ZK-EVM: Chén Thánh của ZK-Rollup

Khả năng mở rộng của Ethereum là một chủ đề nóng, được nhiều người dùng mong đợi. Một quan niệm sai lầm phổ biến là việc Ethereum Merge vào tháng 9 năm 2022, chuyển đổi cơ chế đồng thuận từ PoW sang PoS, sẽ cải thiện hiệu suất của Ethereum. Trên thực tế, Merge không thay đổi kích thước khối, và thời gian khối chỉ giảm từ trung bình 13 giây xuống 12 giây, nghĩa là hiệu suất dự kiến sẽ bị hạn chế. Hy vọng mở rộng ngắn hạn của Ethereum vẫn dựa vào mạng lớp 2 (Rollups). Trong hai phương pháp Rollup chính - Optimistic Rollup và ZK-Rollup - nhiều người ưa thích phương pháp sau. ZK-Rollup không chỉ giảm phí mạng bằng cách gộp nhiều giao dịch ngoài chuỗi mà còn kế thừa bảo mật của Ethereum thông qua bằng chứng zero-knowledge, loại bỏ nhu cầu về thời gian thách thức như trong Optimistic Rollup.

ZK-Rollups Chỉ Dành Cho Thanh Toán

ZK-Rollups ban đầu bị chỉ trích vì thiếu khả năng tương thích EVM và do đó không hỗ trợ chức năng hợp đồng thông minh. Ví dụ, zkSync 1.0, phương thức thanh toán quyên góp chính của Gitcoin, chỉ có thể hỗ trợ các giao dịch chuyển tiền cơ bản. Các ứng dụng ZK hiện tại, như dYdX, được xây dựng tùy chỉnh và không thể tương tác, khiến việc phát triển trở nên khó khăn. Ngoài ra, các ứng dụng ZK khác nhau sử dụng các mạch tùy chỉnh riêng biệt, hạn chế khả năng kết hợp. Do đó, thị trường cấp thiết cần một ZK-Rollup tương thích với hợp đồng thông minh Ethereum, trong đó rào cản chính là đạt được máy ảo tương thích với bằng chứng zero-knowledge. Bài viết này sẽ giới thiệu về EVM, ZK-EVM và các dự án ZK-EVM chính cùng sự khác biệt của chúng.

EVM là gì?

Máy ảo Ethereum (EVM) đóng vai trò là động cơ thực thi của Ethereum, hoạt động như môi trường runtime cho hợp đồng thông minh. Các nhà phát triển viết logic nghiệp vụ bằng ngôn ngữ cấp cao như Solidity, sau đó được biên dịch thành bytecode. EVM diễn giải bytecode này thành opcode mà máy có thể đọc được, thực thi các lệnh tương ứng để cập nhật trạng thái hệ thống. EVM là một máy ảo dựa trên ngăn xếp tương tác với stack, bộ nhớ và lưu trữ. Đối với Ethereum và các giải pháp mở rộng hoặc chuỗi cạnh tranh khác nhau, EVM đã trở thành đồng nghĩa với hệ sinh thái Ethereum, đại diện cho các nhà phát triển, ứng dụng và công cụ của nó. Các blockchain không tương thích EVM phải xây dựng hệ sinh thái riêng, yêu cầu các nhà phát triển tạo lại ứng dụng và công cụ. Khả năng tương thích với EVM cho phép các nhà phát triển dễ dàng di chuyển các hợp đồng Ethereum hiện có và truy cập các công cụ của Ethereum.

ZK-EVM Đang Nổi Lên

Mặc dù EVM đóng vai trò quan trọng trong hệ sinh thái Ethereum, việc phát triển ZK-EVM là một thách thức. ZK-EVM tạo ra bằng chứng zero-knowledge trong khi vẫn tương thích với EVM, cho phép triển khai hợp đồng thông minh Ethereum mà không cần sửa đổi và xác thực các tính toán thông qua bằng chứng zero-knowledge. EVM không được thiết kế với khả năng tương thích ZK vì các thuật toán bằng chứng zero-knowledge, như zk-SNARKs, chỉ được Zcash áp dụng rộng rãi vào năm 2016. Một số hoạt động EVM không thân thiện với ZK, khiến việc tạo bằng chứng trở nên khó khăn, chậm hoặc lớn.

Phát triển ZK vốn phức tạp, liên quan đến mật mã học, toán học và chuyên môn về phần cứng. Xây dựng ZK-EVM càng thêm thách thức vì nó đòi hỏi cả khả năng tương thích EVM và thân thiện với ZK. May mắn thay, những đột phá đáng kể đã được thực hiện trong công nghệ ZK trong những năm gần đây. Các dự án trong lĩnh vực ZK-EVM, bao gồm Starkware, zkSync 2.0, Polygon và Scroll, đã đẩy nhanh phát triển ZK-EVM, với hầu hết công bố ra mắt mainnet bắt đầu từ năm 2023.

