協處理器是什麼？

爲什麼需要協處理器？

Celer Network 和 Brevis 的聯合創辦人 Mo Dong 認爲，協處理器（Coprocessors）用白話表達，就是「賦予智能合約 Dune Analytics 的能力」。

反過來理解，意即目前一般的智能合約是無法訪問歷史數據的。舉個例子，筆者曾在一個流動性管理協議（Liquidity Manager Protocol）工作過，當時我們想要取得歷史價格數據，去計算流動性提供者在 AMM 裏超出價格區間的次數和對應成本。我們必須依靠 The Graph 的 GraphQL API 或類似的鏈下托管的索引服務，因爲聚合、搜索、篩選等任務，無法靠合約本身的交互來完成；要想索引一些想像中很平常的區塊鏈交易數據，實際操作起來其實非常困難，除了基本數據以外，很難讀取邏輯稍微復雜一點的數據。

對流動性管理協議而言，如果我們想要評估現有的測試池子或現有用戶池子的歷史表現，一樣要使用鏈下托管索引服務的 API 來抓取這些數據，在 Excel 裏試算。有沒有一種服務可以簡化這個過程，賦予 dapp 智能合約直接聚合、篩選和分析這些數據的能力？協處理器就是爲了解決這個需求而被開發的。

爲什麼稱之爲「協處理器」？

在早期的計算機系統中，CPU處理器往往只能執行基本運算，需要搭配專用的「協處理器」來執行特定類型的計算任務，如浮點運算等，以提升效能。

現在，我們可以將以太坊想像爲一個巨大的超級計算機；世界各地的智能合約只能訪問當前區塊的鏈上數據，無法訪問包括交易記錄、帳戶餘額變化等在內的歷史數據，這是因爲以太坊的設計中沒有爲智能合約提供訪問這些歷史數據的途徑。

爲了確保數據可信任，訪問歷史數據需要一種加密方法，將歷史記錄與當前區塊建立聯系。但直接在智能合約中計算和驗證這種證明的曠日費時，且開銷非常大；另一種途徑，是通過儲存節點的查詢，但智能合約無法直接與之交互，且存在信任問題。有什麼手段可以解決信任問題，讓我們能夠執行可驗證計算（Verifiable Computation），即讓計算的結果可以直接被第三方驗證其正確性，無需重新執行計算？類似於早期的計算機系統，協處理器能夠擴展以太坊上的智能合約的計算能力，賦予其訪問歷史數據和執行復雜運算的新功能。

協處理器一般如何運作？

一般而言，驗證以太坊數據的協處理器，主要運作流程的大方向如下：

1.通過某個服務在鏈下環境查詢歷史數據、執行相關計算；

2.該服務會生成某種證明，來證明它的操作是可信任的；

3.開發者的 dapp 會與該服務在以太坊上部署的協處理器合約交互，來驗證證明；

4.與協處理器合約交互、驗證結果後，dapp 能無信任地直接訪問需要的歷史數據。

哪些項目正在做協處理器或廣義的可驗證計算？

下面主要分析協處理器領域內，各個競品主要採用的技術堆棧和競爭優勢。

Axiom

Axiom 是協處理器領域最早期的參與者之一，致力於打造鏈上數據基礎設施，讓智能合約開發者能夠更簡單地與鏈上數據交互。 Axiom 也是最早提出協處理器這個概念的團隊，本文後面將以 Axiom 爲例子，詳細介紹他們推出的協處理器具體如何運作。

Lagrange

Lagrange 主要聚焦於跨鏈狀態證明和並行處理技術。它的證明無需通過 zkBridge 或類似 IBC 那種跨鏈消息傳遞協議傳輸，就可以實現跨鏈驗證。 Lagrange 的並行證明器（Parallel Prover）則非常適合用在業務涉及 Restaking 的產品中，使 Lagrange 在 RaaS 生態佔有一席之地。

和順序式證明不同的是，並行證明的工作負載可以同時分布在數千個線程上，還可以通過重新質押在 EigenLayer 上進行保護。換句話說，並行計算和並行證明的方式能夠實現較好的水平擴展性能。

實際用例之一是 Lagrange 在 AltLayer 上的應用。 AltLayer 主要提供的是 Restaked Rollup 的主動驗證服務，可以幫助開發者快速實現去中心化排序、驗證 Rollup 狀態正確性。 2024年3月21日，Lagrange 宣布和 AltLayer 合作，使用並行證明器爲其進行 Rollup 協處理，確保 AltLayer 的 RaaS 客戶能夠獲取可驗證、無信任的鏈上數據和計算結果。

