协处理器历史背景

在传统的计算机领域，协处理器是负责为CPU大脑处理其它繁杂的事情的处理单元。协处理在计算机领域非常常见，如苹果在2013年推出M7运动协处理器，大幅度提升了智能设备的运动方面灵敏度。广为人知的GPU便是Nvidia在2007年提出的协处理器，其负责为CPU处理图形渲染等任务。GPU通过卸载一些计算密集且耗时的代码部分来加速CPU上运行的应用程序，这种架构被称为“异构” / “混合”计算。

协处理器能够卸载一些复杂且单一性能要求或者性能要求极高的代码，让CPU去处理更加灵活多变的部分。

在以太坊链上，有两个严重阻碍应用发展的问题：

  1. 由于操作需要高昂的Gas Fee，一笔普通的转账硬编码为21000 Gas Limit，这个就展现以太坊网络的Gas Fee底线，其它操作包括存储就会花费更多的Gas，进而就会限制链上应用的开发范围，大多数的合约代码仅仅是围绕资产操作而编写，一旦涉及到复杂的操作就会需要大量Gas，这对于应用和用户的“Mass Adoption”是严重阻碍。
  2. 由于智能合约存在于虚拟机中，智能合约实际上只能访问近期的256个区块的数据，特别是在明年的Pectra升级，引入的EIP-4444提案，全节点将不会再存储过去的区块数据，那么数据的缺失，导致了基于数据的创新应用迟迟无法出现，毕竟类似于Tiktok、Instagram、多数据的Defi应用、LLM等都是基于数据来进行构建，这也是为什么Lens这种基于数据的社交协议要推出Layer3 Momoka的原因，因为我们认为的区块链是数据流向非常顺畅的毕竟链上都是公开透明的，但是实际不然，仅仅是代币资产数据流通顺畅，但是数据资产由于底层设施的不完善仍然阻碍很大，这也会严重限制“Mass Adoption”产品的出现。

我们通过这一事实，发现其计算和数据都是限制新的计算范式“Mass Adoption”出现的原因。然而这个是以太坊区块链本身的弊病，并且其在设计时本就不是为了处理大量计算以及数据密集型任务而设计的。但是想要兼容这些计算与数据密集型的应用该如何实现？这里就需要引出协处理器，以太坊链本身作为CPU，协处理器就类似于GPU，链本身能处理一些非计算、数据密集型的资产数据和简单操作，而应用想要灵活使用数据或者计算资源可以使用协处理器。伴随着ZK技术的探索，为了保证协处理器在链下进行计算和数据使用的无需信任，因此自然而然，协处理器大多都在以ZK为底层进行研发。

对于ZK Coporcessor，其应用边界之广，任何真实的dapp应用场景均能覆盖，如社交、游戏、Defi积木、基于链上数据的风控系统、Oracle、数据存储、大模型语言训练推理等等，从理论上来说，任何Web2的应用能做到的事情，有了ZK协处理器就都能实现，并且还有以太坊来作为最终结算层保护应用安全性。

在传统的世界中，协处理器也没有一个明确的定义，只要能作为辅助协助完成任务的单独芯片都叫协处理器。当前业内对ZK协处理器的定义并不完全相同，如ZK-Query、ZK-Oracle、ZKM等都是协处理器，能够协助查询链上完整数据、链下的可信数据以及链下计算结果，从这个定义来看，实际上layer2也算是以太坊的协处理器，我们也会在下文中对比Layer2与通用ZK协处理器的异同。

协处理器项目一览

为什么说ZK是End Game？

ZK协处理器部分项目，图源：Gate Ventures

目前业内比较知名的协处理分成三大部分，分别是链上数据索引、预言机、ZKML这三大应用场景，而三种场景都包含的项目为General-ZKM，在链下运行的虚拟机又各有不同，如Delphinus 专注于zkWASM，而Risc Zero专注于Risc-V架构。

