Le 10 avril, a16z Crypto a publié une solution zkEVM nommée Jolt, visant à accélérer et simplifier les opérations de mise à l'échelle de la blockchain. Jolt intègre des preuves de connaissance nulle SNARK pour fournir un cadre pour les Rollups compatibles avec l'EVM, aidant les développeurs à créer des solutions L2 basées sur SNARK. L'équipe a déclaré que la vitesse de Jolt est "deux fois plus rapide" par rapport aux solutions zkVM existantes.
Comme les principes techniques de Jolt sont relativement complexes, voici une explication simple de plusieurs termes techniques qui pourraient être impliqués :
zkSNARK est un primitif de preuve de connaissance nulle puissant et forme la base pour la construction de zkVM et zkEVM.
zkVM est un concept général d'une machine virtuelle à connaissance nulle qui prend en charge n'importe quel jeu d'instructions.
zkEVM est une instance spécifique de zkVM conçue spécifiquement pour être compatible avec l'EVM.
ZK Rollup utilise zkVM ou zkEVM pour améliorer la scalabilité d'Ethereum tout en préservant la confidentialité.
Qu'est-ce que Jolt?
Jolt est une nouvelle solution SNARK qui offre une approche plus concise et efficace pour construire zkVM (machine virtuelle à connaissance zéro). En fait, dès août 2023, a16z Crypto a proposé des concepts nommés Lasso et Jolt. Ces technologies ont été introduites face à la lenteur et au coût élevé de la technologie SNARK.
Lasso, l'un de ces concepts, est une nouvelle méthode de recherche de paramètres qui réduit considérablement les coûts pour les vérificateurs. Jolt, quant à lui, utilise Lasso pour fournir un nouveau cadre de conception des SNARKs pour zkVM et des applications frontales plus larges. Ensemble, ils améliorent les performances, l'expérience des développeurs et l'auditabilité des conceptions SNARK, améliorant ainsi la construction d'applications web3. Cela, à son tour, améliore l'utilisation des preuves de connaissances nulles dans le domaine de la blockchain.
Avant de plonger dans Jolt, il peut être utile de comprendre zkVM et zkEVM.
zkVM est un concept générique faisant référence à une machine virtuelle à connaissance nulle. Tout comme zkEVM, zkVM permet aux programmes d'être écrits dans des langages de haut niveau tels que C++ ou Rust, qui sont ensuite compilés par la machine virtuelle en une forme de représentation intermédiaire (comme des circuits ou des contraintes arithmétiques). Cette représentation intermédiaire est ensuite prouvée pour s'exécuter correctement à l'aide de systèmes de preuve comme zkSNARK. Contrairement à zkEVM, zkVM n'est pas limité à la compatibilité EVM mais prend en charge tout jeu d'instructions. Jolt est une implémentation zkVM haute performance conçue pour l'ensemble d'instructions RISC-V.
Nous pouvons considérer zkVM comme une « boîte noire » spéciale qui peut prouver au monde extérieur, tout en préservant la confidentialité, qu'elle a effectivement exécuté un calcul selon un programme prédéfini. Cependant, les zkVM traditionnels nécessitent des calculs étendus et fastidieux pour générer cette preuve, ce qui se traduit par de très mauvaises performances.
L'innovation principale de Jolt réside dans la recherche d'une approche mathématique plus efficace pour générer cette preuve :
Tout d'abord, Jolt transforme astucieusement le calcul à prouver en un type spécial de polynôme, que nous appellerons le "polynôme de calcul". La caractéristique de ce polynôme est que sa valeur est nulle uniquement lorsque la boîte noire exécute correctement le calcul.
Pour prouver que la valeur du "polynôme de calcul" est nulle, Jolt utilise un protocole interactif appelé "sumcheck". Ce protocole permet aux vérificateurs d'être convaincus en moins de temps que la valeur du polynôme est nulle sans avoir besoin de calculer l'intégralité du polynôme. Cela est similaire à un enseignant ne vérifiant que quelques questions sur la copie d'examen d'un étudiant pour déterminer si l'ensemble de la copie est correct.
Avantages techniques de Jolt
Les principes techniques de Jolt sont assez complexes, mais pour le dire simplement, zkVM est une technologie clé pour améliorer la scalabilité des réseaux blockchain, capable de fournir des preuves efficaces tout en préservant la confidentialité. Vitalik a discuté en détail de la technologie zkSNARK lors de son discours liminaire récent au Hong Kong Web3 Carnival. Vitalik a déclaré : « Trouver des ZKSNARKS est très utile pour la confidentialité et la scalabilité ».
