ArkStream Capital：なぜ私たちはFHE分野に投資するのか？

2024-05-27 17:00:17

コレクション

全同態暗号FHEは暗号学の聖杯の一つと見なされており、その独特な特性により、第三者は暗号化されたデータを解読することなく、任意の回数の計算や操作を行うことができ、組み合わせ可能なチェーン上のプライバシー計算を実現し、複数の分野やシーンに新たな可能性をもたらしました。

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前言

過去、暗号技術は人類文明の進歩において重要な役割を果たしてきました。特に情報セキュリティとプライバシー保護の分野では、代替不可能な役割を果たしています。それは、さまざまな分野のデータ伝送と保存に堅固な保護を提供するだけでなく、その非対称暗号の公開鍵と秘密鍵の体系、及びハッシュ関数は、2008年に中本聡によって創造的に融合され、二重支出問題を解決するためのプルーフ・オブ・ワークメカニズムが設計されました。これにより、ビットコインという革命的なデジタル通貨の誕生が促進され、ブロックチェーン業界の新時代が開かれました。

ブロックチェーン業界の進化と急速な発展に伴い、一連の最先端の暗号技術が次々と登場しています。その中でも、ゼロ知識証明（ZKP）、マルチパーティ計算（MPC）、および全同態暗号（FHE）が特に目立っています。これらの技術は、ZKPがRollupソリューションと組み合わさってブロックチェーンの「不可能な三角形」問題を解決したり、MPCが公開鍵と秘密鍵の体系と組み合わさってユーザーエントリーの大規模な適用（Mass Adoption）を促進したりするなど、さまざまなシーンで広く応用されています。暗号学の聖杯の一つと見なされる全同態暗号FHEは、その独特の特性により、第三者が暗号化データを解読せずに任意の回数計算や操作を行うことを可能にし、組み合わせ可能なチェーン上のプライバシー計算を実現し、さまざまな分野やシーンに新たな可能性をもたらしています。

快速概览FHE

FHE（全同態暗号）について言及する際、まずその名称の背後にある意味を理解することができます。まず、HEは同態暗号技術を指し、その核心的な特性は暗号文に対して計算や操作を行うことを許可することであり、これらの操作は明文に直接マッピングされ、暗号化データの数学的特性を保持します。そして、FHEの「F」は、この同態性が全く新しい高みに達し、暗号化データに対して無限回の計算や操作を許可することを意味します。

理解を助けるために、最も単純な線形関数を暗号化アルゴリズムとして選び、単一の操作を用いて加法同態と乗法同態を説明します。もちろん、実際のFHEでは、より複雑な数学アルゴリズムの一連が使用され、これらのアルゴリズムは計算リソース（CPUとメモリ）に対して非常に高い要求を持っています。 FHEの数学的原理は深遠で複雑ですが、ここでは詳細には触れません。同態暗号の分野では、FHEの他にも部分同態暗号といくつかの同態暗号という二つの形式があります。これらの主な違いは、サポートされる操作の種類と許可される計算回数ですが、同様に暗号化データの計算と操作を実現する可能性を提供します。ただし、内容の簡潔さを保つため、ここでは深く議論しません。

FHE業界では、多くの著名な企業が研究と開発に参加していますが、マイクロソフトとZamaは、その卓越したオープンソース製品（コードライブラリ）によって、比類のない可用性と影響力を際立たせています。彼らは開発者に安定かつ効率的なFHEの実装を提供し、これらの貢献はFHE技術の持続的な発展と広範な応用を大いに促進しました。

マイクロソフトのSEAL：マイクロソフトリサーチによって精巧に作られたFHEライブラリで、全同態暗号をサポートするだけでなく、部分同態暗号にも対応しています。SEALは効率的なC++インターフェースを提供し、多くの最適化アルゴリズムと技術を統合することで、計算性能と効率を大幅に向上させています。

ZamaのTFHE：高性能全同態暗号に特化したオープンソースライブラリです。TFHEはC言語インターフェースを通じてサービスを提供し、一連の先進的な最適化技術とアルゴリズムを使用して、より高速な計算速度と低いリソース消費を実現することを目指しています。

最も単純化された考え方に従って、FHEの操作プロセスは大まかに次のようになります：

鍵の生成：FHEライブラリ/フレームワークを使用して、一対の公開鍵と秘密鍵を生成します。
データの暗号化：公開鍵を使用して、FHE計算処理を行う必要があるデータを暗号化します。
同態計算の実行：FHEライブラリが提供する同態計算機能を利用して、暗号化されたデータに対してさまざまな計算操作（加法、乗法など）を実行します。
結果の復号：計算結果を確認する必要がある場合、正当なユーザーが秘密鍵を使用して計算結果を復号します。

