Polygon Zeroを支える Plonky2の概要
はじめに
今回はzkEVMの開発を目指しているPolygon Zeroを支えるスケーリング技術「Plonky2」について概要を整理していきたいと思います。
先日、Polygonの共同創業者であるMihailo Bjelicが2022年12月8日のツイートで「Polygonはzkの分野で多様なソリューションを開発しているが、その多角的アプローチが相互に作用し合い、目的を最短で達成できそうだ」と述べていましたが、Plonky2も様々はソリューションのいいとこ取りになっており、Polygonの戦略構築の上手さが反映されていると感じます。
Plonky2はゼロ知識証明書（ZKP）の生成に再帰的証明を活用した技術で、証明書の生成スピード向上と検証コストの削減を同時に達成するものです。zk-STARKの高速な証明と事前の証明ルール設定が不要（SNARKは証明者と検証者の間で証明ルールの事前設定が必要）であるという長所と、zk-SNARKの再帰的証明をサポートしEthereum上での検証コストが低いという長所を併せ持っています。
Plonky2の根幹となる再帰的証明
再帰的証明とは複数の証明をまとめて、そこから更に証明を生成するという証明圧縮の技術です。例えば1,000件のトランザクションの有効性を証明したい場合、1,000件の取引を一度に検証するための1つの証明を生成することは、かなりのコストと時間を有します。
その代わりに、
・1,000台のマシンを使って、各取引について1,000個の証明を並列に生成
・そこから2つずつの証明をひとまとまりとして1つの再帰的証明を生成
というプロセスを1,000件のトランザクションを全て検証する1つの証明書が生成されるまで繰り返すことで証明生成スピードの向上を図っています。このようなプロセスを再帰（Recursion）と表現しています。（トーナメント表のような構造が1,000個の証明が1つの証明に帰結するまで繋がっているイメージ）
L1にコミットする際には1つの証明書を検証するだけで良いので、検証コストも大幅に削減することが可能です。
※Polygon Zero（Plonky2）のプロセスイメージ
証明の生成スピード
2019年にMir（現Polygon Zero）をスタートした時、1つの再帰的証明の生成に高スペックのPCを利用しても120秒がかかっていたようです。2020年には60秒まで短縮することができ、その後もスピードは向上していきましたが、Ethreum互換性はまだありませんでした。
2021年、開発チームはEthereum上で1秒以下の再帰的証明を実現するという目標を掲げ、zk-STARKとzk-SNARKの機能を上手く融合させた結果、Plonky2の再帰的証明はMacbookProで170ミリ秒という従来の約100倍の驚異的なスピードを達成しています。
証明書サイズ
Plonky2の証明プロセスの高速化にはzk-STARKが大きく寄与していますが、zk-STARK
のアプローチには以下のようなトレードオフが存在しています。
・高速な証明が可能だが、データサイズが大きい（イーサリアムでの検証コストが高くなる）
・データサイズを小さく出来るが、証明が低速
これに対してPlonky2は証明の速さが重要なのか、データサイズが重要なのかに応じて柔軟に証明プロセスのパラメータを最適化することでトレードオフの解消を図っています。これによってzk-STARKを利用している他のソリューション（StarkWare社のStarkNet等）と比較をして、大きなコスト削減を達成しています。
おわりに
今回はPolygon Zeroが活用しているPlonky2について、概要をまとめました。Plonky2はまだテストネットでの利用のみに留まっていますが、ブロックチェーンの世界を更に前進させるゼロ知識証明技術の一つとして、動向をウォッチしていきたいと思います。
