제로 지식 증명 경제 모델의 탐색 길

저자：Hugo，ZKPool

TL;DR

1. 공유된 ZKP 증명 가속기 풀(Prover Pool)과 범용 모듈화 증명 가속기(Universal Modular Prover)를 포함하는 이중 레이어의 제로 지식 증명(ZKP) 경제 모델을 제안하며, 이는 ZKP 생태계의 핵심 구성 요소입니다.

2. ZKP 증명 가속기는 차세대 블록체인 컴퓨팅 인프라를 대표합니다.

3. 작업 증명(PoW) 채굴기와 ZKP 증명 가속기 간에는 근본적인 차이가 있습니다.

4. ZK-rollup 증명 경제 모델의 설계는 성능, 비용 및 탈중앙화를 균형 있게 맞추는 "불가능한 삼각형"의 도전에 직면해 있습니다.

5. 본 문서는 Taiko의 솔루션을 예로 들어 여러 ZKP 증명 경제 모델을 분석합니다.

1. 소개

최근 몇 년 동안 제로 지식 증명(ZKP) 기술은 상당한 발전을 이루었습니다. 이는 계산 확장 또는 개인 정보 보호가 필요한 프로젝트에서 점점 더 인기를 얻고 있습니다.

ZKP, 특히 SNARK(Succinct Non-interactive Argument of Knowledge) 프로토콜은 이더리움의 확장 방향에서 광범위하게 인정받고 있습니다. 이더리움의 로드맵에는 "Snark Everything"이라는 목표가 포함되어 있으며, Vitalik Buterin은 "zK-SNARKs는 향후 10년 동안 블록체인만큼 중요할 것"이라고 주장했습니다.

Vitalik의 zK-SNARK에 대한 발언

하지만 제로 지식 증명을 생성하는 것은 계산 자체보다 훨씬 더 복잡합니다.

예를 들어, 이더리움에서 10M Gas의 블록의 계산 시간은 1초 미만입니다. 아래 그림을 참조하십시오.

EVM 성능

그러나 ZKEVM의 회로에서 128코어 CPU에서 블록의 증명을 생성하는 데는 1700초 이상이 걸릴 수 있습니다. PSE 팀의 벤치마크 결과를 참조하십시오.

ZKEVM 벤치마크

GPU를 사용하더라도 ZKEVM은 증명을 생성하는 데 수백 초가 걸립니다. 이는 ZKP를 사용하여 EVM 계산을 검증하는 비용이 원래 계산보다 1000배 이상 높다는 것을 의미합니다.

미래에는 zkSync, Scroll, Taiko, Polygon, Linea 및 Aztec와 같은 L2 프로젝트와 Aleo, Mina 및 Risc Zero와 같은 L1 프로젝트를 포함하여 많은 ZKP 프로젝트가 있을 것이므로 ZKP 계산 수요가 엄청날 것입니다. 또한 개인 정보, 신원 및 게임 관련 프로젝트와 같은 ZKP 계산 능력이 필요한 다른 프로젝트도 있을 것입니다.

MESSARI의 ZKP 생태도

우리는 신뢰할 수 있는 컴퓨팅이 미래의 디지털 세계에서 계산 자체만큼 중요할 것이라고 믿으며, ZKP 가속화는 차세대 블록체인 컴퓨팅 능력의 핵심이 될 것입니다.

2. ZKP는 PoW와 다른 경제 모델이 필요하다

작업 증명(PoW)은 분산 합의를 위한 알고리즘입니다. PoW 시스템에서 참여자(채굴기)는 일정량의 계산 자원을 투입했음을 증명하기 위해 계산 집약적인 작업을 수행해야 합니다. 이러한 알고리즘의 목표는 네트워크의 안전성을 보장하는 것입니다. 채굴기는 특정 조건을 충족하는 해시 값을 찾기 위해 경쟁하여 블록 보상과 거래 수수료를 얻습니다.

