理解 zkEVM
我们为了理解 zkEVM（也可以认为是 zkVM）, 便必须对 EVM 的概念有一个初步的理
解，从而才能明白当前 zkEVM 的局限性。
从 EVM 到 zkEVM
还记得 Ethereum 社区经典的表述，EVM 由数千台运行以太坊客户端，相互连接的计算
机（节点）共同维护。以太坊协议本身的存在仅仅是为了保持这个独一无二的状态机的
连续地、不间断地和不可变地运行。EVM 规定着如何在区块不断更迭的过程中去定义
那个 “标准” 的状态。EVM 的行为更像一个数学函数：给定一个旧的有效状态 S0 和一
组新的有效交易 T，以太坊状态转换函数产生一个新的有效状态 S1。在这个图灵完备的
状态机上，可以运行任何代码。
EVM 按照一定的规则执行交易。首先，EVM 将人类可读的编程语言（如 Solidity 和
Move）编译为面向机器的 16 进制的 “低级” 语言，称为 EVM 字节码（bytecode），最
终按照操作码（Opcode）解析为顺序指令列表。
因此，zkEVM 是一个至少在编程语言层面兼容 EVM 的 zkVM。EVM 的设计存在一定的
局限性，与本份研报相关的是，EVM 无法与 ZK 相应的协议兼容，需要对原有 EVM 进
行一定的改造，这种改造是颇具有挑战性的：
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EVM 对椭圆曲线的支持有限。
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EVM 基于 256 位整数运行（就像大多数基于 32～64 位整数运行的普通虚拟机那
样），零知识证明则 “天然” 基于素域运行。
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第三，EVM 不同于传统虚拟机, 有许多特殊的操作码。
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第四，EVM 是基于堆栈的虚拟机而不是更高级别的零知识证明友好型 IR
（Intermediate Representation，即中间表示。这是一种计算机程序编译过程中源
代码和目标代码之间的中间状态）。
zkEVM 兼容性：三种类型
在 Vitalik 的文章中对于改造程度和 EVM 兼容程度做了四个层面的划分，本文对其做更
为明晰的理解。
类型一，高级语言编译等效：最低层级的 “兼容” 便是将流行的高级语言编译为 ZK
SNARK 友好型语言。此时底层环境和虚拟机特性是完全不同于 EVM 的 zkVM，最为直
接的体现是在字节码层面和 EVM 不兼容，开发者无法直接复制、修改 EVM
bytecode，且可能 VM 内部脱离以太坊的技术支持，缺乏一定的 ERC 标准，无法与
EVM 保持同步的安全性。
类型二，EVM 等效：zkEVM 和 EVM 在字节码层兼容但在共识层不兼容，其将大部分
EVM opcode 转化为电路。这个类型涵盖现阶段项目范围最广，在 Vitalik Buterin 的
Blog 中细分为三种类型，主要在 Gas Fee（满足 ZK 协议复杂的操作）、部分操作码兼
容性、哈希函数类、，少量的区块、交易树、状态树结构，证明时间等方面有一定的差
异性。这些不同方面的不兼容会导致较高的证明/验证开销、较低的效率，或是对开发
者合约部署、运行的有限的影响，但是和类型一类型三之间有本质性的区别。由于现阶
段处于 zkEVM 项目爆发期，项目迭代快，同时很难具体评估技术细节不同而导致的等
效层级不同，因此笔者认为只需要关注项目和项目之间的技术大致差异性，而无需强求
类型的限定。
类型三，Ethereum 等效：zkEVM 和 EVM 在共识层兼容，此时 zkEVM 在一定程度上可
以完全融入 L1，作为等效的 P2P 节点进行协议通信，zkVM 和 EVM 可以等效。此时，
zkEVM 在 L1 层便可以进行多个交易的证明，以加快其他节点区块的验证，这意味着 L1
层自身的扩容，无需围绕 zkEVM 构建 L2。该类 EVM 效率极低，仍处于 “研究” 领域，
且大规模的部署可视作以太坊的升级。类似的存在另一种极端情况，公链运行 zkVM，
L1 证明本身数据而抛弃 Ethereum 原有架构，以此减少生成证明时间。
在拓哥看来，所谓兼容性是在有限的 ZK 协议证明能力、网络协议设计难度、网络算
力，运行效率、投入计算量和开发适配性的一个取舍。
·运行效率针对链上用户而言，最为直观体现是交易速度、L1 上验证者效率、L2 上
证明者效率、zkEVM 硬件加速程度等；
·投入计算量体现 L1、L2 层网络的 Gas Fee（手续费）；
·而开发适配性则是从合约开发者角度，考虑合约兼容程度和基础设施通用性，以及
特殊操作码，部分 ERC 协议是否适配等有关。
类型一的 zkVM 完全实现一个 ZK 友好型 VM，在性能方面具有优势，dApp 开发者有
相当高的迁移成本，同时无法同步以太坊的最新特性和安全性。而在类型二中，往往证
明者证明速度（满足电路转化的要求）、计算量和基础设施通用程度（满足以太坊的要
求）呈负相关。
当前 ZK 赛道梳理
围绕着上文提到的 zkEVM 不同等效程度的优劣势，ZK 细分赛道也逐渐火热，主要有以
下几个方面：
- ZK 以太坊兼容/电路编译：解决的是最为核心的 EVM 兼容性问题，也是赛场的主
角，各类其他生态围绕其展开。
- 公链：如 Manta Network 等，抛弃 Ethereum，建立新的 zkVM，重视 L1 层扩容
问题的同时关注数据隐私问题。
- ZK 跨链桥/预言机：ZK 赛道的基础设施，在多条 zkEVM Rollup 的 L2 之间进行资
产迁移或是获取链下数据。
- ZK 硬件加速：ZK 赛道的基础设施，解决生存证明计算量大问题。目前 ZK 硬件加
速主要来自 GPU，预计需要到 2023 年年底之后，才能够出现支持 zkEVM 证明的
专用硬件（ASIC），以及相对成熟可用的产品。
- ZK 工具类：根据兼容程度提供不同的开发工具。
- ZK 应用：与本研报关联较小，更多的聚焦在 ZK 隐私性的优势上。
好的，今天就分享到这里了，感兴趣的朋友请关注我们！
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