがType3類が過渡的なものである理由であり、このタイプのソリューションは互換性を高めてType2類zkEVMに移行する可能性が高いです。
Type4類zkEVMと比較して、証明速度が遅くなります。
主流プロジェクト：
Scroll：2022年9月にPre-Alphaテストネットを立ち上げ、2023年2月にAlphaテストネットを立ち上げ、2023年8月にメインネットを立ち上げる予定です。一年前、Scrollはこのタイプに属していましたが、現在はイーサリアムの互換性を高め、Type2類zkEVMに向かっています。
Polygon zkEVM（PolygonチームのZK Rollupソリューション）：2023年3月にメインネットのベータ版を立ち上げました。立ち上げ時はType3類zkEVMに属していましたが、現在はType2類zkEVMに移行しています。
Type4類zkEVM------高級言語と互換性がある
アーキテクチャ：
このタイプは実際にはzkVM（ゼロ知識証明仮想マシンであり、ゼロ知識証明イーサリアム仮想マシンではありません）。
プログラミング言語レベルの互換性として理解できます。大まかな論理は、開発者がイーサリアム上で慣れ親しんだプログラミング言語（例えばSolidity）を使用してスマートコントラクトを作成できるということです。このタイプのプロジェクトは、コンパイラを使用してこのプログラミング言語を彼らのカスタム可読コード（例えば、StarkwareはWarpコンパイラを使用してSolidityコードをCairoバイトコードに変換します；zkSyncはLLVMコンパイラを使用してSolidityコードを彼らのカスタム仮想マシンで実行可能なコードLLVM-IRに変換します）にコンパイルし、彼らのカスタム環境（例えば、StarknetのCairo VMやzkSyncのSync VM）で実行します。
目標は、低コスト、高効率、ゼロ知識証明の友好性を最大化することです。
利点：
非常に速い検証時間。
高級言語から直接コンパイルすることで、コスト（時間、金銭、計算作業量）を大幅に削減できます。
証明者になるための技術的なハードルを下げ、分散化の程度を高めます。
このタイプのzkEVMは、彼らのカスタム仮想マシンを使用することで、アカウント抽象（Account Abstraction）をネイティブにサポートできます。EVM等価のチェーンはネイティブにアカウント抽象をサポートできず、イーサリアムのERC-4337を介して実現する必要があります。
欠点：
多くの既存のイーサリアムアプリケーションは、このタイプのzkVMに複製できないか、複製中に問題が発生します。例えば、Type 4類zkVMシステム内の契約のアドレスはEVM内のアドレスと異なる可能性があります；Type4類zkEVMは手書きのEVMバイトコードをサポートしておらず（現在、多くのアプリケーションはガス代を節約するために手書きのEVMバイトコードを使用しています）、このタイプはコンパイラを通じてSolidityコードの言語レベルの互換性を達成していますが、そのコンパイラはSolidityのいくつかの機能をサポートしていません。
イーサリアム開発者がこのタイプのプロジェクトにアプリケーションをデプロイしたい場合、より複雑な調整が必要です。したがって、前のタイプのzkEVMと比較して、このタイプのプロジェクトは開発者にとって相対的に不親切であり、エコシステムの発展や技術の進化速度に影響を与える可能性があります。
イーサリアムの既存の複雑で繁栄したエコシステムやネットワーク効果を活用することが非常に難しいです。
主流プロジェクト：
zkSync Era（Matter Labsチームが構築したZK Rollupソリューション）：2020年6月にzkSync Lite（zkSync 1.0）を立ち上げ、主にシンプルな支払い（payment）や資産交換（swap）シナリオをサポートし、EVM互換のスマートコントラクトはサポートしていませんでした；2023年3月にzkSync Era（zkSync 2.0）を立ち上げ、上記のアーキテクチャを通じて高級言語レベルの互換性を実現しました。zkSyncの目標はEVM互換ではなく、ゼロ知識証明生成速度の向上です。
