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ZKsync Airbender zkVM

· 약 9 분
Dora Noda
Dora Noda
Software Engineer

이더리움 블록을 증명하는 데 GPU로 가득 찬 창고 대신 단 35초가 걸린다면 어떨까요? 이것은 가설이 아닙니다. 오늘날 ZKsync의 Airbender가 실제로 구현하고 있는 현실입니다.

메인스트림 블록체인 인프라에서 영지식 증명(Zero-knowledge proofs)을 실용화하기 위한 경쟁 속에서 새로운 벤치마크가 등장했습니다. ZKsync의 오픈 소스 RISC-V zkVM인 Airbender는 단일 H100 GPU에서 초당 2,180만 사이클을 달성하며 경쟁 시스템보다 6배 이상 빠른 성능을 보여주었습니다. 이는 경쟁사가 요구하는 하드웨어 비용의 극히 일부만을 사용하여 35초 이내에 이더리움 블록을 증명할 수 있음을 의미합니다.

증명 문제 (The Proving Problem)​

영지식 증명은 오랫동안 암호학적 혁신을 약속해 왔습니다. 즉, 기초 데이터를 공개하지 않고도 계산을 검증할 수 있는 능력입니다. 블록체인에서 이는 수천 개의 트랜잭션을 모든 노드가 저렴하게 검증할 수 있는 단일 증명으로 압축하는 것을 의미합니다. 이 기술은 보안을 희생하지 않으면서도 확장성을 가능하게 합니다.

문제는 항상 계산 오버헤드였습니다. ZK 증명을 생성하는 것은 시간과 하드웨어 측면에서 모두 비용이 많이 듭니다. 최근까지 단일 이더리움 블록을 증명하려면 50개에서 160개의 GPU를 병렬로 가동해야 했으며, 증명 생성 시간은 초 단위가 아닌 분 단위로 측정되었습니다. 이러한 비용 문제로 인해 ZK 기술은 보편적인 인프라가 되기보다는 특화된 레이어 2 롤업에 국한되어 왔습니다.

zkVM 경쟁 구도는 빠르게 격화되었습니다. Succinct의 SP1, RISC Zero, a16z의 Jolt, 그리고 이제 Airbender는 이더리움 재단이 "실시간 증명(real-time proving)"이라고 부르는 단계, 즉 블록 생성 속도에 맞춰 증명을 생성하는 단계를 달성하기 위해 경쟁하고 있습니다. 이더리움 재단의 연구원 저스틴 드레이크(Justin Drake)에 따르면, "실시간 증명은 이더리움의 거대한 돌파구"이며, "ZK 검증인과 ZK 실행 클라이언트를 사용하여 레이어 1을 확장할 수 있게 해준다"고 합니다.

Airbender의 기술적 아키텍처​

Airbender는 zkVM 설계에서 지배적인 표준이 되고 있는 RISC-V 32I+M 명령어 세트를 구현합니다. 이 아키텍처는 표준적인 인출-해독-실행(fetch-decode-execute) 루프에서 작동하며, ROM을 통해 로드된 바이트코드를 약 400만 사이클 단위의 청크로 처리합니다. 증명자 성능은 메모리 인자(memory arguments)를 통해 이러한 청크들을 함께 "연결(stitching)"함으로써 수평적으로 확장됩니다.

시스템은 세 가지 증명 구성을 지원합니다:

  • CPU 전용: 개발 및 테스트에 적합
  • 단일 GPU: 대부분의 사용 사례에 적합한 프로덕션 준비 완료
  • 멀티 GPU: 대용량 애플리케이션을 위한 최대 처리량

GPU 구성의 경우, CPU는 RISC-V 시뮬레이션 및 트레이싱을 처리하고 GPU는 위트니스(witness) 생성 및 후속 증명 단계를 계산합니다. 이러한 분업은 각 프로세서 유형의 계산 특성에 최적화되어 있습니다.

