IOSG Weekly Brief ｜零知识证明 - FPGA vs GPU #177

零知识证明 - FPGA vs. GPU

作者：Star Li

零知识证明技术应用越来越广，隐私证明，计算证明，共识证明等等。在寻找更多更好的应用场景的同时，很多人逐步发现零知识证明证明性能是个瓶颈。Trapdoor Tech 团队从 2019 年开始深入研究零知识证明技术，并一直探索高效的零知识证明加速方案。GPU 或者 FPGA 是目前市面上比较常见的加速平台。本文从 MSM 的计算入手，分析 FPGA 和  GPU加速零知识证明计算的优缺点。

TL;DR

ZKP是拥有未来广泛前景的技术。越来越多的应用开始采用零知识证明技术。但ZKP算法比较多，各种项目使用不同的ZKP算法。同时，ZKP证明的计算性能比较差。本文详细分析了MSM算法，椭圆曲线点加算法，蒙哥马利乘法算法等等，并对比了GPU和FPGA在BLS12_381曲线点加的性能差别。总的来说，在ZKP证明计算方面，短期GPU优势比较明显，Throughput高，性价比高，具有可编程性等等。FPGA相对来说，功耗有一定的优势。长期看，有可能出现适合ZKP计算的FPGA芯片，也可能为ZKP定制的ASIC芯片。

ZKP是个零知识证明技术的统称（Zero Knowledge Proof）。主要由两种分类：zk-SNARK以及zk-STARK。zk-SNARK目前常见的算法是Groth16，PLONK，PLOOKUP，Marlin和Halo/Halo2。zk-SNARK算法的迭代主要是沿着两条方向：1/是否需要trusted setup 2/电路结构的性能。zk-STARK算法的优势是毋需trusted setup，但是验证计算量是对数线性的。

就zk-SNARK/zk-STARK算法的应用来看，不同项目使用的零知识证明算法相对分散。zk-SNARK算法应用中，因为PLONK/Halo2算法是universal（无需trusted setup），应用可能越来越多。

以PLONK算法为例，剖析一下PLONK证明的计算量。

PLONK证明部分的计算量由四部分组成：

1/ MSM - Multiple Scalar Multiplication。MSM经常用来计算多项式承诺。

2/ NTT计算 - 多项式在点值和系数表示之间变换。

3/ Polynomial计算 - 多项式加减乘除。多项式求值（Evaluation）等等。

4/ Circuit Synthesize - 电路综合。这部分的计算和电路的规模/复杂度有关。

Circuit Synthesize部分的计算量一般来说判断和循环逻辑比较多，并行度比较低，更适合CPU计算。通常来讲，零知识证明加速一般指的是前三部分的计算加速。其中，MSM的计算量相对来说最大，NTT次之。

MSM（Multiple Scalar Multiplication）指的是给定一系列的椭圆曲线上的点和标量，计算出这些点加的结果对应的点。

比如说，给定一个椭圆曲线上的一系列的点：

Given a fixed set of Elliptic curve points from one specified curve:

[G_1, G_2, G_3, ..., G_n]

以及随机的系数：

and a randomly sampled finite field elements from specified scalar field:

[s_1, s_2, s_3, ..., s_n]

MSM is the calculation to get the Elliptic curve point Q:

Q = \sum_{i=1}^{n}s_i*G_i

行业普遍采用Pippenger算法对MSM计算进行优化。深入看看Pippenger算法的过程的示意图：

Pippenger算法的计算过程分成两步：

1/ Scalar切分为Windows。如果Scalar是256bits，并且一个Window是8bits，则所有的Scalar切分为256/8=32个Window。每一层的Window，采用一个“Buckets”临时存放中间结果。GW_x就是一层上的累加结果的点。计算GW_x也比较简单，依次遍历一层中的每个Scalar，根据Scalar这层的值作为Index，将对应的 G_x加到相应的Buckets的位上。其实原理也比较简单，如果两个点加的系数相同，则先将两个点相加后再做一次Scalar加，而不需要两个点做两次Scalar加后再累加。

