ZK-EVM: ZK-롤업의 성배

이더리움 스케일링은 많은 사용자들이 간절히 기다려온 뜨거운 화제입니다. 2022년 9월 이더리움 머지(Merge)가 합의 메커니즘을 PoW에서 PoS로 전환하면서 이더리움의 성능이 개선될 것이라는 것이 일반적인 오해였습니다. 실제로 머지는 블록 크기를 변경하지 않았고, 블록 생성 시간은 평균 13초에서 12초로만 감소했기 때문에 성능 향상은 제한적일 것으로 예상됩니다. 이더리움의 단기적인 스케일링 희망은 여전히 레이어-2 네트워크(롤업)에 있습니다. 옵티미스틱 롤업과 ZK-롤업이라는 두 가지 주요 롤업 접근 방식 중에서 많은 사람들이 후자를 선호합니다. ZK-롤업은 여러 오프체인 거래를 일괄 처리하여 네트워크 수수료를 절감할 뿐만 아니라, 영지식 증명을 통해 이더리움의 보안성을 상속받아 옵티미스틱 롤업과 같은 이의 제기 기간이 필요하지 않습니다.

결제 전용 ZK-롤업

초기 ZK-롤업은 EVM 호환성이 부족하여 스마트 컨트랙트 기능을 지원하지 못한다는 비판을 받았습니다. 예를 들어, Gitcoin의 주요 기부 결제 수단인 zkSync 1.0은 기본 송금만 지원할 수 있었습니다. dYdX와 같은 현재의 ZK 애플리케이션은 맞춤 제작되어 상호 운용이 불가능하여 개발이 어렵습니다. 또한, 서로 다른 ZK 애플리케이션은 각각 고유한 맞춤형 회로를 사용하여 구성 가능성이 제한됩니다. 따라서 시장은 이더리움 스마트 컨트랙트와 호환되는 ZK-롤업이 시급히 필요하며, 이를 위한 주요 과제는 영지식 증명과 호환되는 가상 머신을 구현하는 것입니다. 이 글에서는 EVM, ZK-EVM 및 주요 ZK-EVM 프로젝트들과 그 차이점을 소개하겠습니다.

EVM이란 무엇인가?

이더리움 가상 머신(EVM)은 이더리움의 실행 엔진으로, 스마트 컨트랙트를 위한 런타임 환경으로 기능합니다. 개발자들은 Solidity와 같은 고급 언어로 비즈니스 로직을 작성하고, 이는 바이트코드로 컴파일됩니다. EVM은 이 바이트코드를 기계가 읽을 수 있는 옵코드로 해석하여 해당 명령을 실행하고 시스템 상태를 업데이트합니다. EVM은 스택, 메모리, 스토리지와 상호 작용하는 스택 기반 가상 머신입니다. 이더리움과 다양한 스케일링 솔루션 또는 경쟁 체인에서 EVM은 이더리움 생태계의 개발자, 애플리케이션, 도구를 대표하는 동의어가 되었습니다. EVM과 호환되지 않는 블록체인은 자체 생태계를 구축해야 하며, 개발자들이 애플리케이션과 도구를 다시 만들어야 합니다. EVM과의 호환성은 개발자들이 기존 이더리움 컨트랙트를 원활하게 이전하고 이더리움의 도구에 접근할 수 있게 해줍니다.

새롭게 등장하는 ZK-EVM

EVM이 이더리움 생태계에서 중요한 역할을 하지만, ZK-EVM을 개발하는 것은 어려운 과제입니다. ZK-EVM은 EVM과 호환되면서 영지식 증명을 생성하여 이더리움 스마트 컨트랙트가 수정 없이 배포되고 영지식 증명을 통해 계산을 검증할 수 있게 합니다. EVM은 zk-SNARKs와 같은 영지식 증명 알고리즘이 2016년 Zcash에 의해 널리 채택되기 전까지는 ZK 호환성을 고려하여 설계되지 않았습니다. 일부 EVM 작업은 ZK에 적합하지 않아 증명 생성이 어렵거나 느리거나 크기가 커질 수 있습니다.

ZK 개발은 암호학, 수학, 하드웨어 전문 지식이 필요한 매우 복잡한 작업으로 알려져 있습니다. ZK-EVM을 구축하는 것은 EVM 호환성과 ZK 친화성이 모두 필요하기 때문에 이러한 과제에 더해집니다. 다행히도 최근 몇 년간 ZK 기술에서 중요한 돌파구가 마련되었습니다. Starkware, zkSync 2.0, Polygon, Scroll을 포함한 ZK-EVM 분야의 참여자들이 ZK-EVM 개발을 가속화하고 있으며, 대부분 2023년부터 메인넷 출시를 발표하고 있습니다.