FHEの実践において、復号鍵の管理方案（生成、流通、使用など）は特に重要です。暗号化データの計算と操作結果は、特定の時刻やシーンで使用するために復号する必要があるため、復号鍵は元のデータと加工データの安全性と完全性を確保するための核心となります。復号鍵の管理に関する方案は、実際には従来の鍵管理と多くの類似点がありますが、FHEの特異性を考慮して、より厳密で詳細な戦略を設計することも可能です。

ブロックチェーンにとって、去中心化、透明性、不正改ざん防止などの特性により、閾値マルチパーティ計算方案（Threshold Multi-Party Computation, TMPC）を導入することは非常に有望な選択肢です。この方案は、複数の参加者が共同で復号鍵を管理および制御できるようにし、設定された閾値数（参加者数）に達したときのみ、データを成功裏に復号できるようにします。これにより、鍵管理の安全性が向上し、単一ノードが攻撃されるリスクが低下し、FHEがブロックチェーン環境で適用されるための強力な保障を提供します。

打下基础的fhEVM

最小限の侵入性の観点から、FHEをブロックチェーン上で実装する最も理想的な方法は、それを汎用のスマートコントラクトコードライブラリとしてカプセル化し、軽便性と柔軟性を確保することです。しかし、この方案の前提は、スマートコントラクト仮想マシンがFHEに必要な複雑な数学演算と暗号操作の特定の命令セットを事前にサポートしている必要があることです。仮想マシンがこれらの要求を満たさない場合、FHEアルゴリズムのニーズに適応するために、仮想マシンのコアアーキテクチャを深くカスタマイズおよび改造する必要があります。

広く採用され、長い間検証されてきた仮想マシンとして、EVMは自然にFHEを実現するための選択肢となります。しかし、この分野の実践者は非常に少なく、その中で再びオープンソースのTFHEを提供するZama社に注目が集まります。実際、Zamaは基本的なTFHEライブラリを提供するだけでなく、FHE技術を人工知能とブロックチェーン分野に応用することに特化したテクノロジー企業として、Concrete MLとfhEVMという二つの重要なオープンソース製品を発表しました。Concrete MLは機械学習のプライバシー計算に特化しており、データサイエンティストやMLの専門家がプライバシーを保護しながら敏感なデータで機械学習モデルのトレーニングと推論を行い、データリソースを最大限に活用できるようにします。もう一つの製品であるfhEVMは、Solidityをサポートし、プライバシー計算を実現する全同態EVMです。fhEVMにより、開発者はイーサリアムのスマートコントラクト内で全同態暗号技術を使用し、プライバシー保護と安全な計算を実現できます。

fhEVMの資料を読むことで、fhEVMの核心的な特性は次のようであることがわかります：

fhEVM：非EVMバイトコード層で、内蔵関数の形式で、ZamaのオープンソースFHEライブラリの複数の異なる状態のプリコンパイルコントラクトを統合し、FHEの操作サポートを提供します。また、FHE専用に設計された特定のEVMメモリとストレージ領域を用意し、FHEの暗号文を保存、読み書き、検証します；
分散型閾値プロトコルに基づく復号メカニズム：複数のユーザーと複数のコントラクト間で混合暗号データのグローバルFHE鍵とチェーン上に保存された暗号鍵をサポートし、複数の検証者間で閾値のマルチパーティ安全計算方案を使用して復号鍵を共有する非同期暗号メカニズム；
開発者の使用ハードルを下げるSolidityコントラクトライブラリ：FHEの暗号データ型、操作型、復号呼び出し、暗号出力などを設計しました；

ZamaのfhEVMはブロックチェーンアプリケーションにおけるFHE技術の堅固な出発点を提供しますが、Zamaは主に技術研究に重点を置いているため、その解決策は技術面に偏っており、エンジニアリングの実装や商業応用に関する考察は比較的少ないです。そのため、fhEVMが実際の応用に向けて推進される過程で、技術的なハードルや性能最適化など、さまざまな予期しない課題に直面する可能性があります。

构建生态的FHE-Rollups

単独のfhEVM自体はプロジェクトや完全なエコシステムを構成することはできず、むしろイーサリアムエコシステムの多様なクライアントの一つのようです。独立したプロジェクトとして立ち上がるためには、fhEVMはパブリックチェーンレベルのアーキテクチャに依存するか、Layer2/Layer3のソリューションを採用する必要があります。FHEパブリックチェーンの発展方向は、分散型検証者ノード間でのFHE計算リソースの冗長性と浪費をどのように減らすかを解決することを避けられません。逆に、パブリックチェーンの実行層として存在するLayer2 / Layer3ソリューションは、計算作業を少数のノードに分配し、計算コストを大幅に削減します。このため、Fhenixは先駆者として、fhEVMとRollup技術を組み合わせることを積極的に探求し、先進的なFHE-Rollups型Layer2ソリューションの構築を提案しています。