2/ 每个Window计算出来的点，再通过double-add的方式进行累加，从而得到最后的结果。

Pippenger算法也有很多变形优化算法。不管怎么说，MSM算法的底层计算就是椭圆曲线上的点加。不同的优化算法，对应不同的点加个数。

你可以从这个网站看看具有“short Weierstrass”形式的椭圆曲线上点加的各种算法。

http://www.hyperelliptic.org/EFD/g1p/auto-shortw-jacobian-0.html#addition-madd-2007-bl

假设两个点的Projective坐标分别为（x1, y1, z1) 和 （x2, y2, z2) ，则通过如下的计算公式可以计算出点加的结果(x3, y3, z3)。

Transak 完成 2000 万美元 A 轮融资，CE Innovation Capital 领投

* 基础设施

据 Tech Funding News 报道， Web3 支付和法币聚合器 Transak 完成 2000 万美元 A 轮融资， CE Innovation Capital 领投，参投方包括 IOSG Ventures、SBI Ven Capital、Sygnum、Azimut、Third Kind Venture Capital、UOB Venture Management、Signum Capital、Animoca Brands、Genting Ventures、Istari Ventures、No Limit Holdings、Woodstock Fund、KX、Axelar、Tokentus 和 The Lao，以及天使投资人 Jan Hammer（Index Ventures）、Charles Delingpole（ComplyAdvantage）和 Sandeep Nailwal（Polygon）。

Web3 分发平台 MetaZone 完成 300 万美元融资 

* Web3

Web3 数字内容和应用分发平台 MetaZone 宣布完成 300 万美元种子轮融资，专注于元宇宙领域投资的两家机构 Sfermion 和 CMT Digital 共同领投， IOSG Ventures、Tess Ventures、IVC (Infinity Ventures Crypto)、Polygon Studios、MHC Digital 和 LucidBlue Ventures 参投。

zkMe 完成 200 万美元融资

* 基础设施

零知识身份预言机 zkMe 完成 200 万美元 Pre-Seed 轮融资，Circle Venture、Spartan Group、CMS Holdings、Fenbushi Capital、NGC Ventures、Arkstream Capital 等参投，计划利用新资金加速开发，在一个月内完成主网测试并上线客户注册功能。

TomoChain 获得 Coin98 投资，将集成 Coin98 Wallet 作为官方钱包

* 基础设施

可扩展区块链 TomoChain 宣布获得了来自 Coin98 Labs 的投资，具体投资金额未披露，TomoChain 将使用新资金加强其基础设施、创新技术，并为将在其网络上开发的 DApp 的涌入做好准备。接下来 Coin98 Wallet 将作为官方钱包集成到 TomoChain 中。

zkEVM Kakarot 完成 Pre-Seed 轮融资

* 基础设施

基于 CairoVM 构建的模块化 zkEVM Kakarot 发推称，已完成 Pre-Seed 轮融资，具体融资金额未知，Vitalik Buterin、StarkWare、Node Guardians 联创兼 CEO Sam Benyakoub、LambdaClass、Zama CEO Rand Hindi、Starknet 联创 Fricoben、FuzzingLabs 等参投。

zkPass 获得 Binance Labs 的投资

* 基础设施

币安公布其 BuildTheBlock 总决赛活动的获胜者为 zkPass，同时，zkPass 将获得来自 Binance Labs 的投资。zkPass 正在开发一个开源协议，允许用户使用 MPC、ZKP 和 TLS 在 HTTPS 站点上证明私人数据，确保隐私，同时保持数据真实性、完整性和有效性。zkPass 此前入选币安孵化器第五季孵化计划的 12 个项目之一。

Demox Labs 完成 4500 万美元融资，HackVC 领投

* 基础设施

加密钱包开发平台 Demox Labs 完成 450 万美元融资， HackVC 领投。Demox Labs 将支持面向隐私区块链 Aleo 的各种产品的开发。Demox Labs 首个产品为隐私保护钱包 Leo Wallet。

DeFi 协议获得 Albus Protocol 获得 Solana 基金会资助

* DeFi

DeFi 协议 Albus Protocol 宣布已获得 Solana 基金会资助，具体金额暂未对外披露。Albus Protocol 旨在帮助 DeFi 协议在公共区块链上运行时遵守 KYC（了解你的客户）、AML（反洗钱）、GDPR（通用数据保护条例）、以及 CBDC（央行数字货币） 法规，新资金将推动该协议加速建立工具以构建基于零知识证明的合规公共区块链 DeFi 框架，具预计将在 8 月上线具有完整用户界面的 Web3 工具。

