ZK-EVM：ZK-Rollup的圣杯

以太坊扩容一直是一个热门话题，备受众多用户期待。一个普遍的误解是2022年9月的以太坊合并（将共识机制从PoW转变为PoS）会提升以太坊的性能。实际上，合并并未改变区块大小，区块时间仅从平均13秒减少到12秒，这意味着性能提升有限。以太坊短期的扩容希望仍然寄托在二层网络（Rollups）上。在两种主要的Rollup方案——乐观卷叠（Optimistic Rollup）和零知识卷叠（ZK-Rollup）中，许多人更青睐后者。ZK-Rollup不仅通过批量处理链下交易降低网络费用，还通过零知识证明继承了以太坊的安全性，无需像Optimistic Rollup那样设置挑战期。

仅支付功能的ZK-Rollups

早期的ZK-Rollups因缺乏EVM兼容性而受到批评，因此无法支持智能合约功能。例如，Gitcoin的主要捐赠支付方式zkSync 1.0只能支持基本转账。目前的ZK应用，如dYdX，都是定制开发且不可互操作的，这使得开发变得困难。此外，不同的ZK应用使用不同的定制电路，限制了可组合性。因此，市场迫切需要一个与以太坊智能合约兼容的ZK-Rollup，其中主要障碍是实现一个支持零知识证明的虚拟机。本文将介绍EVM、ZK-EVM以及主要的ZK-EVM项目及其差异。

什么是EVM？

以太坊虚拟机（EVM）作为以太坊的执行引擎，是智能合约的运行环境。开发者用Solidity等高级语言编写业务逻辑，然后编译成字节码。EVM将这些字节码解释为机器可读的操作码，执行相应指令以更新系统状态。EVM是一个基于堆栈的虚拟机，与堆栈、内存和存储交互。对于以太坊及各种扩容方案或竞争链而言，EVM已成为以太坊生态系统的代名词，代表着其开发者、应用程序和工具。非EVM兼容的区块链必须建立自己的生态系统，需要开发者重新创建应用程序和工具。与EVM兼容允许开发者无缝迁移现有的以太坊合约并使用以太坊的工具。

新兴的ZK-EVM

尽管EVM在以太坊生态系统中发挥着关键作用，但开发ZK-EVM具有挑战性。ZK-EVM在保持EVM兼容性的同时生成零知识证明，允许以太坊智能合约无需修改即可部署，并通过零知识证明验证计算。EVM在设计时并未考虑ZK兼容性，因为零知识证明算法（如zk-SNARKs）直到2016年才被Zcash广泛采用。某些EVM操作对ZK不友好，使得证明生成变得困难、缓慢或体积庞大。

开发ZK本身就以复杂著称，涉及密码学、数学和硬件专业知识。构建ZK-EVM更具挑战性，因为它既需要EVM兼容性又需要ZK友好性。幸运的是，近年来ZK技术取得了重大突破。ZK-EVM领域的参与者，包括Starkware、zkSync 2.0、Polygon和Scroll，都在加速ZK-EVM的开发，大多数计划从2023年开始启动主网。

ZK-EVM项目比较

ZK-EVM并不遵循统一的设计或标准，每个项目都在EVM兼容性和ZK支持之间寻求自己的平衡。主要有两种方法：

1. 编程语言级支持：定制EVM操作码以优化ZK，重构虚拟机以支持ZK友好的操作，并将Solidity编译成新的VM操作码。

2. 字节码级支持：保持原生EVM操作码兼容性。

第一类项目包括Starkware的StarkNet和zkSync 2.0。StarkNet通过将Solidity编译成StarkNet的语言Cairo，可以在其ZK友好的VM上运行任何以太坊dApp。类似地，zkSync 2.0通过其Yul和Zinc编译器实现ZK-EVM功能，其中Yul是Solidity的中间表示，而Zinc是一种基于Rust的语言，用于智能合约和通用ZK电路。两者都建立在LLVM框架上，以实现高效的ZK-EVM字节码。

这些项目在语言层面提供Solidity兼容性，允许开发者迁移Solidity合约，尽管底层VM架构与EVM不同，技术上是一个zkVM。由于VM指令集的差异，某些现有开发工具可能无法直接使用，但这种方法更加ZK友好，可以更高效地生成证明。

在第二种方法中，像Polygon ZK-EVM和Scroll这样的项目保持原生EVM操作码兼容性。Polygon的uVM是一个经过ZK优化的VM，通过将EVM字节码编译成微操作码来执行，使用自定义操作码来增强EVM操作。Polygon ZK-EVM完全兼容EVM，使现有的智能合约、开发工具和钱包能够无缝运行。Scroll同样为每个字节码设计电路，验证每个EVM执行步骤，包括加载字节码、执行操作码和更新存储。

在Vitalik的博客中，他将ZK-EVM分为几种类型。类型1指直接在以太坊上开发的ZK-EVM，这很复杂且效率低下，以太坊基金会正在进行研究。类型2、2.5和3是EVM等效的ZK-EVM，目前Scroll和Polygon Hermez处于类型3，正在向类型2.5甚至类型2发展。类型4包括与高级语言兼容的ZK-EVM，如Starkware和zkSync。这些类型没有内在的优劣之分，因为没有标准化的ZK-EVM模型。正如Vitalik所说，"理论上，以太坊不需要为L1使用标准化单一的ZK-EVM实现；不同的客户端可以使用不同的证明，这样我们可以继续受益于代码冗余。"

结论

每个ZK-EVM解决方案都有其独特优势，由于大多数项目尚未开源其代码，效率比较尚无法进行。作为最大的智能合约平台，以太坊的生态系统和网络效应很强。ZK-EVM作为ZK-Rollups的圣杯，利用以太坊的生态系统和网络效应继承其安全性，降低费用，并培育充满活力的开发者生态系统。2021年初，Vitalik在其博客中提出，短期内Optimistic Rollup可能在通用EVM计算方面表现更好，而ZK-Rollup可能在更简单的支付、交易和特定应用场景中表现出色。然而，随着zk-SNARK技术的进步，ZK-Rollup可能在中长期内在所有用例中占据优势。随着多个ZK-EVM项目启动主网，以太坊的二层扩容前景在不久的将来将会非常令人期待。