RISC Zero zkVM架构

1. 引言

RISC Zero zkVM为：

• 基于 FRI + PLONK 构建的
• 采用Von Neumann架构的
• ZK Machine
• 将RISC-V微控制器 具化为 某基于STARK的证明系统，的微架构和编码机制。

2. Row (Time) Structure

一个cycle对应1个memory transaction，对用户传入的程序elf可执行文件的处理流程为：

• 1）INIT：初始化阶段。有特殊的初始化cycle，用于重置状态。
• 2）LOAD：程序加载阶段。
  • 高效加载特定elf程序的程序数据，到，emulated memory。
• 3）RESET：重置阶段。跳转program counter，到，程序初始执行位置。
• 4）RISC-V执行阶段：实际处理器用3个cycle来执行每条指令。【每个逻辑cycle对应一个memory transaction。】
  • 4.1）DECODE：解码阶段。从内存加载每条指令进行解码。
  • 4.2）COMPUTE：compute slash load阶段。从内存加载数据。
  • 4.3）APPLY：更新寄存器值到内存。
• 5）FINISH：结束阶段。

3. Column Structure (Overall)

总体的column结构为：

总体分为3大类的列类型，每种列类型对应独立的Merkle tree：

• CONTROL列：也称为code列，用于表示对Prover和Verifier均已知的公开数据。实际上用于对control和各种flags进行编码。如：
  • 以flags来表示其为初始化cycle、load cycle、execution的3 cycle structure。
  • 实际会在这些列中存储待加载的elf数据。即程序默认是public input。Prover需知道整个program，而Verifier仅需知道该program的哈希值。
  • 并将各种控制逻辑也写入这些列中。
  • 对应一棵Control Merkle tree。
• DATA列：为private列。用于保存执行过程中的RISC-V状态。
  • 对应一棵Main Data Merkle tree。
• ACCUM列：用于permutation等。
  • 对应另一棵Merkle tree。

4. RISC Zero FRI Trace

即：

• 先按Addr升序排序
• 再按cycle升序排列

5. RISC Zero Host Interaction

参考资料

[1] RISC Zero团队2022年4月在ZK Summit 7 视频 RISC Zero Architecture Presentation @ Stanford - Jeremy Bruestle

RISC Zero系列博客

• RISC0：Towards a Unified Compilation Framework for Zero Knowledge
• Risc Zero ZKVM：zk-STARKs + RISC-V
• 2023年 ZK Hack以及ZK Summit 亮点记
• RISC Zero zkVM 白皮书
• Risc0：使用Continunations来证明任意EVM交易
• Zeth：首个Type 0 zkEVM
• RISC Zero项目简介
• RISC Zero zkVM性能指标
• Continuations：扩展RISC Zero zkVM支持（无限）大计算
• A summary on the FRI low degree test前2页导读
• Reed-Solomon Codes及其与RISC Zero zkVM的关系