El 10 de abril, a16z Crypto lanzó una solución zkEVM llamada Jolt, con el objetivo de acelerar y simplificar las operaciones de escalado de blockchain. Jolt integra pruebas de conocimiento cero SNARK para proporcionar un marco para Rollups compatibles con EVM, ayudando a los desarrolladores a crear soluciones L2 basadas en SNARK. El equipo afirmó que la velocidad de Jolt es "dos veces más rápida" en comparación con las soluciones zkVM existentes.

Dado que los principios técnicos de Jolt son relativamente complejos, aquí tienes una explicación sencilla de varios términos técnicos que pueden estar involucrados:

zkSNARK es una primitiva poderosa de prueba de conocimiento cero y forma la base para la construcción de zkVM y zkEVM.

zkVM es un concepto general de una máquina virtual de conocimiento cero que admite cualquier conjunto de instrucciones.

zkEVM es una instancia específica de zkVM diseñada específicamente para ser compatible con EVM.

ZK Rollup emplea zkVM o zkEVM para mejorar la escalabilidad de Ethereum manteniendo la privacidad.

¿Qué es Jolt?

Jolt es una solución novedosa de SNARK que proporciona un enfoque más conciso y eficiente para construir zkVM (máquina virtual de conocimiento cero). De hecho, ya en agosto de 2023, a16z Crypto propuso conceptos llamados Lasso y Jolt. Estas tecnologías se presentaron en medio de la naturaleza lenta y costosa de la tecnología SNARK.

Lasso, uno de estos conceptos, es un método novedoso de búsqueda de parámetros que reduce significativamente el coste para los verificadores. Jolt, por otro lado, utiliza Lasso para proporcionar un nuevo marco de trabajo para el diseño de SNARKs para zkVM y aplicaciones más amplias en el front-end. Juntos, mejoran el rendimiento, la experiencia del desarrollador y la auditabilidad de los diseños de SNARK, mejorando así la construcción de aplicaciones web3. Esto, a su vez, mejora el uso de pruebas de conocimiento cero en el dominio de la cadena de bloques.

Antes de profundizar en Jolt, puede ser útil entender zkVM y zkEVM.

zkVM es un concepto genérico que se refiere a una máquina virtual de conocimiento cero. Similar a zkEVM, zkVM permite que los programas se escriban en lenguajes de alto nivel como C++ o Rust, que luego son compilados por la máquina virtual en alguna forma de representación intermedia (como circuitos o restricciones aritméticas). Esta representación intermedia luego se demuestra que se ejecuta correctamente utilizando sistemas de prueba como zkSNARK. A diferencia de zkEVM, zkVM no se limita a la compatibilidad con EVM, sino que admite cualquier conjunto de instrucciones. Jolt es una implementación de alto rendimiento de zkVM diseñada para el conjunto de instrucciones RISC-V.

Podemos pensar en zkVM como una "caja negra" especial que puede demostrar al mundo exterior, al tiempo que preserva la privacidad, que realmente ha ejecutado un cálculo de acuerdo con un programa predefinido. Sin embargo, las zkVM tradicionales requieren cálculos extensos y engorrosos para generar esta prueba, lo que resulta en un rendimiento muy pobre.

La innovación principal de Jolt radica en encontrar un enfoque matemático más eficiente para generar esta prueba:

En primer lugar, Jolt transforma hábilmente la computación a demostrar en un tipo especial de polinomio, al que llamaremos el “polinomio de computación”. La característica de este polinomio es que su valor es cero solo cuando la caja negra ejecuta correctamente la computación.

Para demostrar que el valor del “polinomio de computación” es cero, Jolt emplea un protocolo interactivo llamado “sumcheck”. Este protocolo permite a los verificadores estar convencidos en un tiempo más corto de que el valor del polinomio es cero sin necesidad de calcular todo el polinomio. Esto es similar a un profesor que revisa solo algunas preguntas en el examen de un estudiante para determinar si todo el examen es correcto.

Ventajas Técnicas de Jolt

Los principios técnicos de Jolt son bastante complejos, pero para decirlo de forma sencilla, zkVM es una tecnología clave para mejorar la escalabilidad de las redes blockchain, capaz de proporcionar pruebas eficientes mientras se preserva la privacidad. Vitalik discutió detalladamente la tecnología zkSNARK durante su reciente discurso principal en el Hong Kong Web3 Carnival. Vitalik afirmó: “Encontrar ZKSNARKS es muy útil para la privacidad y la escalabilidad.”