주요 기술적 차별점은 다음과 같습니다:

Mersenne31 필드 산술: Airbender는 STARK 성능에 특별히 최적화된 빠른 산술 연산을 사용하여 속도 우위에 기여합니다.

STARK 기반 증명: SNARK 기반 시스템과 달리 Airbender의 STARK 기반은 추가적인 암호학적 오버헤드 없이 양자 내성을 제공합니다. 모듈식 설계 덕분에 새로운 암호학 표준이 등장함에 따라 업그레이드가 가능합니다.

선형 GPU 확장성: 단일 RTX 4090에서 Airbender는 초당 970만 사이클을 증명합니다. 성능은 여러 GPU에 걸쳐 선형적으로 확장되므로 운영자는 필요에 따라 하드웨어를 속도와 교환할 수 있습니다.

벤치마크 대결: Airbender vs. 경쟁사​

zkVM 분야에는 Succinct의 SP1, RISC Zero, a16z의 Jolt라는 세 가지 주요 경쟁자가 있습니다. 각 시스템은 증명 문제에 대해 서로 다른 접근 방식을 취하며, 실제 벤치마크는 극명한 차이를 보여줍니다.

단일 GPU 성능 (H100)​

시스템사이클/초상대 속도
Airbender21.8 MHz1x (기준)
SP1 Turbo3.45 MHz6.3배 느림
RISC Zero1.1 MHz19.8배 느림

이더리움 블록 증명​

이더리움 블록 검증이라는 핵심 사용 사례의 경우:

  • Airbender: 단일 H100 GPU에서 약 35초, 재귀 제외 시 17초
  • SP1 Hypercube: 약 12초, 하지만 50~160개의 GPU(H100급) 필요
  • Brevis Pico: 64개의 RTX 5090 GPU를 사용하여 평균 6.9초

하드웨어 요구 사항이 실질적인 차이를 만듭니다. Airbender는 단일 상용 GPU를 사용하여 멀티 GPU 설정과 대등한 성능을 달성합니다. 현재 클라우드 가격 기준으로 이는 전송당 약 $0.0001의 증명 비용으로 환산되며, 이는 ZKsync의 이전 Boojum 증명자보다 10배 이상 저렴합니다.

엔드 투 엔드(End-to-End) 성능​

재귀를 포함한 전체 증명 생성을 측정할 때:

  • Airbender는 SP1 Turbo보다 2.5~4배 빠릅니다.
  • Airbender는 RISC Zero보다 8.5~11배 빠릅니다.

Ethproofs 데이터에 따르면, 단일 RTX 4090을 사용할 때 Airbender는 1센트 미만의 비용으로 평균 51초의 검증 시간을 달성하며, 두 지표 모두 zkVM 중 최고 수준을 기록했습니다.

zkVM 경쟁 구도​

가장 빠른 zkVM을 만들기 위한 경쟁은 단순한 학술적 유희가 아닙니다. 이러한 시스템은 크로스 체인 브릿지, 롤업, 그리고 궁극적으로 이더리움 베이스 레이어 자체와 같은 차세대 블록체인 인프라의 기반이 됩니다.

SP1 (Succinct)​

SP1의 강점은 블록체인 워크로드에 최적화된 GPU 가속 및 암호화 프리컴파일에 있습니다. 2025년 말 발표된 SP1 Hypercube는 12초 미만의 실시간 이더리움 증명을 시연했지만, 대규모 병렬화가 필요했습니다. SP1은 특정 암호화 작업에 탁월하며 강력한 개발자 도구를 갖추고 있지만, 프로덕션 워크로드를 위해서는 24GB 이상의 VRAM을 갖춘 GPU가 필요합니다.

