原文作者：Hugo

TL;DR

1.提出了⼀種雙層的零知識證明(ZKP) 經濟模型，其中共享的ZKP 證明加速器池（Prover Pool）和通⽤的模塊化證明加速器（Universal Modular Prover）是ZKP ⽣態系統的關鍵組成部分。

2.ZKP 證明加速器代表了下⼀代的區塊鏈計算基礎設施。

3.⼯作量證明 (PoW) 礦機和 ZKP 證明加速器之間存在根本性差異。

4.ZK-rollup 證明經濟模型的設計⾯臨著「不可能三⾓」的挑戰：平衡性能、成本和去中⼼化。

5.本⽂分析了⼏種 ZKP 證明經濟模型，以 Taiko 的解決⽅案為例。

1.介紹

近年來，零知識證明(ZKP) 技術取得了顯著進展。它在需要計算擴容或隱私保護的項⽬中越來越受歡迎。

ZKP，特別是 SNARK (Succinct Non-interactive Argument of Knowledge) 協議，在以太坊的擴容⽅向中得到了⼴泛認可。以太坊的路線圖包括「Snark Everything」的⽬標，Vitalik Buterin 聲稱「zK-SNARKs 在未來 10 年將與區塊鏈⼀樣重要」。

Vitalik 關於zK-SNARK 的聲明

< p>然⽽，⽣成零知識證明⽐計算本⾝要復雜得多。

例如，在以太坊中，具有 10M Gas 的塊的計算時間少於 1 秒，如下圖所⽰。

EVM 性能

然⽽，對於ZKEVM 中的電路，在128 核CPU上⽣成塊的證明可能需要超過1700 秒。請參考 PSE 團隊的基準測試結果。

ZKEVM 基準測試

即使使⽤ GPU，ZKEVM 也需要數百秒才能⽣成證明。這意味著使⽤ ZKP 驗證 EVM 計算的成本⽐原始計算⾼出 1000 倍以上。

未來將有巨⼤的ZKP 計算需求，因為將有許多ZKP 項⽬，包括zkSync、Scroll、Taiko、Polygon、Linea 和Aztec 等L2 項⽬，以及Aleo、Mina 和Risc Zero 等L1 項⽬。還將有其他需要 ZKP 計算能⼒的隱私、⾝份和遊戲相關項⽬。

MESSARI 的ZKP ⽣態展⽰圖

我們相信，可信計算將在未來的數字世界中與計算本⾝同樣重要，ZKP 加速將成為下⼀代區塊鏈計算能⼒的核⼼。

2.ZKP 需要和POW 不同的經濟模型和

⼯作量證明（ PoW）是⼀種⽤於分佈式共識的算法。在 PoW 系統中，參與者（礦機）必須執⾏計算密集型⼯作，以證明他們已經投⼊了⼀定量的計算資源。這些算法的⽬標是確保⽹絡安全。礦機競爭找到滿⾜特定條件的哈希值，以獲得區塊獎勵和交易費⽤。

然⽽，ZKP 的⽬的和特點⾮常不同。

以下是 POW 礦機和 ZKP 證明加速器之間的⽐較。

POW 礦機和ZKP 證明加速器之間的⽐較

⼀些ZKP 項⽬，如Aleo，仍然使⽤類似POW 的機制，但它們並不是主流。以太坊通過POS 取得的成功證明了 POW 不是實現區塊鏈去中⼼化的唯⼀可⾏解決⽅案。因此，更多的項⽬可能會選擇⾮ POW 證明系統來減少能源消耗和總體成本。

在 ZKP 計算範式中，需要設計不同的證明加速器和不同的經濟模型。

3.ZKP 證明經濟模型的不可能三⾓挑戰

在這個背景下，「證明經濟模型」指的是去中⼼化零知識證明系統中的激勵機制。零知識證明⽹絡的三個關鍵指標是成本、性能和去中⼼化。 ⼀個精⼼設計的證明經濟模型應該滿⾜這三個要求。

⾸先，成本是 ZKP 項⽬中⼀個關鍵因素，特別是對於 ZK-rollups⽽⾔。這是因為它們的使命是擴展以太坊並降低⽤戶的交易成本。證明成本是 ZK-rollup 和其他 ZKP 項⽬的總成本的⼀部分。

為了為驗證第⼆層交易和實現最終性提供更好的⽤戶體驗，ZK 證明加速器需要⾼性能的機器。使⽤並⾏計算的 GPU、FPGA 或 ASIC 可以幫助緩解瓶頸。這就是為什麼我們使⽤GPU 證明 zkEVM 只需要 10 分鐘，⽽使⽤CPU 可能需要⼏個⼩時。