ZK Rollups技術は複雑なZKPメカニズムを含み、検証に必要な証明を生成するために膨大な計算リソースを必要とするため、全FHEの特性を考慮すると、ZK Rollupsに基づくFHE-Rollupsソリューションを直接実現することは多くの課題に直面します。したがって、現段階では、ZK Rollupsに比べてOptimistic RollupsソリューションをFhenixの技術選択として採用する方がより実用的で効率的です。

Fhenixの技術スタックは、次のいくつかの重要なコンポーネントを含みます：Arbitrum Nitroの詐欺証明者の変種で、WebAssemblyで詐欺証明を行うことができるため、FHEロジックはまずWebAssemblyにコンパイルされて安全に実行されます。コアライブラリfheOSは、FHEロジックをスマートコントラクトに統合するために必要なすべての機能を提供します。閾値サービスネットワーク（TSN）はもう一つの重要なコンポーネントで、秘密分散されたネットワーク鍵をホスティングし、特定のアルゴリズムを使用した秘密分散技術を用いてそれを複数の部分に分割し、安全性を確保し、必要に応じてデータの復号などのタスクを担当します。

上記の技術スタックに基づき、Fhenixは最初の公開バージョンFhenix Frontierをリリースしました。これは多くの制限や機能の欠如がある初期バージョンですが、すでにスマートコントラクトコードライブラリ、Solidity API、コントラクト開発ツールチェーン（Hardhat/Remixなど）、フロントエンドインタラクションJavaScriptライブラリなどの使用説明を全方位で提供しています。これに興味のある開発者やエコシステムプロジェクトは、公式文書を参考にして探求できます。

Chain-AgnosticのFHE Coprocessors

FHE-Rollupsの基盤の上に、FhenixはRelayモジュールを巧みに導入し、さまざまなパブリックチェーン、L2およびL3ネットワークにFHE Coprocessorsを使用するFHE機能を提供します。これは、元のホストチェーンがFHEをサポートしていなくても、間接的にFHEの強力な機能を享受できることを意味します。しかし、FHE-Rollupsの証明チャレンジ期間は通常7日間に及ぶため、これがFHEの広範な応用を制限する要因となっています。この課題を克服するために、FhenixはEigenLayerと提携し、EigenLayerのRestakingメカニズムを通じてFHE Coprocessorsのサービスに対してより迅速で便利な通路を提供し、全体のFHE Coprocessorsの効率と柔軟性を大幅に向上させました。

FHE Coprocessorsの使用プロセスはシンプルで明確です：

アプリケーションコントラクトがホストチェーン上でFHE Coprocessorを呼び出して暗号計算操作を実行します。
Relayコントラクトがリクエストをキューに入れます。
RelayノードがRelayコントラクトを監視し、呼び出しを専用のFhenix Rollupに転送します。
FHE RollupがFHE計算操作を実行します。
閾値ネットワークが出力を復号します。
Relayノードが結果と楽観的証明をコントラクトに返します。
コントラクトが楽観的証明を検証し、結果を呼び出し元に送信します。
アプリケーションコントラクトが呼び出し結果を組み合わせてコントラクトを続行します。

Fhenix参与指南

もしあなたが開発者であれば、Fhenixの資料文書を深く研究し、これらの文書に基づいて自分自身のFHE型アプリケーションを開発し、実際の応用におけるその潜力を探求してみてください。

もしあなたがユーザーであれば、FhenixのFHE-Rollupsが提供するdAppsを体験して、FHEがもたらすデータの安全性とプライバシー保護を感じてみてください。

もしあなたが研究者であれば、Fhenixの資料文書を注意深く読み、FHEの原理、技術的詳細、応用の展望を深く理解し、あなたの研究分野でより価値のある貢献をするための準備をしてください。

FHE最佳应用场景

FHE技術は広範な応用の可能性を示しており、特に全チェーンゲーム、DeFi、AIなどの分野において、私たちはこれらの分野における巨大な発展の潜在能力と広い応用スペースを確信しています：