ZK-EVM 프로젝트 비교

ZK-EVM은 통일된 설계나 표준을 따르지 않으며, 각 프로젝트는 EVM 호환성과 ZK 지원 사이에서 자체적인 균형을 맞춥니다. 두 가지 주요 접근 방식이 있습니다:

1. 프로그래밍 언어 수준 지원: ZK에 최적화하기 위해 EVM 옵코드를 커스터마이징하고, ZK 친화적인 작업을 지원하도록 가상 머신을 재구성하며 Solidity를 새로운 VM 옵코드로 컴파일합니다.

2. 바이트코드 수준 지원: 기본 EVM 옵코드 호환성을 유지합니다.

첫 번째 카테고리의 프로젝트에는 Starkware의 StarkNet과 zkSync 2.0이 포함됩니다. StarkNet은 Solidity를 StarkNet의 언어인 Cairo로 컴파일하여 ZK 친화적인 VM에 배포함으로써 모든 이더리움 dApp을 실행할 수 있습니다. 마찬가지로 zkSync 2.0은 Yul과 Zinc 컴파일러를 통해 ZK-EVM 기능을 구현하는데, Yul은 Solidity의 중간 표현이며 Zinc는 스마트 컨트랙트와 일반 ZK 회로를 위한 Rust 기반 언어입니다. 두 프로젝트 모두 LLVM 프레임워크를 기반으로 하여 매우 효율적인 ZK-EVM 바이트코드를 생성할 수 있습니다.

이러한 프로젝트들은 언어 수준에서 Solidity 호환성을 제공하여 개발자들이 Solidity 컨트랙트를 마이그레이션할 수 있게 하지만, 기본 VM 아키텍처는 EVM과 다르며 기술적으로는 zkVM입니다. VM 명령어 세트가 다르기 때문에 일부 기존 개발자 도구가 직접 작동하지 않을 수 있지만, 이 접근 방식은 더 ZK 친화적이며 더 효율적으로 증명을 생성할 수 있습니다.

두 번째 접근 방식에서는 Polygon ZK-EVM과 Scroll과 같은 프로젝트들이 네이티브 EVM 옵코드 호환성을 유지합니다. Polygon의 uVM은 ZK에 최적화된 VM으로, EVM 바이트코드를 마이크로 옵코드로 컴파일하여 실행함으로써 EVM 작업을 향상시키는 커스텀 옵코드를 사용합니다. Polygon ZK-EVM은 완전한 EVM 호환성을 제공하여 기존 스마트 컨트랙트, 개발자 도구 및 월렛이 원활하게 작동할 수 있습니다. Scroll도 유사하게 각 바이트코드에 대한 회로를 설계하여 바이트코드 로딩, 옵코드 실행, 스토리지 업데이트를 포함한 모든 EVM 실행 단계를 검증합니다.

비탈릭의 블로그에서, 그는 ZK-EVM을 여러 유형으로 분류합니다. 타입 1은 이더리움에서 직접 개발된 ZK-EVM을 의미하며, 이는 복잡하고 비효율적이어서 이더리움 재단에서 지속적인 연구를 진행 중입니다. 타입 2, 2.5, 3은 EVM 동등한 ZK-EVM이며, Scroll과 Polygon Hermez는 현재 타입 3에 있으며 타입 2.5 또는 타입 2로 발전하고 있습니다. 타입 4는 Starkware와 zkSync와 같은 고수준 언어와 호환되는 ZK-EVM을 포함합니다. 표준화된 ZK-EVM 모델이 없기 때문에 이러한 유형들은 본질적인 장단점이 없습니다. 비탈릭이 언급했듯이, "이론적으로 이더리움이 L1 사용을 위해 단일 ZK-EVM 구현을 표준화할 필요는 없습니다. 다른 클라이언트들이 다른 증명을 사용할 수 있으므로 우리는 계속해서 코드 중복성의 이점을 누릴 수 있습니다."

결론

각 ZK-EVM 솔루션은 고유한 강점을 가지고 있으며, 대부분의 프로젝트가 아직 코드를 오픈소스화하지 않았기 때문에 효율성 비교는 불가능합니다. 최대 스마트 컨트랙트 플랫폼으로서 이더리움의 생태계와 네트워크 효과는 강력합니다. ZK-롤업의 성배인 ZK-EVM은 이더리움의 생태계와 네트워크 효과를 활용하여 보안성을 상속받고, 수수료를 절감하며, 활발한 개발자 생태계를 조성합니다. 2021년 초, 비탈릭은 자신의 블로그에서 단기적으로는 옵티미스틱 롤업이 일반적인 EVM 연산에서 더 나은 성능을 보일 수 있지만, ZK-롤업은 더 단순한 지불, 거래 및 애플리케이션별 사용 사례에서 뛰어날 수 있다고 제안했습니다. 그러나 zk-SNARK 기술의 발전으로 중장기적으로는 ZK-롤업이 모든 사용 사례에서 우위를 차지할 수 있습니다. 여러 ZK-EVM 프로젝트들이 메인넷을 출시하면서 이더리움의 레이어-2 스케일링 환경은 가까운 미래에 흥미진진할 것으로 전망됩니다.