ZKP 證明加速器的另⼀個關鍵要求是去中⼼化。去中⼼化意味著許多參與者可以加⼊證明⼯作⽽不需要獲得許可，並且具有冗餘和地理分散性，使整個系統強⼤且抵抗審查。

然⽽，在同⼀設計中滿⾜⾼性能、低成本和去中⼼化的所有三個⽅⾯是不可能的挑戰。

ZKP 證明經濟模型的不可能三⾓

⾸先，成本和性能之間存在衝突。如果需要⾼性能，則需要⾼價的證明加速器，如GPU、FPGA 甚⾄GPU/FPGA 集群。

隨著 ZKP 在⻓期內的使⽤越來越普遍，將會有數百萬個 ZK 證明加速器的市場。到那時，低成本的 ZK ASIC 芯⽚可以同時滿⾜低成本和⾼性能的要求。然⽽，由於我們⽬前處於ZKP 的早期階段，尚未達到如此巨⼤的市場規模，因此 ZK ASIC 芯⽚的單元成本相對較

⾼。因此，在這個階段實現成本效益和性能仍然是⼀個挑戰。

其次，去中⼼化通常需要證明加速器的冗餘，從⽽增加了整個證明系統的成本。

例如，如果ZK-rollup 項⽬在1 秒鐘內創建⼀個L2 塊，並使⽤⾼性能GPU⽣成其證明需要約10 分鐘，那麼需要⼤約600 個證明加速器來滿⾜需求。

如果我們為ZK-rollup 項⽬部署了600個GPU 證明加速器，則計算能⼒將⾜以滿⾜其吞吐量。然⽽，如果⼀些證明加速器由於⽹絡故障或偶爾的關機未能按時完成任務，則需要其他證明加速器⽣成證明。增加備份證明加速器的數量和 ZK 證明加速器的去中⼼化會增加證明系統的總成本。這也是為什麼 POW 在 ZKP 項⽬中不流⾏的原因。

第三個挑戰是，極致追求證明加速器的性能可能會導致證明⽹絡被最快的證明加速器所壟斷。這與去中⼼化的⽬標相衝突。

從經濟學的⾓度來看，建⽴⼀個確保ZKP 系統中證明加速器的盈利和活躍的經濟系統是⼀個具有挑戰性的任務。這就是證明加速器經濟模型的挑戰。

4.ZKP 證明經濟模型的演進

Taiko 是⼀個去中⼼化的ZK-rollup 項⽬，和以太坊等同，並使⽤Type 1 zkEVM 技術。在Taiko 項⽬的初期，它的重點就是設計去中⼼化的序列器（Sequencer）和證明加速器。這是第⼀個積極推⼴去中⼼化序列器和證明加速器的 ZK-rollup 項⽬。