RISC Zero​

RISC Zero는 프로덕션 단계의 zkVM 카테고리를 개척했으며 여전히 높은 경쟁력을 유지하고 있습니다. 이 시스템은 클라우드 배포 시 SP1보다 최소 7배 저렴하며, 소규모 워크로드의 경우 최대 60배까지 저렴하다고 주장합니다. RISC Zero의 zkVM 1.0은 이더리움(Ethereum), 베이스(Base), 옵티미즘(Optimism), 아비트럼(Arbitrum), 월드 체인(World Chain), 스타크넷(Starknet) 간의 dApp 상호 운용성을 지원합니다.

Jolt (a16z)​

Jolt는 zkVM 설계에 대한 새로운 접근 방식을 제시하며, 초기 벤치마크에서 RISC Zero보다 6배, SP1보다 2배 향상된 성능을 보여주었습니다. 하지만 Jolt는 아직 베타 버전(v0.1) 단계에 머물러 있으며 프로덕션 배포 측면에서 과제에 직면해 있습니다.

Airbender가 위치한 곳​

Airbender의 오픈 소스 및 MIT 라이선스 방식은 경쟁사와 차별화됩니다. 기업은 벤더 종속(vendor lock-in) 없이 자체적으로 또는 원하는 호스팅 업체를 통해 증명자(prover)를 실행할 수 있습니다. STARK 기반 아키텍처는 SNARK 시스템의 신뢰할 수 있는 설정(trusted setup) 요구 사항 없이 양자 저항성을 제공합니다.

Fenbushi Capital의 독립적인 분석에 따르면 zkVM 시장은 세 가지 전략적 방향으로 분류됩니다:

  • 성능 중심: Brevis Pico, SP1, Jolt, Zisk는 낮은 지연 시간과 실시간 증명에 집중합니다.
  • 모듈성 및 확장성: OpenVM, Pico, SP1은 플러그 가능성(pluggability)을 강조합니다.
  • 생태계 및 범용 개발: RISC Zero, SP1, ZiSK는 SDK 및 언어 호환성에 중점을 둡니다.

Airbender는 오픈 소스 접근성을 유지하면서 주로 원시 성능 면에서 경쟁합니다.

프로덕션 배포: 이미 라이브 상태​

많은 zkVM 발표와 달리, Airbender는 실체가 없는 베이퍼웨어가 아닙니다. 이 시스템은 현재 메인넷에서 가동 중이며, ZKsync Atlas 업그레이드를 활용하는 체인들을 지원하고 있습니다. 모든 새로운 ZKsync 체인은 기존의 Boojum 증명자를 대신하여 Airbender를 증명 시스템으로 사용하게 됩니다.

현재 및 향후 배포 사례는 다음과 같습니다:

  • Abstract: ZK Stack 기반의 소비자 중심 체인
  • Sophon: 게임 및 엔터테인먼트 체인
  • GRVT: 하이브리드 파생상품 거래소
  • Lens: 탈중앙화 소셜 프로토콜
  • Memento: NFT 및 미디어 체인

개발자를 위한 하드웨어 요구 사항은 접근 가능한 수준입니다:

  • 개발용: 노트북 CPU로 충분함
  • 프로덕션용: 22GB 이상의 RAM을 갖춘 모든 GPU (RTX 4090, RTX 5090, L4 또는 H100)

코드는 GitHub의 matter-labs/zksync-airbender에서 확인할 수 있으며, 여기에는 RISC-V 회로, 시뮬레이터, 위트니스(witness) 생성, 증명 생성 및 검증을 위한 유틸리티가 포함되어 있습니다.

2026 로드맵: 가장 빠른 성능에서 범용 표준으로​

ZKsync의 2026년 로드맵은 Airbender를 단순한 성능 리더 그 이상으로 설정하여, 영지식 증명을 위한 "범용 표준(universal standard)"으로 만드는 것을 목표로 합니다. 주요 이니셔티브는 다음과 같습니다:

심층 감사 및 형식 검증(Formal Verification): 기관급 배포를 위한 프로덕션 수준의 보안을 위해서는 성능 벤치마크를 넘어 엄격한 검증이 필요합니다.