Herodotus

Herodotus 與 Starkware/Starknet 生態緊密相關，合作夥伴也包括 Snapshot 等等。 Herodotus 將自己的協處理器系統稱爲存儲證明（Storage Proof），能夠與 ZK 證明結合，實現以太坊不同 Layers 之間的跨層數據訪問。

來源：Herodotus 官網

存儲證明系統由三個部分組成：

（1）包含證明（Inclusion Proofs），確認數據真實存在於以太坊的數據結構中；

（2）計算證明（Proofs of Computation），驗證多步驟工作流的有效性，特別是涉及數據轉換或其它操作時；

（3）ZK 證明，允許智能合約在不處理所有基礎數據的情況下確認證明的有效性。任何處於以太坊歸檔節點 （archive node）中的鏈上數據，都可以被存儲證明系統證明。

存儲證明系統和其它協處理器一樣，在鏈下生成，在鏈上驗證，因此消耗的鏈上資源較少。使用存儲證明系統，可以減少在以太坊層之間傳輸的數據量，因爲發送的只是用於驗證的區塊哈希或累加器根（accumulator root）。

Brevis

Brevis 是由 Celer Network 開發，用於構建各種鏈上數據服務（包括 ZK 協處理器）的基礎設施。 Celer Network 是一個互操作性協議，創始人爲 Mo Dong 和 Qingkai Liang，該項目在 2019 年 IEO 時募得了 $ 4 M。

目前 Celer Network 已在鏈上部署了一個 Brevis 合約，會驗證協處理器請求的證明，並透過 callback 函數將結果回傳至 dapp 的合約中。開發者能夠使用 Brevis SDK 輕鬆讓 dapp 訪問鏈上歷史數據，該工具把復雜的電路抽象了，因此開發者無需 ZK 證明的先備知識。 Brevis SDK 是由 Consensys Linea 團隊的 gnark 框架爲基礎開發的。 Brevis 也支援以太坊的 ZK 輕用戶端，因此支持來自任何以太坊 EVM 的鏈上數據。

來源：Brevis 文檔

目前，Celer Network 正在以 Brevis 爲基礎，開發聚焦於 RaaS 生態的區塊鏈 coChain，它是一個基於 PoS 共識算法的區塊鏈，可以用來提供以太坊質押與 Slashing 服務。所謂 Slashing，指的是在以太坊PoS生態系統中對違規的驗證者進行懲罰的過程，包括罰款和狀態更改等等。歷史上以太坊質押生態的 Slashing 比例很低，有數據指，遭到Slashing的驗證者佔比不0.04%左右。

coChain 比較特殊的地方是，它將生成協處理結果的過程與以太坊質押的獎懲綁定在了一起，過程如下：

（1）智能合約提出協處理請求，通過 PoS 共識生成協處理結果；

（2）PoS 生成的結果作爲「提案」提交給區塊鏈，它們可能會被零知識 （ZK） 證明「挑戰」；

（3）ZK 證明如果挑戰成功，證明了驗證者在質押過程中有違規行爲，將直接在以太坊上觸發相應驗證者的質押Slashing ；如果PoS生成的結果沒有被挑戰，dapp 就可以直接使用協處理結果而沒有ZK 證明的成本。類似 Optimism，這種「樂觀」的證明挑戰方式成本較低。

總的來說，coChain 的做法是把協處理器的信任/驗證誘因與以太坊質押生態結合在了一起，未來將與 EigenLayer 集成，來減少 ZK 協處理器的證明成本。

Nexus

Nexus zkVM 可以被用來證明任何鏈上計算的結果。它的特色是能夠驗證基於折疊技術的 ZK 證明；同時 Nexus 也屬於 zkVM 賽道。創立於 2022 年，Nexus 目前公布的細節並不多；創始人 Daniel ‌Marin 過去曾任職 Google，畢業於 Stanford，Nexus 的早期文章是在 Stanford 區塊鏈俱樂部發表的。

ZK 折疊技術是 zkVM 解決方案中一個被認爲很有希望的分支。 Nexus zkVM 支持驗證折疊證明（folding proofs）和累積方案（accumulation schemes），是一個可擴展的、模組化、開源的 zkVM。它的技術堆棧包含了基於增量可驗證計算 （IVC） 和（多）折疊方案（如 Nova、CycleFold、SuperNova、HyperNova 等）的大規模並行化證明聚合機制。同時，他們還在開發 Nexus Network 一個基於 Nexus zkVM 建造的，可供大規模並行化的證明挖礦網路。