Taiko 在其⽂檔中介紹了其經濟模型設計原則，其中提到了類似的度量標準：

< /p>

1.⾼效地利⽤證明資源

2.證明的成本優先於證明的速度

3.證明加速器的冗餘/去中⼼化

Taiko 項⽬已經探索了各種解決證明ZKP 證明經濟模型的不可能三⾓的⽅案，並且仍在不斷發展。以下是 Taiko Testnet 及其證明經濟模型的歷史：

1.2022 年 12⽉28⽇，Alpha-1：證明加速器未開放。

2.2023 年 3⽉23⽇，Alpha-2：證明加速器是⽆許可的，最快的證明加速器獲勝，沒有經濟模型。

3.2023 年 6⽉7⽇，Alpha-3：證明加速器是⽆許可的，具有動態獎勵經濟加速器。

4.2023 年 6⽉：批次拍賣式經濟加速器被提出並討論。

5.2023 年 7⽉18⽇，Alpha-4：證明加速器是⽆許可的，具有基於質押的經濟加速器。

6.新提案正在進⾏中。

不同ZKP 證明加速器的⽐較

< p>

4.1 動態獎勵證明經濟模型（Taiko A3）

A3 的經濟模型包括⼀種動態獎勵機制，旨在⿎勵證明加速器成本低、性能⾼。它包括以下規則：

- 提交證明最快的證明加速器獲勝。

- 隨著證明加速器提交證明速度的加快，獎勵逐漸降低。

因此，⼀旦證明加速器成為最快的，其最佳策略是僅⽐競爭對⼿稍微快⼀點提交證明，並等待⼀段時間以獲得更⾼的獎勵並保持更⼤的利潤。

接下來，讓我們看⼀下 Taiko A3 中觀察到的⼀些現象。

1.Gas 戰爭

⽬前，A3 中活躍的證明加速器數量逐漸減少，表現出中⼼化的趨勢。

A3 測試⽹上每⽇活躍證明加速器的趨勢

上述趨勢的原因是，⼀些⾼性能證明加速器可以在24 秒內提交其證明，⾮常快速。根據以太坊的設計，如果多個證明加速器在同⼀時間窗⼝內提交證明，則具有更⾼Gas 費的證明加速器將被接受。在 Sepolia 測試⽹上，gas 費⽤不是真正的 ETH，⾮常便宜。

因此，這些⾼性能證明加速器之間存在 gas 戰爭。他們以極⾼的 gas 價格提交證明，有時⾼達 2000 Gwei。 ⼀些具有⾮常⾼gas 費⽤的證明加速器主導了證明任務。

另⼀種策略是通過在 12 秒內提交證明來優化性能。但是，在 12 秒內提交所有證明很困難，因為根據 A3 設計，更快的速度會導致更少的獎勵。

A3 測試⽹上的證明加速器gas 費趨勢

A3 測試⽹上的⾼gas 費

2.計算資源的競爭

A3 中另⼀個現象是失敗提交數量的增加。這是因為每個塊只允許⼀個獲勝者提交證明，即使它們⽣成有效證明，所有其他提交都將被拒絕。

A3 中失敗率（紅⾊框中的交易）

4.2 基於質押的證明經濟模型（Taiko A4）

在A4 中，Taiko 採⽤了基於質押的證明經濟模型，它提供了⼏個優點：

1.消除過度計算資源競爭，因為僅選擇⼀個證明加速器⽣成證明。如果未被選中，其他證明加速器不需要再計算。

2.通過給予更⾼的權重⿎勵低成本，⾼性能的證明加速器不能保證獲勝。

3.與拍賣式解決⽅案相⽐，設計相對簡單。

為什麼我們需要質押？原因是⼀旦選擇了證明加速器，它需要誠實地並及時提交證明。如果選擇的證明加速器未能完成此任務，則執⾏懲罰。

A4 中⼀個重要的現像是 ZKP 證明加速器被懲罰的概率很⾼，特別是當⽹絡擁塞時。這⾥是⼀個例⼦。

A4 測試⽹上的懲罰歷史記錄

接下來，我們可以討論可能的解決⽅案。

5.證明經濟模型的進⼀步改進

根據我們的分析，預期的零知識證明經濟模型應滿⾜以下要求：

1.每個任務只有⼀個證明加速器，沒有任何浪費的計算。

2.應該制定機制來防⽌壟斷情況並促進去中⼼化。

3.所選的證明加速器應提供質押，如果他們未能在指定的時間窗⼝內⽣成證明，則應受到懲罰。

4.⿎勵更快的證明提交和降低成本的激勵機制。

5.證明加速器應獲得⾼Gas 費⽤的補償。

6.在交通擁堵期間應延⻓證明窗⼝。

讓我們進⼀步擴展討論。

這種零知識證明的質押機制類似於以太坊，因為它⿎勵驗證者誠實。然⽽，它們之間存在差異。

以太坊驗證器和零知識證明加速器的⽐較

如表所⽰，與以太坊驗證器相⽐，零知識證明加速器的成本更⾼，被懲罰的⻛險更⼤。同時，就獎勵⽽⾔，零知識證明加速器的唯⼀補償來⾃ZKP 項⽬⽅，但它必須包括 Gas 費⽤、計算硬件成本和質押資產的成本。

以下是⼀些降低懲罰⾦額的提議，考慮到零知識證明加速器需要⽀付Gas 費⽤和相對較⾼的計算硬件資源成本：

1.如果證明加速器在相對⻓的時間窗⼝內提交了證明，則不應該施加懲罰。這是因為其他⼈可以按照設計提交證明，證明加速器已經承擔了 Gas 費⽤和計算能⼒成本。

2.如果證明加速器從未提交證明，則應施加較低的懲罰⾦額。在這種情況下，可能很難區分⽹絡/技術問題或不誠實問題。因此，懲罰是合理的，但應該較為溫和，因為在⼤多數情況下，失敗可能是由於⽹絡擁堵造成的。