그러나 ZKP의 목적과 특성은 매우 다릅니다.

다음은 PoW 채굴기와 ZKP 증명 가속기 간의 비교입니다.

PoW 채굴기와 ZKP 증명 가속기 간의 비교

일부 ZKP 프로젝트, 예를 들어 Aleo는 여전히 PoW와 유사한 메커니즘을 사용하지만, 이는 주류가 아닙니다. 이더리움이 POS를 통해 얻은 성공은 PoW가 블록체인의 탈중앙화를 달성하는 유일한 실행 가능한 솔루션이 아님을 증명합니다. 따라서 더 많은 프로젝트가 에너지 소비와 전체 비용을 줄이기 위해 비 PoW 증명 시스템을 선택할 가능성이 높습니다.

ZKP 계산 패러다임에서는 서로 다른 증명 가속기와 서로 다른 경제 모델을 설계해야 합니다.

3. ZKP 증명 경제 모델의 불가능한 삼각형 도전

이 맥락에서 "증명 경제 모델"은 탈중앙화 제로 지식 증명 시스템 내의 인센티브 메커니즘을 의미합니다. 제로 지식 증명 네트워크의 세 가지 주요 지표는 비용, 성능 및 탈중앙화입니다. 정교하게 설계된 증명 경제 모델은 이 세 가지 요구를 충족해야 합니다.

우선, 비용은 ZKP 프로젝트에서 중요한 요소이며, 특히 ZK-rollups에 대해 그렇습니다. 이는 그들의 사명이 이더리움을 확장하고 사용자 거래 비용을 낮추는 것이기 때문입니다. 증명 비용은 ZK-rollup 및 기타 ZKP 프로젝트의 총 비용의 일부입니다.

2층 거래를 검증하고 최종성을 달성하기 위해 더 나은 사용자 경험을 제공하려면 ZK 증명 가속기는 고성능 기계가 필요합니다. 병렬 계산을 사용하는 GPU, FPGA 또는 ASIC은 병목 현상을 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이것이 우리가 GPU를 사용하여 zkEVM을 증명하는 데 10분이 걸리는 이유이며, CPU를 사용하면 몇 시간이 걸릴 수 있습니다.

ZKP 증명 가속기의 또 다른 주요 요구 사항은 탈중앙화입니다. 탈중앙화는 많은 참여자가 허가 없이 증명 작업에 참여할 수 있으며, 중복성과 지리적 분산성을 갖추어 전체 시스템이 강력하고 검열에 저항할 수 있도록 합니다.

그러나 동일한 설계에서 높은 성능, 낮은 비용 및 탈중앙화의 세 가지 측면을 모두 충족하는 것은 불가능한 도전입니다.

ZKP 증명 경제 모델의 불가능한 삼각형

우선, 비용과 성능 간에는 충돌이 있습니다. 높은 성능이 필요하다면 GPU, FPGA 또는 심지어 GPU/FPGA 클러스터와 같은 고가의 증명 가속기가 필요합니다.

ZKP가 장기적으로 사용됨에 따라 수백만 개의 ZK 증명 가속기 시장이 생길 것입니다. 그때까지 저비용의 ZK ASIC 칩이 낮은 비용과 높은 성능 요구를 동시에 충족할 수 있습니다. 그러나 현재 우리는 ZKP의 초기 단계에 있으며, 그렇게 거대한 시장 규모에 도달하지 못했기 때문에 ZK ASIC 칩의 단위 비용은 상대적으로 높습니다. 따라서 이 단계에서 비용 효율성과 성능을 달성하는 것은 여전히 도전입니다.

둘째, 탈중앙화는 일반적으로 증명 가속기의 중복성을 요구하므로 전체 증명 시스템의 비용을 증가시킵니다.