协处理器技术架构

我们以General ZK协处理器为例，进行其架构的分析，来让读者明白，该通用型的虚拟机在技术以及机制设计上的异同，来判断未来协处理器的发展趋势，其中主要围绕Risc Zero、Lagrange、Succinct三个项目进行分析。

Risc Zero

在Risc Zero中，其ZK协处理器名为Bonsai。

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Bonsai架构，图源：Risc Zero

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Bonsai组件，图源：Risc Zero

在Bonsai中，构建了一整套的与链无关的零知识证明的组件，其目标是成为一个与链无关的协处理器，基于Risc-V指令集架构，具备极大的通用性，支持的语言包括Rust、C++、Solidity、Go 等。其主要的功能包括：

  1. 通用 zkVM，能够在零知识/可验证环境中运行任何虚拟机。
  2. 可直接集成到任何智能合约或链中的ZK证明生成系统
  3. 一个通用的 rollup，将 Bonsai 上证明的任何计算分发到链上，让网络矿工进行证明生成。

其组件包括：

  1. 证明者网络：通过Bonsai API，证明者在网络中接受到需要验证的ZK代码，然后运行证明算法，生成ZK证明，这个网络未来会开放给所有人。
  2. Request Pool：这个池是存储用户发起的证明请求的（类似于以太坊的mempool，用于暂存交易），然后这个Request Pool会经过Sequencer的排序，生成区块，其中的许多证明请求会被拆分以提高证明效率。
  3. Rollup 引擎：这个引擎会收集证明者网络里收集到的证明结果，然后打包成Root Proof，上传到以太坊主网，以让链上的验证者随时验证。
  4. Image Hub：这个是一个可视化的开发者平台，在这个平台中可以存储函数以及完整的应用程序，因此开发者可以通过智能合约调用对应的API，因此链上智能合约就具备了调用链下程序的能力。
  5. State Store：Bonsai还引入了链下的状态存储，在数据库中以键值对的形式存储，这样就能够减少链上的存储费用，并且与ImageHub平台配合，能减少智能合约的复杂性。
  6. Proving Marketplace: ZK证明产业链的中上游，算力市场用于匹配算力的供需双方。

Lagrange

Lagrange的目标是构建一个协处理器和可验证的数据库，其中包括了区块链上的历史数据，可以顺畅的使用这些数据来进行无需信任的应用搭建。这就能满足计算和数据密集型应用的开发。

这涉及到两个功能：

  1. 可验证数据库：通过索引链上智能合约的Storage，将智能合约产生链上状态放入数据库中。本质上就是重新构建区块链的存储、状态和区块，然后以一种更新的方式存储在便于检索的链下数据库中。
  2. MapReduce原则的计算：MapReduce原则就是在大型数据库上，采用数据分离多实例并行计算，最后将结果整合在一起。而这种支持并行执行的架构被Lagrange称为zkMR。

在数据库的设计中，其一共涉及到链上数据的三部分，分别为合约存储的数据、EOA状态数据以及区块数据。

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Lagrange数据库结构，图源：Lagrange

以上是其合约存储的数据的映射结构，在这里存储了合约的状态变量，并且每个合约都有一个独立的Storage Trie，这个Trie在以太坊内是以MPT树的形式存储。MPT树虽然简单，但是其效率很低，这也是为什么以太坊核心开发者推动Verkel树开发的原因。在Lagrange内，每个节点都能使用SNARK/STARK 进行“证明”，而父节点又包含了子节点的证明，这其中需要使用递归证明的技术。

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账户状态，图源：Lagrange

账户分别为EOA和合约账户，都可以以账户 / Storage Root（合约变量的存储空间）的形式存储来代表账户状态，但是似乎Lagrange并没有完全设计好这一部分，实际上还需要加上State Trie（外部账户的状态存储空间）的根。