プライバシー保護の全チェーンゲーム：FHE技術はゲーム経済体における金融取引やプレイヤーの操作に強力な暗号保障を提供し、リアルタイムの操作行為を効果的に防止し、ゲームの公平性と公正性を確保します。同時に、FHEはプレイヤーの活動を匿名化し、プレイヤーの金融資産や個人情報の漏洩リスクを大幅に低下させ、プレイヤーのプライバシー安全を全方位で保護します。
DeFi/MEV：DeFi活動の急成長に伴い、多くのDeFi操作がダークフォレストでMEV攻撃の標的となっています。この課題を解決するために、FHEはビジネスロジックの計算処理を保証しつつ、DeFi内で漏洩したくない敏感データ（保有数量、清算ライン、取引スリッページなど）を効果的に保護できます。FHEを適用することで、チェーン上のDeFiの健康状態は大幅に向上し、不良MEV行為の発生頻度を大幅に低下させることができます。
AI：AIモデルのトレーニングはデータセットに依存しており、個人データを使用してトレーニングを行う場合、個人の敏感データの安全を確保することが最優先となります。そのため、FHE技術はAIモデルのトレーニングにおける個人のプライバシーデータの理想的なソリューションとなります。FHEはAIが暗号化データ上で処理を行うことを許可し、個人の敏感情報を漏洩することなくトレーニングプロセスを完了できます。

FHE的社区认可度

技術の発展は、そのハードコアな特性だけでは実現できません。技術の成熟と持続的な進歩を実現するためには、継続的に改善された学術研究と積極的に構築されたコミュニティの力に依存する必要があります。この点において、FHEは暗号学界の聖杯と呼ばれ、その潜在能力と価値は広く認識されています。2020年、Vitalik Buterinは「Exploring Fully Homomorphic Encryption」という記事でFHE技術に対して高く評価し、支持を表明しました。最近、彼はソーシャルメディアで再度発言し、間違いなくこの立場を強化し、FHE技術の発展に向けてより多くのリソースと力を呼びかけました。それに対応して、新しいプロジェクト、非営利の研究と教育組織が次々と登場し、市場資金が継続的に注入されており、これらすべてが技術の爆発的な発展の序曲が近づいていることを示唆しています。

潜力的FHE初期生态

FHEエコシステムの発展初期において、核心的な基盤技術サービス会社Zamaと注目のFhenixという優れたプロジェクトに加え、同様に優れたプロジェクトがいくつか存在し、私たちはそれらを深く理解し、注目する価値があります：

Sunscreen：自社開発のFHEコンパイラを通じて、従来のプログラミング言語によるFHE変換をサポートし、対応するFHE暗号文の分散型ストレージを設計し、最終的にSDK形式でWeb3アプリケーションにFHE特性を提供します。
Mind Network：EigenLayerのRestakingメカニズムを組み合わせ、AIとDePINネットワークのセキュリティを拡張するためのFHEネットワークです。
PADO Labs：ZKPとFHEを融合させたzkFHEを発表し、それに基づいて分散型計算ネットワークを構築しています。
Arcium：前身はSolanaのプライバシープロトコルElusivで、最近FHEを組み合わせた並列機密計算ネットワークに転換しました。
Inco Network：ZamaのfhEVMに基づき、FHEの計算コストと効率を最適化し、完全なエコシステムのLayer1を発展させることに注力しています。
Treat：ShibaチームとZamaが共同で開発し、ShibaエコシステムのFHE Layer3を拡張することを目指しています。
octra：OCaml、AST、ReasonML、C++を基に開発された隔離実行環境をサポートするFHEネットワークです。
BasedAI：LLMモデルにFHE機能を導入するための分散型ネットワークです。
Encifher：前身はBananaHQで、現在はRize Labsに改名し、FHEMLに関する取り組みを行っています。
Privasea：NuLinkの核心チームが構築したFHEネットワークで、ZamaのConcrete MLフレームワークを採用し、AI分野のML推論プロセスにおけるデータプライバシー保護を目指しています。

非営利の研究と教育機関に関しては、FHE.orgとFHE Onchainを強くお勧めします。これらはエコシステム全体の学術研究と教育普及に貴重なリソースを提供しています。

限られたスペースのため、FHEエコシステム内のすべての優れたプロジェクトを挙げることはできませんが、このエコシステムには無限の潜在能力と機会が秘められており、私たちは引き続き深く探求し、発掘する価値があります。

总结

私たちはFHE技術の将来に対して楽観的であり、Fhenixプロジェクトに対して非常に高い期待を寄せています。Fhenixのメインネットが発表され、正式にオンラインになると、さまざまな分野のアプリケーションがFHE技術によって向上することを予想しています。私たちは、この革新と活力に満ちた未来がすぐそこに迫っていると確信しています。

参考文献

https://zama.ai/

https://github.com/microsoft/SEAL

https://www.fhenix.io/

https://mindnetwork.xyz/

https://www.inco.org/

https://x.com/treatsforShib

https://docs.octra.org/

https://x.com/encifherio

https://www.getbased.ai/

https://www.privasea.ai/

https://x.com/fhe_org