예를 들어, ZK-rollup 프로젝트가 1초 이내에 L2 블록을 생성하고 고성능 GPU를 사용하여 증명을 생성하는 데 약 10분이 걸린다면, 수요를 충족하기 위해 약 600개의 증명 가속기가 필요합니다.

ZK-rollup 프로젝트에 600개의 GPU 증명 가속기를 배치하면 계산 능력이 충분히 수요를 충족할 수 있습니다. 그러나 일부 증명 가속기가 네트워크 장애나 간헐적인 다운타임으로 인해 제시간에 작업을 완료하지 못하면 다른 증명 가속기가 증명을 생성해야 합니다. 백업 증명 가속기의 수를 늘리고 ZK 증명 가속기의 탈중앙화를 증가시키면 증명 시스템의 총 비용이 증가합니다. 이것이 바로 PoW가 ZKP 프로젝트에서 유행하지 않는 이유입니다.

세 번째 도전은 증명 가속기의 성능을 극도로 추구하면 증명 네트워크가 가장 빠른 증명 가속기에 의해 독점될 수 있다는 것입니다. 이는 탈중앙화의 목표와 충돌합니다.

경제학적 관점에서 볼 때, ZKP 시스템 내에서 증명 가속기의 수익성과 활발함을 보장하는 경제 시스템을 구축하는 것은 도전적인 과제입니다. 이것이 바로 증명 가속기 경제 모델의 도전입니다.

4. ZKP 증명 경제 모델의 진화

Taiko는 탈중앙화된 ZK-rollup 프로젝트로, 이더리움과 동등하며 Type 1 zkEVM 기술을 사용합니다. Taiko 프로젝트의 초기에는 탈중앙화된 시퀀서(Sequencer)와 증명 가속기를 설계하는 데 중점을 두었습니다. 이는 탈중앙화된 시퀀서와 증명 가속기를 적극적으로 홍보하는 첫 번째 ZK-rollup 프로젝트입니다.

Taiko는 문서에서 경제 모델 설계 원칙을 소개하며, 유사한 측정 기준을 언급했습니다:

1. 증명 자원을 효율적으로 활용하기

2. 증명의 비용이 증명의 속도보다 우선시됨

3. 증명 가속기의 중복성/탈중앙화

Taiko 프로젝트는 ZKP 증명 경제 모델의 불가능한 삼각형을 해결하기 위한 다양한 솔루션을 탐색했으며, 여전히 발전하고 있습니다. 다음은 Taiko Testnet 및 그 증명 경제 모델의 역사입니다:

1. 2022년 12월 28일, Alpha-1: 증명 가속기가 열리지 않음.

2. 2023년 3월 23일, Alpha-2: 증명 가속기는 무허가이며, 가장 빠른 증명 가속기가 승리하고 경제 모델이 없음.

3. 2023년 6월 7일, Alpha-3: 증명 가속기는 무허가이며, 동적 보상 경제 가속기가 있음.

4. 2023년 6월: 배치 경매식 경제 가속기가 제안되고 논의됨.

5. 2023년 7월 18일, Alpha-4: 증명 가속기는 무허가이며, 스테이킹 기반의 경제 가속기가 있음.

6. 새로운 제안이 진행 중임.

서로 다른 ZKP 증명 가속기의 비교

4.1 동적 보상 증명 경제 모델 (Taiko A3)

A3의 경제 모델은 증명 가속기의 비용을 낮추고 성능을 높이기 위해 설계된 동적 보상 메커니즘을 포함합니다. 이는 다음 규칙을 포함합니다:

• 증명을 가장 빨리 제출한 증명 가속기가 승리합니다.

• 증명 가속기가 증명을 제출하는 속도가 빨라질수록 보상이 점차 감소합니다.

따라서 증명 가속기가 가장 빨라지면, 최선의 전략은 경쟁자보다 약간 더 빨리 증명을 제출하고, 더 높은 보상을 얻기 위해 일정 시간 기다리는 것입니다.