來源：Nexus 文檔，Nexus zkVM 架構

協處理器賽道技術取徑和競爭優勢比較表

從上面可以看到，各個項目基於不同生態（以太坊EVM、RaaS、跨鏈、以太坊跨層）、不同證明方式（Rollup vs ZK），或者ZK 證明中的不同解決方案（zk-SNARK、折疊證明、累積方案等），選擇了不同的技術堆棧，在競爭優勢上各有偏重，最終呈現出了不同的產品形式：可交互的鏈上合約、SDK，以及爲各種目的設計的網路，如質押驗證網路、大規模驗證網路等等。

來源：作者自制

協處理器的具體運作：以 Axiom 爲例

爲什麼選擇 Axiom？

Axiom是一個爲以太坊構建的 ZK 證明協處理器。它允許智能合約訪問歷史鏈上數據，並以 ZK 證明的技術確保鏈下計算的過程是無信任的。 Axiom 由 Jonathan Wang 和 Yi Sun 在 2022 年創立。 2024年1月25日，Axiom 在推特宣布募得 $ 20 M 的 A 輪融資，由 Paradigm 和 Standard Crypto 領投。它是首個提出「協處理器」概念的項目，也是目前最被風險投資支持的項目之一。

來源：Axiom 官方推特

Axiom 的發展歷程

2017 年，Yi Sun 從 MIT 獲得數學博士學位，也在高頻交易公司工作過了一段時間，他開始接觸加密貨幣領域，並意識到 ZK 證明是區塊鏈實現擴展性的關鍵。不過，當時他認爲 ZK 技術還非常早期，所以選擇持續觀望這個領域。一直到2021 年底，ZK 技術已開始乘上高速發展的火箭，基礎設施和開發工具也逐漸成熟，再加上Yi Sun 過去在構建DeFi 協議時，遇到了無法在自己撰寫的智能合約中訪問歷史數據的問題，種種原因促成了Axiom 的誕生。

Axiom 採用了哪種 ZK 證明技術？

Axiom 目前採用的零知識證明技術是基於 Halo2 和 KZG 後臺的 SNARK 證明系統，並運用了查找表（LUT）等 ZK 證明工具。過去 ZK 證明是復雜且難以審查的，查找表是一組預先計算的值，可以讓證明者更有效地向驗證者證明該值是存在的。

Axiom V2 的運作原理

2024年1月，Axiom V2 在以太坊主網上線，支援從智能合約存取 transactions、receipts、contract storage、 block headers 等數據，意味着已經支持存取以太坊主網上所有的歷史數據。

使用 Axiom 開發的 SDK 工具，開發者可以用 Typescript 編寫 Axiom 電路，發出數據請求、自訂計算。 Axiom 領先的原因，是它使智能合約訪問鏈上數據變得非常簡單：

1.開發人員使用Axiom Typescript SDK 編寫 Axiom 電路，發出對以太坊歷史數據的 ZK 驗證計算請求；

2.Axiom 執行所請求的計算並生成 ZK 證明，證明數據和計算結果的正確性；

3.開發者在智能合約中實作 callback 函數，用於驗證並執行從 Axiom 發送的帶有ZK證明結果的數據；

4.Axiom 通過在鏈上發送交易來查詢，回傳結果由ZK證明加密保證其可信度。

不過，有別於 Herodotus，Axiom 目前不支持查詢其它以太坊 EVM 網路或者 L2 網路的歷史數據，只專注於以太坊主網，未來不排除支持相關功能。

Axiom V2 的應用

應用層面上，Axiom 可以協助 dapp 實現以下功能：

• 根據用戶在鏈上活動記錄提供獎勵和忠誠度計劃
• 基於用戶在鏈上行爲實施問責制
• 建立可以根據身分、治理和結算需求定制的預言機

結論

目前協處理器的領頭羊 Axiom，與 Succinct 等輕節點項目實現了互補關係。 Succinct 試圖證明的是以太坊共識本身，而 Axiom 則是在接受共識結果的前提下，證明基於共識的任意鏈上歷史數據。

隨着ZK 證明領域的快速發展，包括折疊證明、積累方案和大查找表（large lookup tables）等發明不斷湧現，這讓支持ZK 證明技術最新進展的項目比如Nexus 得到注意；除了ZK 證明作爲主流外，也有Lagrange 這樣的項目通過並行證明器，爲Rollup 提供證明，填補了市場的缺口。

技術的不斷發展，進一步提升了各種知識證明的性能，減少證明大小和驗證的成本，使它們能夠被應用於更廣泛的場景。在這樣的背景中，模組化帶來的靈活性開始獲得重視，在協處理器這個賽道中尤爲如此。