为什么说以太坊可能会重回 PoW 时代？聊聊 ZK 硬件加速挖矿的新型 PoW 模式

以太坊的经济模型最终可能会变成 PoS 和 PoW 并存，形成一种新的「混合共识」模式。

撰文：岳小鱼

Web3Caff 创始人 Gootor 提出了一个非常重要的观点，这里分享一些进一步的思考：

以太坊正在 ZK 化，而 ZK 证明器需要硬件加速，像比特币挖矿一样有硬件依赖，那么 ZK 挖矿就可能变成新型的 PoW。

以太坊的经济模型最终可能会变成 PoS 和 PoW 并存，形成一种新的「混合共识」模式。

接下来，我们就具体看下上述设想的底层逻辑。

1、以太坊正在 ZK 化

ZK（零知识证明）的基本原理是：一方可以向另一方证明一个声明是真实的，而不需要提供任何其他信息。

这是一项非常有前景的技术。

ZK 技术在区块链领域中目前主要应用于扩容。

V 神一直在力推 ZK 技术，由于 V 神的意愿和倾向，以太坊基金会也投资了各类 ZK 项目。

但是 ZK 项目这种基建层的周期比较长，所以我们普通用户目前所能直接感知到的就是各种 ZK Rollup，即 ZK 系的以太坊 Layer2 解决方案。

典型代表就是 zkSync、Starknet、Polygon zkEVM、Scroll、Linea 等。

这些都是在以太坊的执行层融合 ZK 技术。

而以太坊自身也在逐渐 ZK 化。

（1）共识层 ZK 化（如 Beam Chain 提案）：通过将共识操作的验证过程 ZK 化，可以简化和加速共识过程。

（2）数据层 ZK 化：只存储证明而不存储所有交易数据，可以显著减少链上存储需求。

通过这些方式，以太坊能够在保持其去中心化和安全性的同时，显著提升其网络的性能，包括交易处理速度、成本、以及隐私保护。

ZK 技术的引入被视为以太坊生态系统长期扩展策略的一部分，可以应对更高的用户需求和应用复杂性。

2、ZK 为什么需要结合硬件？

上述提到了 ZK 诸多优势，但是 ZK 目前面临的最大阻碍是生成 ZKP（Zero-Knowledge Proofs）的性能问题。

ZK 的运作机制是通过使验证者将多个交易合并到一个单一的、简洁的证明中，然后再将交易提交到主网，最终实现了主网的扩容。

但 ZK 也有局限性，因为生成证明的过程在时间和精力方面都是非常耗费资源的。

由于需要许多复杂的数学运算，例如幂运算、倒数运算和双线性配对计算，证明的创建通常会减慢速度。

单纯靠软件优化无法进一步提升性能，因此需要结合硬件，通过使用专用硬件进行加速，可以使得证明生成速度从原来小时级别提升到秒级别，这将是一个巨大的提升。

因此，ZK 有硬件依赖，需要专用芯片。

随着 ZKP 技术在隐私计算、区块链扩展等领域的应用逐渐增多，ZKP 的生成速度和效率成为瓶颈，市场对硬件的需求也日益强烈。

3、PoS 和 ZK 挖矿怎么结合呢？

如果采用 ZK 硬件加速，进而可以实现硬件挖矿，这就出现了一种新的经济模型。

什么是 ZK 挖矿呢？

传统的 PoW（工作量证明）挖矿依赖于解决复杂的数学问题，而 ZK 硬件挖矿则是快速生成 ZKP 的能力。

类似于 PoW 挖矿，参与者可以竞争生成 ZKP 的速度和效率，首先生成有效证明的参与者获得奖励。

PoS 和 ZK 具体怎么结合呢？

在 PoS 系统中，验证者（即质押者）负责验证交易和提出新区块。ZK 证明可以用来证明某个区块或一系列交易的正确性，增强安全性和降低验证成本。

验证者在执行其 PoS 职责的同时，生成 ZKP 作为对其工作的额外证明。成功生成并提交有效 ZKP 的验证者可以在现有的区块奖励之外获得额外的奖励。

这可以是 ETH 或网络内部的某种形式的奖励（如特定代币或 Gas 费用的一部分）。

主网区块奖励可以分为两部分，形成一种分层奖励系统：其中一部分奖励用于传统的 PoS 验证，另一部分根据节点在 ZK 证明生成中的贡献分配。

由此可以看到，ZK 可以作为 PoS 验证的增强，ZK 挖矿则可以作为 PoS 质押的扩展。

质押者除了质押 ETH 以获得 PoS 奖励外，还可以通过参与 ZK 相关的工作来获得额外的奖励。比如，质押者可以运行 ZK 证明生成节点，提供计算资源以支持 ZK 技术的应用。