當存在⽹絡擁堵或 Gas 費⽤⾮常⾼時，即使使⽤合理的 Gas 費⽤，證明加速器也很難提交證明。以下是可以考慮的⼀些解決⽅案：

1.當基礎費⽤⾼時，延⻓證明窗⼝。

2.更具經濟合理性的解決⽅案是，在基本 Gas 費⽤⾼時增加獎勵。

質押機制帶來了⼀些資⾦成本。雖然沒有所謂的 POS 獎勵，ZK-rollup 將 POS 作為證明經濟模型的⼀部分。然⽽，所有資⾦都有利息成本。因此，在基於質押的機制中，應增加獎勵⾦額以覆蓋質押成本，儘管它可以包含在總體證明加速器的獎勵中。

此外，以下改進將是可取的：

1.為⿎勵更快的證明加速器，在選擇證明加速器後，如果他們在⽬標證明時間窗⼝之前提交了證明，則可以增加他們的獎勵。

2.使⽤批量的證明有助於減少總體 Gas 費⽤。

6.雙層的零知識證明經濟模型

⽬前，許多零知識證明（ZKP）項⽬都使⽤⾃⼰的證明系統和經濟模型，然⽽這種⽅法並不利於在ZKP 項⽬之間共享計算能⼒，這導致整個ZKP⽣態系統的成本更⾼。

正如我們在前⾯的部分中分析的那樣，ZKP 項⽬需要⼀個複雜的機制來管理懲罰、獎勵、證明時間窗⼝和其他相關⽅⾯。

此外，成為各種 ZKP 項⽬的證明加速器並質押各種資產存在很⾼的門檻。

為了實現更健康和更具成本效益的 ZKP 證明⽣態系統，採⽤雙層經濟模型可能是⼀個不錯的解決⽅案。 Taiko 在多輪證明經濟模型迭代後提出了⼀個解決⽅案，我們進⼀步將該解決⽅案擴展為⼀個雙層框架。

在這種⽅法下，每個 ZKP 項⽬作為第⼀層運⾏，定義⾃⼰的經濟模型。然⽽，證明加速器的選擇、調度、懲罰、獎勵和評級則委託給第⼆層，即共享的證明加速器池。

雙層的ZKP 經濟模型

ZKPool 作為證明加速器池可以聚合多個ZKP 項⽬的需求並分配任務給證明加速器，使他們具有更⾼的利⽤率和更多的收益。此外，它降低了參與門檻並最⼩化了可能的懲罰。

為了向ZKP 項⽬提供最佳性能和低成本的證明加速器，ZKPool 可以實現⼀個證明市場，採⽤標準化的費率系統來評估證明加速器的性能，並在證明加速器之間創建競爭機制。該系統可以將最佳證明加速器返回給 ZKP 項⽬，⽽ZKPool 可以根據評級系統提供額外的平

台激勵。這種⽅法可以極⼤地惠及 ZKP 項⽬和 ZKP 證明加速器。

雙層經濟模型的職責範圍

< p>此外，我們提出了UMP（通⽤模塊化證明加速器）概念。通⽤模塊化證明加速器可以在同⼀硬件平台上運⾏，同時⽀持各種 ZKP 項⽬的證明⼯作。

通⽤模塊化證明加速器

整個ZKPool 都將⾛向去中⼼化，並促進經濟健康的ZKP⽣態系統。

ZKPool 架構概述

ZKPool 的設計原則：

最⼩化ZKP 項⽬成本，同時最⼤化證明加速器收⼊。

簡單：易於訪問 ZKP 計算能⼒，易於加⼊ZKP 證明加速器。

透明度：保持收⼊分配透明。

不僅是 ZKP，還有⼈⼯智能和空間計算在 web3 的部署將需要加速計算資源。 ZKPool 最終可以在整個 Web3 中共享所有加速計算資源，我們可以稱之為 Web3 的加速層。

we3 的加速層

7.結論

探索ZKP 證明經濟模型是⼀個漫⻓⽽富有收穫的旅程。通過我們的研究，我們確定了成本，性能和去中⼼化作為 ZKP 證明經濟模型的關鍵指標。實施雙層的 ZKP 證明經濟模型可以使整個系統受益。此外，共享通⽤證明加速器池對 ZKP⽣態系統⾄關重要。

下⾯，我們需要應對並解決這些挑戰，以完全完成這個⽣態系統。其中重要的⼯作包括為ZKP 證明加速器構建標準輸⼊，降低硬件要求等。這些是我們關注和努⼒的領域。

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