So Sánh Các Dự Án ZK-EVM

ZK-EVM không tuân theo một thiết kế hoặc tiêu chuẩn thống nhất, và mỗi dự án tự cân bằng giữa khả năng tương thích EVM và hỗ trợ ZK. Có hai cách tiếp cận chính:

1. Hỗ trợ Cấp Ngôn ngữ Lập trình: Tùy chỉnh opcode EVM để tối ưu hóa cho ZK, tái cấu trúc máy ảo để hỗ trợ các hoạt động thân thiện với ZK và biên dịch Solidity thành opcode VM mới.

2. Hỗ trợ Cấp Bytecode: Duy trì khả năng tương thích opcode EVM gốc.

Các dự án trong nhóm đầu tiên bao gồm StarkNet của Starkware và zkSync 2.0. StarkNet có thể chạy bất kỳ dApp Ethereum nào bằng cách biên dịch Solidity thành ngôn ngữ Cairo của StarkNet để triển khai trên VM thân thiện với ZK. Tương tự, zkSync 2.0 đạt được chức năng ZK-EVM thông qua trình biên dịch Yul và Zinc, với Yul là biểu diễn trung gian của Solidity và Zinc, một ngôn ngữ dựa trên Rust, cho hợp đồng thông minh và mạch ZK tổng quát. Cả hai đều được xây dựng trên framework LLVM để tạo ra bytecode ZK-EVM hiệu quả cao.

Các dự án này cung cấp khả năng tương thích Solidity ở cấp độ ngôn ngữ, cho phép các nhà phát triển di chuyển hợp đồng Solidity, mặc dù kiến trúc VM cơ bản khác với EVM và về mặt kỹ thuật là một zkVM. Một số công cụ phát triển hiện có có thể không hoạt động trực tiếp do bộ lệnh VM khác nhau, nhưng cách tiếp cận này thân thiện với ZK hơn và có thể tạo bằng chứng hiệu quả hơn.

Trong cách tiếp cận thứ hai, các dự án như Polygon ZK-EVM và Scroll duy trì khả năng tương thích opcode EVM gốc. uVM của Polygon, một VM được tối ưu hóa cho ZK, sử dụng opcode tùy chỉnh để nâng cao hoạt động EVM bằng cách biên dịch bytecode EVM thành micro-opcode để thực thi. Polygon ZK-EVM hoàn toàn tương thích với EVM, cho phép hoạt động liền mạch của các hợp đồng thông minh, công cụ phát triển và ví hiện có. Scroll tương tự thiết kế mạch cho mỗi bytecode, xác minh từng bước thực thi EVM, bao gồm tải bytecode, thực thi opcode và cập nhật lưu trữ.

Trong blog của Vitalik, ông phân loại ZK-EVM thành các loại. Loại 1 đề cập đến ZK-EVM được phát triển trực tiếp trên Ethereum, phức tạp và không hiệu quả, đang được Ethereum Foundation nghiên cứu. Loại 2, 2.5 và 3 là ZK-EVM tương đương EVM, với Scroll và Polygon Hermez hiện ở Loại 3, đang hướng tới Loại 2.5 hoặc thậm chí Loại 2. Loại 4 bao gồm ZK-EVM tương thích với ngôn ngữ cấp cao hơn, như Starkware và zkSync. Các loại này không có ưu điểm hay nhược điểm nội tại, vì không có mô hình ZK-EVM tiêu chuẩn. Như Vitalik đã nói, "Về mặt lý thuyết, Ethereum không cần phải chuẩn hóa một triển khai ZK-EVM duy nhất cho L1; các client khác nhau có thể sử dụng các bằng chứng khác nhau, vì vậy chúng ta tiếp tục được hưởng lợi từ sự dư thừa mã."

Kết luận

Mỗi giải pháp ZK-EVM có những điểm mạnh riêng, và vì hầu hết các dự án chưa mở mã nguồn, việc so sánh hiệu quả chưa thể thực hiện được. Là nền tảng hợp đồng thông minh lớn nhất, hệ sinh thái và hiệu ứng mạng của Ethereum rất mạnh mẽ. ZK-EVM, "holy grail" của ZK-Rollups, tận dụng hệ sinh thái và hiệu ứng mạng của Ethereum để kế thừa bảo mật, giảm phí và thúc đẩy hệ sinh thái nhà phát triển sôi động. Đầu năm 2021, Vitalik đã gợi ý trong blog của mình rằng Optimistic Rollup có thể vượt trội trong tính toán EVM tổng quát trong ngắn hạn, trong khi ZK-Rollup có thể xuất sắc trong các trường hợp sử dụng đơn giản hơn như thanh toán, giao dịch và ứng dụng cụ thể. Tuy nhiên, với những tiến bộ trong công nghệ zk-SNARK, ZK-Rollup có thể chiếm ưu thế trong tất cả các trường hợp sử dụng trong trung và dài hạn. Với nhiều dự án ZK-EVM ra mắt mainnet, bức tranh mở rộng lớp 2 của Ethereum hứa hẹn sẽ rất thú vị trong tương lai gần.