但是这里只是提出了一种可能性，如果要将以太坊现有的 PoS 机制整合 ZK 技术，需要对当前 PoS 协议进行修改或扩展，以容纳 ZK 证明的角色。

而且必须要设计一个公平的激励模型，确保既不削弱 PoS 的激励效果，又能促进 ZK 技术的应用。

4、ZK 挖矿会引入新的正外部性吗？

以太坊从 PoW 转 PoS 后，最被诟病的一点就是没有外部性引入到这个「封闭」的经济系统了。

PoW 是具有外部性的，需要能源、硬件，从而将区块链的经济活动扩展到了区块链外部，影响了现实世界。

PoS 系统中，验证区块的资格主要基于持有的代币数量（即质押），经济活动更多地集中在质押和网络内交易，而不是像 PoW 那样涉及到广泛的矿机生产、电力市场等外部产业。

ZK 加速硬件和 PoW 矿机一样，需要专用硬件，但是「无效耗电」问题会被降低，因为 PoW 是解决数学题来竞争出块权，而 ZK 挖矿则是生成有效的证明来验证交易，无需不同的节点做重复性的无效劳动。

5、AI 与 ZK 共享算力

更进一步，会出现 ZK 算力市场，甚至可以实现 AI 算力和 ZK 算力共享。

市面上可能会出现提供综合性计算服务一体化平台，支持 AI 和 ZK 任务的计算需求。

用户可以在同一平台上处理需要高性能计算的 AI 任务和需要 ZK 证明生成的任务。

协议层面也可以进行整合：创建智能合约或协议，使得 AI 算力提供者也可以参与到 ZK 证明的生成中，或者利用 ZK 技术来验证 AI 计算的结果。

算力也可以进行动态分配：根据任务需求动态分配算力资源。例如，当 AI 任务需求较低时，这些资源可以用于生成 ZK 证明，反之亦然。

6、ZK 硬件加速的头部玩家

目前 ZK 硬件加速赛道的头部项目是 Cysic。 

Cysic 专注于设计和生产专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）以及 GPU 加速解决方案，以加速 ZKP 的生成过程。

Cysic 设计了两款硬件产品：

（1） ZK Air: 轻便的 ZK 设备，尺寸接近笔记本电源适配器，计算能力相当于 10 张 RTX 4090 GPU，适合个人用户。

（2）ZK Pro: 更强大的设备，性能相当于 50 张 RTX 4090 GPU，设计用于大型 ZK 项目如 zkRollup 和 zkML。

除了硬件之外，Cysic 还提供了一套 CUDA 库，支持多种 ZKP 系统如 Plonky2, Gnark, Halo2, RapidSnark 等。这些库能够大幅提升性能，相比开源框架至少提高 50%。

同时，Cysic 有一个生态系统，Cysic Network，主要是为了整合和管理社区计算资源，连接 ZK 项目方、计算力提供者和社区验证者，形成一个可靠的计算力网络。

简单说，Cysic Network 就是一个 ZK 矿池与 SaaS 平台。

目前，Cysic 已经与多个 zkRollup 项目合作，展示了其产品的实用性和市场需求。

除了 Cysic，还有一个非常有特点的项目要提一下：Scroll

没有想到，「众叛亲离」、「臭名昭著」的 Scroll 在 ZK 硬件加速方面是做得非常靠前。

和其他 ZK Rollup 项目对比，Scroll 可以说是另辟蹊径，从硬件入手，通过开发专用的 ZK 加速硬件 GUP，形成了自己的竞争壁垒，这也是 Scroll 最大的差异化竞争优势。

单看这一点，Scroll 确实是挺硬核的一个项目。

但是 Scroll 和 Cysic 定位不一样：对于 Scroll，硬件加速是其 Layer2 整体解决方案的一部分；而 Cysic 则致力于为整个 ZKP 生态系统提供硬件加速服务。

7、总结

最后，总结一下本文的内容：

（1）以太坊正在 ZK 化：以太坊通过引入零知识证明（ZK）技术来实现扩容和提高隐私性，已经在共识层和数据层应用了 ZK 技术，以提升网络性能。

（2）ZK 需要硬件加速：由于生成零知识证明耗费大量计算资源，硬件加速（如 ASIC、FPGA）被视为提高效率的必要手段。

（3）PoS 与 ZK 挖矿的结合：提出了一个新的经济模型，即将 ZK 挖矿作为 PoS 的扩展，质押者通过提供 ZK 计算能力获得额外奖励，形成 PoS 和 PoW 并存的模式。

（4）ZK 挖矿引入新的正外部性：与 PoW 相比，ZK 挖矿可能减少无效能耗，但仍然需要专用硬件，带来对硬件生产和技术创新的激励。

（5）AI 与 ZK 算力共享：AI 和 ZK 计算任务可能共享硬件资源，形成一个综合性计算服务市场。

（6）市场领先项目：Cysic 和 Scroll 是 ZK 硬件加速领域的领先者，前者专注于为 ZK 生态提供硬件，后者将其作为 Layer2 解决方案的一部分。

最后，ZK 硬件加速赛道已经初现端倪，随着以太坊的进一步 ZK 化，ZK 硬件加速将变得更加重要，甚至会反向改变以太坊的经济模型，值得我们对这个赛道持续关注。