Em 10 de abril, a16z Cripto lançou uma solução zkEVM chamada Jolt, com o objetivo de acelerar e simplificar as operações de dimensionamento de blockchain. Jolt integra provas de conhecimento zero SNARK para fornecer um framework para Rollups compatíveis com EVM, ajudando os desenvolvedores a criar soluções L2 baseadas em SNARK. A equipe afirmou que a velocidade do Jolt é 'duas vezes mais rápida' em comparação com as soluções zkVM existentes.

Como os princípios técnicos da Jolt são relativamente complexos, aqui está uma explicação simples de vários termos técnicos que podem estar envolvidos:

zkSNARK é uma primitiva de prova de conhecimento zero poderosa e forma a base para a construção de zkVM e zkEVM.

zkVM é um conceito geral de uma máquina virtual de conhecimento zero que suporta qualquer conjunto de instruções.

zkEVM é uma instância específica de zkVM projetada especificamente para compatibilidade com EVM.

ZK Rollup emprega zkVM ou zkEVM para melhorar a escalabilidade do Ethereum mantendo a privacidade.

O que é Jolt?

Jolt é uma solução SNARK inovadora que fornece uma abordagem mais concisa e eficiente para a construção de zkVM (máquina virtual de conhecimento zero). Na verdade, já em agosto de 2023, a a16z Crypto propôs conceitos chamados Lasso e Jolt. Essas tecnologias foram introduzidas em meio à natureza lenta e custosa da tecnologia SNARK.

Lasso, um desses conceitos, é um novo método de pesquisa de parâmetros que reduz significativamente o custo para verificadores. Jolt, por outro lado, utiliza o Lasso para fornecer um novo framework para projetar SNARKs para zkVM e aplicações mais amplas de front-end. Juntos, eles aprimoram o desempenho, a experiência do desenvolvedor e a auditabilidade dos projetos SNARK, melhorando assim a construção de aplicativos web3. Isso, por sua vez, aprimora o uso de provas de conhecimento zero no domínio da blockchain.

Antes de mergulhar em Jolt, pode ser útil entender zkVM e zkEVM.

zkVM é um conceito genérico que se refere a uma máquina virtual de conhecimento zero. Semelhante ao zkEVM, o zkVM permite que programas sejam escritos em linguagens de alto nível como C++ ou Rust, que são então compilados pela máquina virtual em alguma forma de representação intermediária (como circuitos ou restrições aritméticas). Esta representação intermediária é então provada para executar corretamente usando sistemas de prova como zkSNARK. Ao contrário do zkEVM, o zkVM não é limitado à compatibilidade com o EVM, mas suporta qualquer conjunto de instruções. Jolt é uma implementação de alto desempenho do zkVM projetada para o conjunto de instruções RISC-V.

Podemos pensar no zkVM como uma “caixa preta” especial que pode provar ao mundo exterior, preservando a privacidade, que de fato executou uma computação de acordo com um programa predefinido. No entanto, os zkVMs tradicionais exigem cálculos extensos e complicados para gerar essa prova, resultando em um desempenho muito pobre.

A inovação central do Jolt reside em encontrar uma abordagem matemática mais eficiente para gerar esta prova:

Primeiro, Jolt transforma inteligentemente a computação a ser provada em um tipo especial de polinômio, que chamaremos de “polinômio de computação”. A característica deste polinômio é que o seu valor é zero apenas quando a caixa preta executa corretamente a computação.

Para provar que o valor do “polinómio de cálculo” é zero, a Jolt emprega um protocolo interativo chamado “sumcheck.” Este protocolo permite que os verificadores sejam convencidos em menos tempo de que o valor do polinómio é zero sem precisar de calcular o polinómio inteiro. Isto é semelhante a um professor verificar apenas algumas questões num teste de um aluno para determinar se o teste inteiro está correto.

Vantagens Técnicas da Jolt

Os princípios técnicos da Jolt são bastante complexos, mas para simplificar, a zkVM é uma tecnologia chave na melhoria da escalabilidade das redes de criptomoedas, capaz de fornecer provas eficientes enquanto preserva a privacidade. Vitalik discutiu detalhadamente a tecnologia zkSNARK durante seu discurso principal recente no Hong Kong Web3 Carnival. Vitalik afirmou: "Encontrar ZKSNARKS é muito útil para a privacidade e escalabilidade."