Cependant, la vitesse de génération de preuves et la surcharge computationnelle ont toujours été des défis majeurs pour l'application pratique de la technologie zkSNARK, et ont fait l'objet de recherches académiques et industrielles ces dernières années. Les schémas zkSNARK traditionnels, tels que Pinocchio et Groth16, peuvent prendre plusieurs heures, voire plusieurs jours, pour générer des preuves pour des calculs complexes et nécessitent des ressources mémoire et de stockage importantes. Ce goulot d'étranglement de performance limite considérablement l'application de zkSNARK dans de nombreux scénarios pratiques.
Pour permettre de grandes applications sur les réseaux blockchain et réaliser une vérification en temps réel, l'amélioration des performances de zkSNARK est une étape cruciale.
Plus précisément, le processus de génération de preuve de zkSNARK implique des algorithmes cryptographiques complexes tels que les appariements de courbes elliptiques et l'interpolation polynomiale, qui consomment des ressources informatiques importantes. Surtout lorsque la taille du circuit calculé est grande, la complexité computationnelle de la génération de preuve augmente de manière exponentielle.
Selon a16z Crypto, la première implémentation de Jolt est environ 6 fois plus rapide que RISC Zero et 2 fois plus rapide que le SP1 récemment sorti sur CPU. De plus, ils prévoient d'améliorer encore la vitesse de Jolt d'environ 1,5 fois dans les semaines à venir.
Actuellement, la vitesse de Jolt est déjà plus de 2 fois plus rapide que le zkVM existant, mais il y a encore un espace considérable pour l'optimisation. Jolt utilise également intelligemment certaines propriétés algébriques des polynômes pour réaliser un schéma d'engagement polynomiale plus efficace, réduisant ainsi encore la taille des preuves et le temps de vérification.
Changements possibles que Jolt apportera
D'un point de vue technique, Jolt utilise une série de techniques d'optimisation, telles que des conceptions de circuits plus compactes, des pipelines plus efficaces et une plus grande parallélisation, pour maximiser l'utilisation de la puissance de calcul matérielle.
Supposez que vous êtes un développeur Web3 et que vous souhaitez déployer un jeu de poker décentralisé sur Ethereum. Ce jeu nécessite un mélange, une distribution et une comparaison des rangs de cartes sur la chaîne, chaque opération devant être implémentée à travers des circuits zkVM pour la confidentialité et la vérifiabilité.
Si vous deviez utiliser des solutions zkVM existantes telles que ZoKrates ou Bellman pour construire un tel circuit, cela pourrait prendre plusieurs heures, voire plusieurs jours. En effet, les performances actuelles de zkVM sont relativement faibles, et la génération de preuves de zéro connaissance pour des circuits complexes nécessite des ressources informatiques et du temps considérables. Cela entraînerait des cycles de développement et de test longs.
Cependant, si vous deviez utiliser Jolt pour construire le même circuit, la situation changerait considérablement. Selon les tests menés par l'équipe Jolt, l'implémentation actuelle de Jolt peut générer des preuves 2 à 5 fois plus rapidement que les solutions zkVM classiques. Cela signifie que si cela prenait à l'origine 10 heures pour générer une preuve, cela pourrait maintenant prendre seulement 2 à 5 heures.
Dans l'ensemble, l'amélioration des performances de 2 à 5 fois apportée par Jolt signifie une amélioration significative de la convivialité et de l'accessibilité de la technologie zkVM. Cela abaissera considérablement la barrière pour les développeurs Web3, raccourcira les cycles de développement des applications et offrira une meilleure expérience aux utilisateurs finaux. À l'avenir, Jolt a le potentiel d'accélérer l'adoption généralisée de la technologie zkVM, permettant à un plus grand nombre d'utilisateurs de bénéficier d'une protection accrue de la confidentialité et de capacités de calcul vérifiables dans l'écosystème Web3.
Bien sûr, Jolt en est encore à ses débuts de développement, et l'amélioration des performances de 2 à 5x n'est que le début. Avec une itération continue et une optimisation de la technologie Jolt, on peut s'attendre à de nouvelles avancées dans les performances de zkVM, ouvrant ainsi la voie à la réalisation d'applications Web3 à grande échelle.
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