Prisma Finance 完成融资，Curve 创始人等参投 

* DeFi

LSD 稳定币协议 Prisma Finance 完成一轮融资，具体金额未披露，Curve Finance 创始人 Michael Egorov、Convex Finance 创始人 C2tP、FRAX Finance、Conic Finance、Tetranode、Llama Airforce、CoinGecko 创始人、OKX Ventures、DeFiDad、MrBlock、Impossible Finance、0xMaki、GBV、Agnostic Fund、Swell Network 创始人、The Block 的 Eden 研究总监 Adam Cochran、Ankr Founders、MCEG、Eric Chen 等参投。

Web3 游戏公司 Fusionist 完成 660 万美元种子轮投资资

* GameFi

Binance Labs 于 2022 年 5 月与 Web2 游戏巨头 FunPlus 共同领投对 Web3 游戏公司 Fusionist 的 660 万美元种子轮投资，融资资金用于继续加快游戏的开发，并建立 2023 年 1 月推出的 Endurance 主网生态系统。此外 Fusionist 还计划加强用户增长，并招募顶级的游戏和 Web3 专业人士，以进一步加强其团队的能力。

DeGame 完成 650 万美元融资，并推出 Web3 贡献证明平台 

* GameFi

链游发行平台 DeGame 宣布完成第二轮 650 万美元融资，此轮融资由 Folius Ventures、Kenetic Capital、A&T Capital 领投， NGC Ventures、Hack VC、Hashkey Capital、Avalanche、 Golden Bull、 Y2Z Ventures、Collingstar Capital、Sfermion、Bixin Ventures、Assembly Partners、FBG Capital、Lucid Blue、Ranger Protocol 等参投。

Illuvium 完成 1000 万美元融资，Framework Ventures 参投 

* GameFi

RPG 链游 Illuvium 联合创始人 Kieran Warwick 在 Discord 社区中发布声明称，已从 Framework Ventures 额外筹集 1000 万美元资金。所筹资金将加速 Illuvium 游戏开发。这笔交易系通过代币完成，将锁仓两年，不列入质押，因此不会参与利益分配。

Hogwarts Labs 完成 Pre-A 轮融资， Hash Global 和经纬创投等领投 

* Web3

聚焦 Web3+AI 的 DApps 研发公司 Hogwarts Labs 宣布完成 Pre-A 轮融资，累计融资 800 万美元，Hash Global、经纬创投、XIN Family 和 DHVC 领投，SevenX、Alliance、SKY9、NGC Ventures、EVG、No Limit Holdings、Stratified Capital、Old Fashion Research、North Beta Capital 和 Puzzle Ventures 等参投，其第二款服务 Web3 用户的 AI 助理产品将不早于今年第四季度发布。

Part.3 IOSG投后项目进展

zkSync：已完成 zkSync Era 网络优化升级

* ZK-Rollup

zkSync 表示，已完成针对 zkSync Era 网络的优化升级，系统按预期正常工作。昨日，zkSync 称 zkSync Era 网络的优化可能会导致短暂停机，交易仍然可以提交，但可能会遇到区块生成方面的小延迟。

StarkNet 主网已升级至 V0.11.2，正式激活 Cairo 1

* Layer 2

以太坊 Layer2 扩容解决方案 Starknet 主网已升级至 v0.11.2，正式激活 Cairo 1，开发者可在主网上部署 Cairo 1 智能合约，接下来 Starknet 主网将发布关于更高 TPS 的重大更新。

链游 Illuvium 完成 1000 万美元融资

* GameFi

RPG 链游 Illuvium 联合创始人 Kieran Warwick 在 Discord 社区中发布声明称，已从 Framework Ventures 额外筹集 1000 万美元资金。所筹资金将加速 Illuvium 游戏开发。这笔交易系通过代币完成，将锁仓两年，不列入质押，因此不会参与利益分配。