如何將龐然大物分解為可管理的部分?答案在于分而治之。近年來,機器學(xué)習(xí)模型正以前所未有的速度實現(xiàn)突破性進展,但伴隨著能力提升的是其復(fù)雜性的急劇攀升——現(xiàn)代先進模型往往包含數(shù)百萬乃至數(shù)十億參數(shù)。面對如此龐大的規(guī)模挑戰(zhàn),零知識證明系統(tǒng)應(yīng)運而生,這些系統(tǒng)始終致力于在證明時間、驗證時間與證明大小三者之間尋求最佳平衡。表 1:模型參數(shù)規(guī)模的指數(shù)級增長盡管當前零知識證明領(lǐng)域的研究大多聚焦于優(yōu)化證明系統(tǒng)本身,卻有一個關(guān)鍵維度常常被忽視:如何將大規(guī)模模型合理拆分為更小、更易于處理的子模塊以進行證明。你可能會問,這一點為何如此重要?下面我們將深入探討:現(xiàn)代機器學(xué)習(xí)模型的參數(shù)數(shù)量往往達到十億級別,即便在不涉及任何密碼學(xué)處理的情況下,也已占用極高的內(nèi)存資源。而在零知識證明(Zero-Knowledge Proof, ZKP)的場景下,這一挑戰(zhàn)被進一步放大。每一個浮點數(shù)參數(shù)都必須被轉(zhuǎn)換為代數(shù)域(Arithmetic Field)中的元素,這一轉(zhuǎn)換過程本身會導(dǎo)致內(nèi)存占用增加約 5 至 10 倍。此外,為了在代數(shù)域中精確模擬浮點運算,還需額外引入操作開銷,通常也在 5 倍左右。綜合來看,模型整體內(nèi)存需求可能提升至原始規(guī)模的 25 至 50 倍。例如,一個擁有 10 億個 32 位浮點參數(shù)的模型,僅存儲轉(zhuǎn)換后的參數(shù)就可能需要 100 至 200 GB 內(nèi)存。再考慮中間計算值與證明系統(tǒng)本身的開銷,整體內(nèi)存占用輕易突破 TB 級別。當前主流的證明系統(tǒng),如 Groth16 和 Plonk,在未經(jīng)優(yōu)化的實現(xiàn)中,通常假設(shè)所有相關(guān)數(shù)據(jù)可同時加載至內(nèi)存中。這種假設(shè)雖然在技術(shù)上可行,但在實際硬件條件下極具挑戰(zhàn)性,極大限制了可用的證明計算資源。Polyhedra 的解決方案:zkCuda什么是 zkCuda?如我們在《zkCUDA 技術(shù)文檔》中所述:Polyhedra 推出的 zkCUDA 是一個面向高性能電路開發(fā)的零知識計算環(huán)境,專為提升證明生成效率而設(shè)計。在不犧牲電路表達能力的前提下,zkCUDA 可充分利用底層證明器和硬件并行能力,實現(xiàn)快速的 ZK 證明生成。zkCUDA 語言在語法和語義上與 CUDA 高度相似,對已有 CUDA 經(jīng)驗的開發(fā)者十分友好,且其底層以 Rust 實現(xiàn),確保安全性與性能兼?zhèn)洹=柚?zkCUDA,開發(fā)者可以:快速構(gòu)建高性能 ZK 電路;高效調(diào)度并利用分布式硬件資源,如 GPU 或支持 MPI 的集群環(huán)境,實現(xiàn)大規(guī)模并行計算。為什么選擇 zkCUDA?zkCuda 是一套受 GPU 計算啟發(fā)設(shè)計的高性能零知識計算框架,能夠?qū)⒊笠?guī)模的機器學(xué)習(xí)模型拆分為更小、更易管理的計算單元(kernels),并通過類似 CUDA 的前端語言實現(xiàn)高效控制。這一設(shè)計帶來了以下關(guān)鍵優(yōu)勢:1. 精準匹配的證明系統(tǒng)選擇zkCUDA 支持對每個計算 kernel 進行細粒度分析,并為其匹配最適合的零知識證明系統(tǒng)。例如:對于高度并行的計算任務(wù),可選用如 GKR 等擅長處理結(jié)構(gòu)化并行度的協(xié)議;對于規(guī)模較小或結(jié)構(gòu)不規(guī)則的任務(wù),則更適合使用如 Groth16 這類在緊湊計算場景下具有低開銷的證明系統(tǒng)。通過定制化選擇后端,zkCUDA 能最大化發(fā)揮各類 ZK 協(xié)議的性能優(yōu)勢。2. 更智能的資源調(diào)度與并行優(yōu)化不同的證明 kernel 對 CPU、內(nèi)存和 I/O 的資源需求差異顯著。zkCUDA 可準確評估每個任務(wù)的資源消耗,并智能排程,最大化整體吞吐能力。更重要的是,zkCUDA 支持在異構(gòu)計算平臺之間進行任務(wù)分發(fā)——包括 CPU、GPU 和 FPGA——從而實現(xiàn)硬件資源的最優(yōu)利用,顯著提升系統(tǒng)級性能。zkCuda 與 GKR 協(xié)議的天然契合盡管 zkCuda 被設(shè)計為一個兼容多種零知識證明系統(tǒng)的通用計算框架,但它與 GKR(Goldwasser-Kalai-Rothblum)協(xié)議在架構(gòu)上具有天然的高度契合性。在架構(gòu)設(shè)計上,zkCUDA 通過引入多項式承諾機制,將各個子計算內(nèi)核連接起來,確保所有子計算基于一致的共享數(shù)據(jù)運行。這一機制對于保持系統(tǒng)完備性至關(guān)重要,但也帶來了顯著的計算成本。相比之下,GKR 協(xié)議提供了一種更高效的替代路徑。與傳統(tǒng)零知識系統(tǒng)要求每個內(nèi)核完整證明其內(nèi)部約束的方式不同,GKR 允許將計算正確性的驗證從內(nèi)核輸出遞歸回溯至輸入。這一機制使得跨內(nèi)核的正確性得以傳遞,而非在每個模塊中完全展開驗證。其核心思想類似于機器學(xué)習(xí)中的梯度反向傳播,通過計算圖追蹤和傳導(dǎo)正確性主張。雖然在多路徑中合并這類「證明梯度」帶來了一定復(fù)雜性,但正是這一機制,構(gòu)成了 zkCUDA 與 GKR 之間的深度協(xié)同基礎(chǔ)。通過對齊機器學(xué)習(xí)訓(xùn)練流程中的結(jié)構(gòu)特性,zkCUDA 有望實現(xiàn)更緊密的系統(tǒng)集成和大模型場景下更高效的零知識證明生成。初步成果與未來方向我們已完成 zkCuda 框架的初始開發(fā),并在多個場景中成功進行了測試,包括 Keccak 和 SHA-256 等密碼學(xué)哈希函數(shù),以及小規(guī)模的機器學(xué)習(xí)模型。展望未來,我們希望進一步引入現(xiàn)代機器學(xué)習(xí)訓(xùn)練中的一系列成熟工程技術(shù),如內(nèi)存優(yōu)化調(diào)度(memory-efficient scheduling)與計算圖級優(yōu)化(graph-level optimization)。我們相信,將這些策略融合進零知識證明生成流程,將極大提升系統(tǒng)的性能邊界與適配靈活性。這只是一個起點,zkCuda 將持續(xù)向高效、高擴展性、高適配性的通用證明框架邁進。
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