다음으로, Taiko A3에서 관찰된 몇 가지 현상을 살펴보겠습니다.

1. Gas 전쟁

현재 A3에서 활성화된 증명 가속기의 수가 점차 감소하고 있으며, 중앙화 경향을 보이고 있습니다.

A3 테스트넷에서 매일 활성화된 증명 가속기의 추세

위의 추세의 원인은 일부 고성능 증명 가속기가 24초 이내에 증명을 제출할 수 있기 때문입니다. 이더리움의 설계에 따르면, 여러 증명 가속기가 동일한 시간 창에서 증명을 제출하면, 더 높은 Gas 비용을 지불한 증명 가속기가 수용됩니다. Sepolia 테스트넷에서 gas 비용은 실제 ETH가 아니며, 매우 저렴합니다.

따라서 이러한 고성능 증명 가속기 간에 gas 전쟁이 발생합니다. 그들은 매우 높은 gas 가격으로 증명을 제출하며, 때로는 2000 Gwei에 달합니다. 일부 매우 높은 gas 비용을 가진 증명 가속기가 증명 작업을 지배했습니다.

또 다른 전략은 12초 이내에 증명을 제출하여 성능을 최적화하는 것입니다. 그러나 A3 설계에 따르면 더 빠른 속도는 보상이 줄어들기 때문에 12초 이내에 모든 증명을 제출하는 것은 어렵습니다.

A3 테스트넷에서의 증명 가속기 gas 비용 추세

A3 테스트넷에서의 높은 gas 비용

2. 계산 자원의 경쟁

A3에서 또 다른 현상은 실패한 제출 수의 증가입니다. 이는 각 블록이 단 하나의 승자만 증명을 제출할 수 있도록 허용하기 때문이며, 유효한 증명을 생성하더라도 모든 다른 제출은 거부됩니다.

A3에서의 실패율(빨간색 상자 안의 거래)

4.2 스테이킹 기반 증명 경제 모델 (Taiko A4)

A4에서 Taiko는 스테이킹 기반의 증명 경제 모델을 채택하여 몇 가지 장점을 제공합니다:

1. 과도한 계산 자원 경쟁을 제거하며, 단 하나의 증명 가속기만 증명을 생성합니다. 선택되지 않은 다른 증명 가속기는 더 이상 계산할 필요가 없습니다.

2. 더 높은 가중치를 부여하여 저비용, 고성능의 증명 가속기를 보상하므로 승리를 보장하지 않습니다.

3. 경매식 솔루션에 비해 설계가 상대적으로 간단합니다.

왜 우리는 스테이킹이 필요할까요? 이유는 선택된 증명 가속기가 정직하고 제때에 증명을 제출해야 하기 때문입니다. 선택된 증명 가속기가 이 작업을 완료하지 못하면 처벌이 시행됩니다.

A4에서 중요한 현상 중 하나는 ZKP 증명 가속기가 처벌받을 확률이 높다는 것입니다, 특히 네트워크가 혼잡할 때입니다. 여기 하나의 예가 있습니다.

A4 테스트넷에서의 처벌 기록

다음으로, 가능한 해결책을 논의할 수 있습니다.

5. 증명 경제 모델의 추가 개선

우리의 분석에 따르면, 예상되는 제로 지식 증명 경제 모델은 다음 요구 사항을 충족해야 합니다:

1. 각 작업에 대해 단 하나의 증명 가속기만 있으며, 계산의 낭비가 없어야 합니다.

2. 독점 상황을 방지하고 탈중앙화를 촉진하는 메커니즘이 마련되어야 합니다.

3. 선택된 증명 가속기는 스테이킹을 제공해야 하며, 지정된 시간 창 내에 증명을 생성하지 못할 경우 처벌을 받아야 합니다.

4. 더 빠른 증명 제출과 비용 절감을 위한 인센티브 메커니즘이 필요합니다.

