ZK-Tracer: 영지식 VM 트레이스 생성을 위한 고성능 이기종 가속기

영지식 가상 머신 (zkVMs)은 영지식 증명 (ZKP)의 대규모 도입을 추진하기 위한 핵심 기술이지만, 성능 병목 현상으로 인해 실용성이 심각하게 제한되고 있습니다. 현재의 하드웨어 가속 연구는 백엔드 증명 (backend proving)에만 독점적으로 집중되어 있는 반면, 우리는 프론트엔드 실행 및 트레이스 생성 (trace generation) 단계가 새로운 시스템 병목 지점으로 빠르게 부상하고 있음을 확인했습니다. 이러한 과제를 해결하기 위해, 우리는 zkVM 프론트엔드를 위해 특별히 설계된 최초의 하드웨어 가속기 아키텍처인 ZK-Tracer를 제안합니다. ZK-Tracer는 메인 트레이스 유닛 (Main Trace Unit)과 병렬 치환 트레이스 유닛 (parallel Permutation Trace Units)으로 구성된 새로운 이기종 설계를 특징으로 합니다. 이는 경량화된 명령어 집합 확장 (instruction set extension)을 통해 호스트 소프트웨어에 세밀한 인터페이스를 노출하여 효율적인 작업 오프로딩 (task offloading)을 가능하게 합니다. 우리의 ASIC 구현 결과에 따르면, ZK-Tracer는 고성능 멀티코어 CPU 대비 트레이스 생성에서 최대 1829배의 속도 향상을 달성했습니다. 기존 백엔드 증명 가속기와 통합되었을 때, 전체 ZKP 시스템에 대해 963배라는 놀라운 엔드 투 엔드 (end-to-end) 성능 향상을 제공합니다.