Sin embargo, la velocidad de generación de pruebas y la sobrecarga computacional siempre han sido grandes desafíos para la aplicación práctica de la tecnología zkSNARK, y han sido un foco de investigación académica e industrial en los últimos años. Esquemas zkSNARK tradicionales, como Pinocchio y Groth16, pueden tardar varias horas o incluso días en generar pruebas para cálculos complejos y requieren recursos significativos de memoria y almacenamiento. Este cuello de botella de rendimiento limita severamente la aplicación de zkSNARK en muchos escenarios prácticos.

Para habilitar aplicaciones a gran escala en redes blockchain y lograr verificación en tiempo real, mejorar el rendimiento de zkSNARK es un paso crucial.

Específicamente, el proceso de generación de prueba de zkSNARK implica algoritmos criptográficos complejos como emparejamientos de curvas elípticas e interpolación polinómica, que consumen recursos computacionales significativos. Especialmente cuando el tamaño del circuito calculado es grande, la complejidad computacional de la generación de pruebas aumenta exponencialmente.

Según a16z Crypto, la implementación inicial de Jolt es aproximadamente 6 veces más rápida que RISC Zero y 2 veces más rápida que la recientemente lanzada SP1 en CPU. Además, planean mejorar aún más la velocidad de Jolt en aproximadamente 1.5 veces en las próximas semanas.

Actualmente, la velocidad de Jolt ya es más de 2 veces más rápida que la zkVM existente, pero aún hay un considerable margen para la optimización. Jolt también utiliza de manera inteligente ciertas propiedades algebraicas de polinomios para lograr un esquema de compromiso polinomial más eficiente, reduciendo aún más el tamaño de las pruebas y el tiempo de verificación.

Posibles cambios que traerá Jolt

Desde una perspectiva de ingeniería, Jolt emplea una serie de técnicas de optimización, como diseños de circuitos más compactos, tuberías más eficientes y una mayor paralelización, para maximizar la utilización de la potencia de cómputo del hardware.

Supongamos que eres un desarrollador de Web3 y deseas implementar un juego de póker descentralizado en Ethereum. Este juego requiere barajado en cadena, reparto y comparación de rangos de cartas, con cada operación que debe ser implementada a través de circuitos zkVM para privacidad y verificabilidad.

Si fueras a usar soluciones zkVM existentes como ZoKrates o Bellman para construir dicho circuito, podría llevar varias horas o incluso días. Esto se debe a que el rendimiento actual de zkVM es relativamente bajo, y generar pruebas de conocimiento cero para circuitos complejos requiere recursos computacionales y tiempo significativos. Esto resultaría en ciclos de desarrollo y pruebas largos.

Sin embargo, si usara Jolt para construir el mismo circuito, la situación cambiaría significativamente. Según las pruebas realizadas por el equipo de Jolt, la implementación actual de Jolt puede generar pruebas de 2 a 5 veces más rápido que las soluciones zkVM convencionales. Esto significa que si originalmente tomaba 10 horas generar una prueba, ahora podría tomar solo 2-5 horas.

En general, la mejora de rendimiento de 2 a 5 veces aportada por Jolt significa una mejora significativa en la usabilidad y accesibilidad de la tecnología zkVM. Esto reducirá considerablemente la barrera para los desarrolladores de Web3, acortará los ciclos de desarrollo de aplicaciones y proporcionará una mejor experiencia de usuario para los usuarios finales. Mirando hacia el futuro, Jolt tiene el potencial de acelerar la adopción generalizada de la tecnología zkVM, permitiendo que más usuarios se beneficien de una mayor protección de la privacidad y capacidades de computación verificables en el ecosistema de Web3.

Por supuesto, Jolt todavía está en sus primeras etapas de desarrollo, y la mejora de rendimiento de 2-5x es solo el principio. Con la iteración continua y la optimización de la tecnología Jolt, se pueden esperar más avances en el rendimiento de zkVM, allanando finalmente el camino para la realización de aplicaciones Web3 a gran escala.

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