5. 증명 가속기는 높은 Gas 비용에 대한 보상을 받아야 합니다.

6. 교통 혼잡 시 증명 창을 연장해야 합니다.

더 나아가 논의를 확장해 보겠습니다.

이러한 제로 지식 증명의 스테이킹 메커니즘은 이더리움과 유사하며, 검증자가 정직하도록 유도합니다. 그러나 그들 사이에는 차이가 있습니다.

이더리움 검증자와 제로 지식 증명 가속기의 비교

표에서 보듯이, 이더리움 검증자에 비해 제로 지식 증명 가속기의 비용이 더 높고, 처벌의 위험이 더 큽니다. 동시에 보상 측면에서 제로 지식 증명 가속기의 유일한 보상은 ZKP 프로젝트 측에서 오지만, 이는 Gas 비용, 계산 하드웨어 비용 및 스테이킹 자산 비용을 포함해야 합니다.

다음은 제로 지식 증명 가속기가 Gas 비용과 상대적으로 높은 계산 하드웨어 자원 비용을 지불해야 한다는 점을 고려하여 처벌 금액을 줄이는 몇 가지 제안입니다:

1. 증명 가속기가 상대적으로 긴 시간 창 내에 증명을 제출한 경우 처벌을 부과해서는 안 됩니다. 이는 다른 사람들이 설계에 따라 증명을 제출할 수 있기 때문에, 증명 가속기가 이미 Gas 비용과 계산 능력 비용을 부담했기 때문입니다.

2. 증명 가속기가 증명을 제출하지 않은 경우에는 낮은 처벌 금액을 부과해야 합니다. 이 경우 네트워크/기술 문제와 불성실 문제를 구분하기 어려울 수 있습니다. 따라서 처벌은 합리적이지만, 대부분의 경우 실패가 네트워크 혼잡으로 인한 것일 수 있으므로 다소 온화해야 합니다.

네트워크 혼잡이나 Gas 비용이 매우 높을 때, 합리적인 Gas 비용을 사용하더라도 증명 가속기가 증명을 제출하기 어려울 수 있습니다. 다음은 고려할 수 있는 몇 가지 해결책입니다:

1. 기본 비용이 높을 때 증명 창을 연장합니다.

2. 기본 Gas 비용이 높을 때 보상을 늘리는 것이 더 경제적으로 합리적인 해결책입니다.

스테이킹 메커니즘은 일부 자금 비용을 초래합니다. POS 보상이 없더라도 ZK-rollup은 증명 경제 모델의 일부로 POS를 포함합니다. 그러나 모든 자금에는 이자 비용이 있습니다. 따라서 스테이킹 기반 메커니즘에서는 스테이킹 비용을 충당하기 위해 보상 금액을 늘려야 하며, 이는 전체 증명 가속기의 보상에 포함될 수 있습니다.

또한 다음과 같은 개선이 바람직할 것입니다:

1. 더 빠른 증명 가속기를 유도하기 위해, 증명 가속기를 선택한 후 목표 증명 시간 창 이전에 증명을 제출하면 보상을 늘릴 수 있습니다.

2. 배치 증명을 사용하면 전체 Gas 비용을 줄이는 데 도움이 됩니다.

6. 이중 레이어 제로 지식 증명 경제 모델

현재 많은 제로 지식 증명(ZKP) 프로젝트가 자체 증명 시스템과 경제 모델을 사용하고 있지만, 이러한 방법은 ZKP 프로젝트 간에 계산 능력을 공유하는 데 도움이 되지 않으며, 이는 전체 ZKP 생태계의 비용을 증가시킵니다.

앞서 분석한 바와 같이, ZKP 프로젝트는 처벌, 보상, 증명 시간 창 및 기타 관련 측면을 관리하기 위한 복잡한 메커니즘이 필요합니다.

또한 다양한 ZKP 프로젝트의 증명 가속기가 되고 다양한 자산을 스테이킹하는 데는 높은 장벽이 존재합니다.

