Microsoft Research、ハッシュ関数のみで動くzkVM「Magnetar」

何が発表されたのか

Microsoft Researchは、ゼロ知識証明を活用した汎用の仮想マシン「Magnetar」を公表した。zkVMは、プログラムの実行結果と一緒に「このプログラムがこの入力で正しく動いた」ことを示す短い証明を生成する仕組みだ。証明を受け取った側は、プログラムを再実行することなくミリ秒単位で正しさを確認できる。Magnetarはオープンな命令セットであるRISC-Vの実行を証明する方式を採っている。

開発者はRust、Go、Cでプログラムを書き、通常どおりコンパイルするだけでよいとされる。Magnetarはラップトップ上で毎秒720万〜870万命令を証明し、最適化版では毎秒950万〜1280万サイクルに達するという。15本のベンチマークで、同じマシン上の既存zkVMより平均10〜39倍高速、トークン転送のベンチマークでは2つのシステムより300倍以上速いと報告されている。証明の検証は約12ミリ秒で完了するとされる。

技術的に何が新しいのか

Magnetarが前進したとされる課題は3つある。第1は証明生成の効率、第2は暗号の専門知識なしに通常のプログラムを扱える汎用性、第3は何十年先まで信頼できる暗号への依存だ。従来の証明システムは、プログラムを暗号回路という固定の算術記述に手作業で書き換える必要があり、数カ月を要することや、書き換え自体がセキュリティ上の不具合の原因になることがあった。

Magnetarは、通常のプロセッサの実行をそのまま証明する方式を採ることでこの問題を避ける。この方式は以前は速度やセキュリティの面で大きなコストを伴ったと説明されている。セキュリティ面では、楕円曲線や格子、専用に設計されたハッシュ関数を使わず、SHA-256やSHA-3といった標準ハッシュ関数のみに依存する。信頼できるセットアップも不要だとしている。

研究の系譜と位置づけ

Magnetarは、10年以上にわたるMicrosoft Researchの研究成果を統合したものと位置づけられている。2019年のSpartanは、信頼できるセットアップを必要とせずに汎用プログラムを扱えるようにし、後にハッシュ関数だけに基づく構成へつなげた。

その後、2021年のPhalanxがプロセッサの繰り返し構造を利用した高速化を、Brakedownがハッシュベースのコミットメント方式を、Nova系の研究が証明を分割して統合する手法を、Joltがプロセッサ全体の実行証明をそれぞれ可能にした。BinarySpartanやLigerito、ring switchingも部品として貢献している。

これらを1つにまとめたのがMagnetarだと説明されている。各研究が、効率・汎用性・セキュリティのいずれかの課題を個別に解いてきた、という整理だ。

現時点で分かっていないこと

公表された速度や比較の数値は、Microsoft Researchが示したベンチマークに基づく。技術論文に設計、セキュリティ分析、測定の詳細が記載されているとされるが、本記事の範囲ではその内容を検証できない。

製品としての提供時期や価格、ライセンス、対応環境は原文で言及されていない。RISC-Vの実行を証明する方式であるため、x86やARM向けにビルド済みのバイナリをそのまま扱えるかは明らかでない。導入を検討する場合は、論文と実装の公開状況を確認する必要がある。