Starknet（Starkwareチームが構築したZK Rollupソリューション）：2021年11月にメインネットを立ち上げ、今年7月にv0.12.0バージョンに更新されました。自身はType4類zkEVMに属し、EVM互換を目指しているわけではありません。しかし、現在その上にはKakarotのようなプロジェクトもあり、StarknetがType 2.5-3類zkEVMの互換性を達成することを目指しています。
ヴィタリックが2022年に異なるzkEVMを分類したことを基に、各プロジェクトの進展（2023年8月時点）を考慮すると、以下の図で簡単にまとめることができます：
各社主流ZK Rollupプロジェクトの分類
各種zkEVM主流プロジェクト
各社主流ZK Rollupプロジェクトの比較図
ヴィタリックは文末で次のようにまとめています。「私個人としては、時間の経過とともに、zkEVMの改善とイーサリアム自体の改善を組み合わせて、最終的にすべてがType1類になることを望んでいます。
そのような未来において、私たちは複数のzkEVM実装を持ち、それらはZK Rollup（ゼロ知識拡張）にも、イーサリアムチェーン自体の検証にも使用できます。理論的には、イーサリアムはL1（第一層）に対して単一の標準化されたzkEVM仕様を使用する必要はなく、異なるクライアントが異なる証明方式を選択できるため、コードレベルの冗長性から引き続き利益を得ることができます。
しかし、そのような未来を実現するには、かなりの時間が必要です。同時に、イーサリアム（自体）のスケーリングと、イーサリアムに基づくZK Rollupの異なる道筋に関して、多くの革新が見られるでしょう。」
また、市場に出ている主流のzkEVM分類方法は、ヴィタリックが2022年に提案した分類（この記事で引用したもの）ですが、他の分類基準も存在します。そして、どのように分類しても、これらのzkEVMタイプには絶対的な優劣はありません。それらは互換性と速度の間でトレードオフをしているだけです：Type1類zkEVMはイーサリアムとの互換性が最も高いですが、証明速度は遅い（ZK Rollup分野では）；Type4類zkEVMはイーサリアムとの互換性が低いですが、検証速度は速いです。
もちろん、zkEVMの互換性と速度は、実際には開発者がどのZK Rollupにアプリケーションをデプロイするかを考慮する際の唯一の指標ではありません。他にも多くの要因が彼らの選択に影響を与える可能性があります。例えば：
L2取引の順序付けの分散化の程度：シーケンサー/プロポーザーが分散化されているかどうかは、エコシステム参加者の複雑さや全体のネットワークの安全性に直接影響します；
費用：どのトークンで費用を支払い、パブリックチェーンのトークン経済モデルがどのようになっているか；
証明生成のルール：プロバーへのインセンティブメカニズム、証明生成を加速するためのハードウェア基準；
自己保管：L2で事故が発生した場合にL1でユーザー資産を回復できる明確なメカニズムがあるかどうか；
データの可用性：完全なデータの可用性コストは自然に高くなりますが、いくつかのZK Rollupが採用している低コストのデータ可用性モデルが受け入れられるかどうか。
ただし、現在ほとんどの汎用ZK Rollupプロジェクトはテストネット段階にあるため、これらの要因を横断的に比較することはできません。
最後に、いかなるzkEVMプロジェクトのタイプも静的ではありません。各社のzkEVMに関する探求や、イーサリアム自体の改善に伴い、すべてのソリューションが最終的にType 1類zkEVMの効果を達成できる可能性があります。その時、私たちは複数のzkEVM実装を持ち、ZK Rollupsにも、イーサリアムチェーン自体の検証にも使用できるでしょう。
その前に、イーサリアムとZK Rollupの異なる道筋での持続的な革新を期待しましょう。
参考資料：
https://vitalik.ca/general/2022/08/29/zkevm_zhTW.html
https://taiko.mirror.xyz/w7NSKDeKfJoEy0p89I9feixKfdK-20JgWF9HZzxfeBo
https://docs.moonbeam.network/builders/pallets-precompiles/precompiles/eth-mainnet/
https://news.marsbit.co/20230329154749858367.html
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