더 건강하고 비용 효율적인 ZKP 증명 생태계를 구현하기 위해 이중 경제 모델을 채택하는 것이 좋은 해결책이 될 수 있습니다. Taiko는 여러 번의 증명 경제 모델 반복 후 해결책을 제안했으며, 우리는 이 해결책을 이중 프레임워크로 확장합니다.

이 방법에서는 각 ZKP 프로젝트가 첫 번째 레이어로 운영되며, 자체 경제 모델을 정의합니다. 그러나 증명 가속기의 선택, 스케줄링, 처벌, 보상 및 등급은 두 번째 레이어인 공유 증명 가속기 풀에 위임됩니다.

이중 ZKP 경제 모델

ZKPool은 증명 가속기 풀로서 여러 ZKP 프로젝트의 수요를 집계하고 증명 가속기에게 작업을 할당하여 더 높은 활용률과 더 많은 수익을 창출할 수 있습니다. 또한 참여 장벽을 낮추고 가능한 처벌을 최소화합니다.

ZKP 프로젝트에 최적의 성능과 저비용의 증명 가속기를 제공하기 위해, ZKPool은 표준화된 요금 시스템을 채택하여 증명 가속기의 성능을 평가하고 증명 가속기 간의 경쟁 메커니즘을 생성하는 증명 시장을 구현할 수 있습니다. 이 시스템은 최상의 증명 가속기를 ZKP 프로젝트에 반환할 수 있으며, ZKPool은 등급 시스템에 따라 추가 플랫폼 인센티브를 제공할 수 있습니다. 이러한 방법은 ZKP 프로젝트와 ZKP 증명 가속기에 큰 혜택을 줄 수 있습니다.

이중 경제 모델의 책임 범위

또한 우리는 UMP(범용 모듈화 증명 가속기) 개념을 제안합니다. 범용 모듈화 증명 가속기는 동일한 하드웨어 플랫폼에서 운영되며 다양한 ZKP 프로젝트의 증명 작업을 지원할 수 있습니다.

범용 모듈화 증명 가속기

전체 ZKPool은 탈중앙화로 나아가며 경제적으로 건강한 ZKP 생태계를 촉진할 것입니다.

ZKPool 아키텍처 개요

ZKPool의 설계 원칙:

ZKP 프로젝트 비용을 최소화하면서 증명 가속기 수익을 극대화합니다.

단순성: ZKP 계산 능력에 쉽게 접근할 수 있으며, ZKP 증명 가속기에 쉽게 참여할 수 있습니다.

투명성: 수익 분배를 투명하게 유지합니다.

ZKP뿐만 아니라 인공지능과 공간 계산의 Web3 배포도 가속 계산 자원을 필요로 합니다. ZKPool은 궁극적으로 전체 Web3에서 모든 가속 계산 자원을 공유할 수 있으며, 이를 Web3의 가속 레이어라고 부를 수 있습니다.

Web3의 가속 레이어

7. 결론

ZKP 증명 경제 모델을 탐색하는 것은 긴 여정이지만 보람 있는 과정입니다. 우리의 연구를 통해 우리는 비용, 성능 및 탈중앙화를 ZKP 증명 경제 모델의 핵심 지표로 확인했습니다. 이중 ZKP 증명 경제 모델을 구현하면 전체 시스템이 혜택을 받을 수 있습니다. 또한 공유 범용 증명 가속기 풀은 ZKP 생태계에 필수적입니다.

다음으로, 우리는 이러한 도전에 대응하고 해결하여 이 생태계를 완전히 완성해야 합니다. 여기에는 ZKP 증명 가속기를 위한 표준 입력 구축, 하드웨어 요구 사항 감소 등의 중요한 작업이 포함됩니다. 이러한 분야는 우리가 집중하고 노력해야 할 영역입니다.