개발자 경험 개선: 암호학 전문가가 아닌 개발자도 Airbender에 쉽게 접근할 수 있도록 하여 잠재적인 사용자 층을 크게 확대합니다.

교차 생태계 확장: Airbender의 목표는 ZKsync와 이더리움을 넘어 ZK 검증이 필요한 모든 블록체인을 위한 인프라가 되는 것입니다.

광범위한 시장 상황도 이러한 야망을 뒷받침합니다. 글로벌 영지식 증명 시장은 2033년까지 연평균 성장률(CAGR) 22.1%를 기록하며 75억 9천만 달러에 달할 것으로 예상됩니다. 현재 ZK 기반 롤업에는 280억 달러 이상의 총 예치 자산(TVL)이 예치되어 있습니다.

왜 벤치마크 이상의 의미를 갖는가​

Airbender의 진정한 중요성은 빠르고 저렴한 증명이 가능하게 하는 것들에 있습니다:

네이티브 롤업(Native Rollups): 보안을 위해 멀티시그나 거버넌스에 의존하는 대신, ZK 롤업은 암호화 검증을 통해 "네이티브" 보안을 달성할 수 있습니다. 이는 현재 많은 롤업을 사실상 중앙 집중화하고 있는 신뢰 가정을 제거합니다.

ZK 검증자 및 실행 클라이언트: 실시간 증명을 통해 이더리움 베이스 레이어 자체가 ZK 검증을 활용할 수 있게 되어, 탈중앙화를 저해하지 않으면서 처리량을 잠재적으로 증가시킬 수 있습니다.

교차 체인 보안: zkVM은 체인 간에 검증 가능한 연산을 가능하게 합니다. 한 네트워크에서 생성된 증명을 다른 네트워크에서 검증할 수 있어, 교차 체인 프로토콜을 괴롭혔던 오라클 취약점 없이 트러스트리스 브리징(trustless bridging)을 위한 기반을 마련합니다.

AI 검증: AI 시스템이 점차 중대한 결정을 내림에 따라, ZK 증명은 독점적인 모델 가중치를 공개하지 않고도 AI 연산을 검증할 수 있습니다. Airbender의 성능은 이러한 검증을 실제 애플리케이션에서 실용적으로 만듭니다.

"연구 호기심으로서의 ZK"에서 "프로덕션 인프라로서의 ZK"로의 전환이 지금 일어나고 있습니다. 최근 Brevis는 자사의 Pico zkVM이 이더리움 재단의 실시간 증명 지표(96% 이상의 증명이 10초 이내 완료, 비용 10만 달러 미만)를 충족했다고 발표했습니다. Succinct의 SP1 Hypercube도 유사한 역량을 입증했습니다. Airbender는 하드웨어 효율성과 오픈 소스 접근성에 초점을 맞추어 이러한 선봉에 합류하고 있습니다.

핵심 결론​

Airbender의 이전 시스템 대비 6배 빠른 속도 이점과 10배의 비용 절감은 단순한 점진적 개선이 아닙니다. 이는 경제적 실행 가능성 측면에서 획기적인 변화를 나타냅니다. 전송당 증명 비용이 $ 0.0001 미만으로 떨어지면, 이전에는 너무 비싸다고 여겨져 배제되었던 사용 사례들에 대해서도 ZK 검증이 실용화됩니다.

ZKsync는 2018년부터 ZK 기술의 최전선에서 활동해 왔습니다. Airbender를 통해 팀은 영지식 증명을 주류 배포 단계에서 실용적으로 사용할 수 있게 만드는 인프라를 제공했습니다. 빠르게 성능을 갱신하는 경쟁사들에 맞서 우위를 계속 유지할 수 있을지는 지켜봐야 하겠지만, 새로운 기준점(benchmark)은 이미 세워졌습니다.

실용적이고 저렴하며 빠른 ZK 증명의 시대가 도래했습니다.

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출처​

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