Boojum：zkSync的高性能去中心化STARK证明系统

1. 引言

2023年7月17日zkSync官方twitter Say hello to Boojum宣称在不regenesis的情况下，将zkSync Era迁移至Boojum证明系统。

Boojum为STARK证明系统（Plonk+FRI），开源代码见：

https://github.com/matter-labs/era-boojum/tree/main（Rust）

其特点为：

采用PLONK形式的算术表示：使得ZK电路相对易于开发、审计、维护和升级。
采用FRI多项式承诺方案：基于Goldilocks域 $p=2^{64}-2^{32}+1$ 。
提供了自动并行化witness generation，且witness generation函数定义简洁，如|(a, b)| a + b。witness generation用时在考虑Prover性能时不可忽略。
易于扩展：用户可以多种方式添加自定义门类型，如如增加一些特别的多项式，或复用某些“通用列”。根据自定义电路的扩展接口，可自动化生成prover、verifier、recursive verifier。从而提供高效的开发流程。
单一技术栈：以Rust语言来表示。对于GPU prover的重计算部分，采用CUDA C++编写，但提供了Rust bindings。
性能卓越，Prover仅要求16GB RAM，从而促进未来Prover的去中心化。

Celer Network的https://github.com/celer-network/zk-benchmark中，专门对SHA256做了benchmark，具体场景为：

定义一个电路，用于计算 $N=2^k$ 个字节数据的sha256，其中：
- 一个隐私输入 $x$ ：其中 $\text{len}(x)=N=2^k$
- 一个公开输入： $h=\text{sha256}(x)$

func benchmark(x, h):assert(sha256(x) == h)

在测试报告中，对如下方案进行了对比：【本轮测试未启用GPU加速】

1）Circom + snarkjs/rapicsnark：
2）gnark：
3）arkwroks：
4）Halo2(KZG)：
5）Plonky2
6）Starky
7）Boojum

其中不同方案的参数为：

框架	算术表示	承诺方案	域	其它配置
Circom + snarkjs/rapicsnark	R1CS	Groth16	BN254 Scalar域
gnark	R1CS	Groth16	BN254 Scalar域
arkworks	R1CS	Groth16	BN254 Scalar域
Halo2(KZG)	Plonkish	KZG	BN254 Scalar域
Plonky2	Plonk	FRI	Goldilocks域	blowup factor = 8proof of work bits = 16query rounds = 28num_of_wires = 60 num_routed_wires = 60
Starky	AIR	FRI	Goldilocks域	blowup factor = 2proof of work bits = 10query rounds = 90
Boojum	Plonk	FRI	Goldilocks域

当取N=64KB时，各方案的约束数为：

证明系统	约束数（64KB输入的SHA256）
Circom	3200万
gnark	4500万
arkworks	4300万
Halo2	400万行（K=22）
Plonky2	800万行（K=23）
Starky	$2^{16}$ 个transition steps
Boojum	50万行（K=19）

测试机器有2种：

Linux Server: 20 Cores @2.3 GHz, 384GB memory：模拟具有多CPU核和富裕内存的服务器。
Macbook M1 Pro: 10 Cores @3.2Ghz, 16GB memory：模拟开发机

对比结果为：

1）证明时长对比情况为：
2）内存高峰情况对比为：
3）CPU使用率对比为：

证明系统	CPU使用率（平均每核使用率）（Linux服务器）	CPU使用率（平均每核使用率）（Mac开发机）
snarkjs	557% (27.85%)	486% (48.6%)
rapidsnark	1542% (77.1%)	N/A
gnark	1624% (81.2%)	720% (72%)
arkworks	935% (46.75%)	504% (50.4%)
Halo2(KZG)	1227% (61.35%)	588% (58.8%)
Plonky2	892% (44.6%)	429% (42.9%)
Starky	849% (42.45%)	335% (33.5%)

参考资料

[1] 2023年7月17日zkSync官方twitter Say hello to Boojum
[2] Boojum Upgrade: zkSync Era’s New High-performance Proof System for Radical Decentralization
[3] Celer Network 2023年7月14日博客The Pantheon of Zero Knowledge Proof Development Frameworks (Updated!)