No entanto, a velocidade de geração de provas e sobrecarga computacional sempre foram grandes desafios para a aplicação prática da tecnologia zkSNARK, e têm sido foco de pesquisa acadêmica e industrial nos últimos anos. Esquemas zkSNARK tradicionais, como Pinocchio e Groth16, podem levar várias horas ou até dias para gerar provas para cálculos complexos e exigem recursos significativos de memória e armazenamento. Esse gargalo de desempenho limita severamente a aplicação do zkSNARK em muitos cenários práticos.

Para permitir a realização de aplicações em grande escala em redes de criptomoeda e alcançar verificação em tempo real, melhorar o desempenho do zkSNARK é um passo crucial.

Especialmente quando o tamanho do circuito calculado é grande, a complexidade computacional da geração de prova aumenta exponencialmente. Em particular, o processo de geração de prova do zkSNARK envolve algoritmos criptográficos complexos como emparelhamentos de curvas elípticas e interpolação polinomial, que consomem recursos computacionais significativos.

De acordo com a16z Crypto, a implementação inicial do Jolt é aproximadamente 6 vezes mais rápida do que a RISC Zero e 2 vezes mais rápida do que a SP1 recentemente lançada na CPU. Além disso, eles planejam melhorar ainda mais a velocidade do Jolt em aproximadamente 1,5 vezes nas próximas semanas.

Atualmente, a velocidade do Jolt já é mais de 2 vezes mais rápida do que a zkVM existente, mas ainda há um espaço considerável para otimização. Jolt também utiliza de forma inteligente certas propriedades algébricas de polinómios para alcançar um esquema de compromisso polinomial mais eficiente, reduzindo ainda mais o tamanho das provas e o tempo de verificação.

Possíveis Mudanças que Jolt Irá Trazer

Do ponto de vista da engenharia, Jolt emprega uma série de técnicas de otimização, como designs de circuitos mais compactos, pipelines mais eficientes e maior paralelização, para maximizar a utilização da potência de computação do hardware.

Suponha que seja um programador Web3 e queira implementar um jogo de poker descentralizado na Ethereum. Este jogo requer embaralhamento, distribuição e comparação de cartas na cadeia, sendo que cada operação precisa ser implementada através de circuitos zkVM para privacidade e verificabilidade.

Se usasse soluções zkVM existentes como ZoKrates ou Bellman para construir um circuito desse tipo, poderia levar várias horas ou até dias. Isto porque o desempenho atual do zkVM é relativamente baixo, e a geração de provas de conhecimento zero para circuitos complexos requer recursos computacionais significativos e tempo. Isto resultaria em ciclos longos de desenvolvimento e teste.

No entanto, se usasse o Jolt para construir o mesmo circuito, a situação mudaria significativamente. De acordo com os testes realizados pela equipa da Jolt, a implementação atual do Jolt pode gerar provas 2-5 vezes mais rápido do que as soluções zkVM mainstream. Isto significa que se originalmente demorasse 10 horas a gerar uma prova, agora poderia demorar apenas 2-5 horas.

No geral, a melhoria de desempenho de 2-5x trazida pelo Jolt significa um aprimoramento significativo na usabilidade e acessibilidade da tecnologia zkVM. Isso irá diminuir consideravelmente a barreira para os desenvolvedores da Web3, encurtar os ciclos de desenvolvimento de aplicativos e proporcionar uma melhor experiência ao usuário final. Olhando para o futuro, o Jolt tem o potencial de acelerar a adoção generalizada da tecnologia zkVM, permitindo que mais usuários se beneficiem da proteção aprimorada da privacidade e das capacidades de computação verificáveis no ecossistema Web3.

Naturalmente, o Jolt ainda está nos seus estágios iniciais de desenvolvimento, e a melhoria de desempenho de 2-5x é apenas o começo. Com iteração contínua e otimização da tecnologia Jolt, podem ser esperados mais avanços no desempenho zkVM, abrindo assim caminho para a realização de aplicações Web3 em grande escala.

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