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区块数据结构，图源：Lagrange

Lagrange在新的数据结构中，创建了对于SNARKs证明友好的区块数据结构，这颗树的每个叶子都是一个区块头，这个数的大小是固定的，如果以太坊12秒出块一次，那么这个数据库大约可以使用25年。

在Lagrange的ZKMR虚拟机中，其计算有两个步骤：

  1. Map：分布式的机器对一整个数据进行映射，生成键值对。
  2. Reduce：分布式计算机分别计算证明，之后将证明全部合并。

简而言之，ZKMR可以将较小计算的证明组合起来以创建整个计算的证明。这使得 ZKMR 能够有效地扩展，以在需要多个步骤或多层计算的大型数据集上进行复杂的计算证明。比如，如果Uniswap在100条链上部署，那么如果想要计算100条链上的某个代币的TWAP价格，就需要大量的计算以及整合，这个时候ZKMR就能够分别计算每条链，然后组合起来一个完整计算证明。

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Lagrange协处理器运行流程，图源：Lagrange

以上是其执行流程：

  1. 开发者的智能合约，首先在Lagrange上注册，然后向Lagrange的链上智能合约提交一个证明请求，这时，代理合约负责与开发者合约交互。
  2. 链下的Lagrange通过将请求分解为可并行的小任务并分发给不同的证明器来共同验证。
  3. 该证明器实际上也是一个网络，其网络的安全性由EigenLayer的Restaking技术保障。

Succinct

Succinct Network的目标是将可编程事实集成到区块链开发Stack的每个部分（包括 L2、协处理器、跨链桥等）。

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Succinct运作流程，图源：Succinct

Succinct可以接受包括Solidity和零知识领域的专门语言（DSL）等代码，传入到链下的Succinct协处理器，Succinct完成目标链的数据索引，然后将证明申请发送给证明市场，能够支持CPU、GPU以及ETC等芯片的矿机在证明网络中提交证明。其特点在于证明市场对于各种证明系统都兼容，因为未来会有很长一段各种证明系统并存的时期。

Succinct的链下ZKVM称为SP（Succinct Processor），其能够支持Rust语言以及其它的LLVM语言，其核心特性包括：

  1. 递归+验证：基于STARKs技术的递归证明技术，能够指数级增强ZK压缩效率。
  2. 支持SNARKs到STARKs包装器：能够同时采纳SNARKs和STARKs优点，解决证明大小和验证时间的权衡问题。
  3. 预编译为中心的 zkVM 架构：对于一些常见的算法如SHA256、Keccak、ECDSA等，能够提前编译以减少运行时的证明生成时间和验证时间。

比较

在进行通用ZK协处理器的比较时，我们主要以满足Mass Adoption第一性原理来进行比较，我们也会阐述为什么很重要：

  1. 数据索引/同步问题：只有完整的链上数据以及同步索引功能才能满足基于大数据的应用的要求，否则其应用范围较为单一。
  2. 基于技术：SNARKs与STARKs技术有不同的抉择点，在中期内是以SNARKs技术为主，在长期以STARKs技术为主。
  3. 是否支持递归：只有支持递归才能更大程度的压缩数据以及实现计算的并行证明，因此实现完全的递归是项目的技术亮点。
  4. 证明系统：证明系统直接影响了证明生成的大小、时间，这个是ZK技术中成本最高的地方，目前都是以自建ZK云算力市场和证明网络为主。
  5. 生态合作：能够通过第三真实需求方来判断其技术方向是否被B端用户认可。
  6. 支持的VC以及融资情况：可能能够表示其后续的资源支持情况。

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图源：Gate Ventures

其实整体的技术路径已经很明晰，因此大多数的技术都趋同，比如都使用STARKs到SNARKs的包装器，能够同时使用STARKs和SNARKs的优点，降低证明生成时间和验证时间以及抗量子攻击。由于ZK算法的递归性能够很大程度影响ZK的性能，目前三个项目都有递归功能。ZK算法的证明生成是成本和时间耗费最多的地方，因此三个项目的都依赖于本身对ZK算力的强需求构建了证明者网络和云算力市场。也鉴于此，目前技术路径非常相似的情况下，可能突围更需要团队以及背后的VC对于生态合作资源方面的协助以占据市场份额。

协处理器与Layer2的异同

与Layer2不同的是，协处理器是面向应用的，而Layer2仍然是面向用户的。协处理器能作为一个加速组件或者模块化的组件，构成以下几种应用场景：

  1. 作为ZK Layer2的链下虚拟机组件，这些Layer2可以将自己的VM换成协处理器。
  2. 作为公链上应用卸载算力到链下的协处理器。
  3. 作为公链上应用获取其它链可验证数据的预言机。
  4. 作为两条链上的跨链桥进行消息的传递。

这些应用场景仅仅是罗列了一部分，对于协处理器，我们需要理解其带来了全链的实时同步数据与高性能低成本可信计算的潜力，能够通过协处理器安全地重构几乎区块链的所有中间件。包括Chainlink、The Graph目前也在开发其自己的ZK预言机和查询；而主流的跨链桥如Wormhole、Layerzero等也在研发基于ZK的跨链桥技术；链下的LLMs（大模型预言）的训练以及可信推理、等等。

协处理器面临的问题

  1. 开发者进入有阻力，ZK技术从理论上可行，但是目前技术难点仍然有很多，外部理解也晦涩难懂，因此当新的开发者进入到生态中时，由于需要掌握特定的语言与开发者工具，可能是一个较大的阻力。
  2. 赛道处于极早期，zkVM 性能非常复杂且涉及多个维度（包括硬件、单节点与多节点性能、内存使用、递归成本、哈希函数选择等因素），目前各个纬度都有在构建的项目，赛道处于非常早期，格局还不明朗。
  3. 硬件等先决条件仍然未落地，从硬件来看，目前主流的硬件是ASIC以及FPGA方式构建，厂商包括Ingonyama、Cysic等，也仍然处于实验室阶段，仍未商业化落地，我们认为硬件是ZK技术大规模落地前提。
  4. 技术路径相似，很难有技术上的隔代领先，目前主要比拼背后的VC资源以及团队BD能力，是否能拿下主流应用和公链的生态位。

总结与展望

ZK技术具备极大通用性，也帮助以太坊生态从去中心化的价值取向走向了去信任化的价值观。“ Don’t Trust , Verify it“，这句话便是ZK技术的最佳实践。ZK技术能够重构跨链桥、预言机、链上查询、链下计算、虚拟机等等一系列应用场景，而通用型的ZK Coprocessor就是实现ZK技术落地的工具之一。对于ZK Coporcessor，其应用边界之广，任何真实的dapp应用场景均能覆盖，从理论上来说，任何Web2的应用能做到的事情，有了ZK协处理器就都能实现。

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技术普及曲线，图源：Gartner

自古以来，技术的发展都落后于人类对美好生活的想象（比如嫦娥奔月到阿波罗踏上月球），如果一个东西确实有创新性和颠覆性以及必要性，那么技术一定会实现，只是时间问题。我们认为通用ZK协处理器遵循这一发展趋势。我们对于ZK协处理器“Mass Adoption”有两个指标：全链的实时可证明数据库以及低成本链下计算。如果数据量足够并且实时同步加上低成本的链下可验证计算，那么软件的开发范式便能够彻底改变，但是这一目标是缓慢迭代的，因此我们着重去寻找符合这两点趋势或者价值取向的项目，并且ZK算力芯片的落地是ZK协处理器大规模商业化应用的前提，本轮周期缺乏创新，是真正构建下一代“Mass Adoption”技术和应用的窗口期，我们预计在下一轮周期中，ZK产业链能够商业化落地，因此现在正是将目光重新放在一些真正能让Web3承载10亿人链上交互的技术上面。