Microsoft Research تكشف Magnetar: zkVM أسرع بـ10–39 مرة من نظائرها

قدّمت Microsoft Research نظام Magnetar، وهو zero-knowledge virtual machine تثبت تنفيذ برامج عادية مكتوبة بلغات Rust وGo وC. يعمل البرنامج كالمعتاد، ويُصدر مع النتيجة إثباتًا قصيرًا بأن هذا الكود بعينه، على هذه المدخلات بعينها، أنتج هذا المخرج بعينه. يستغرق التحقق نحو 12 مللي ثانية. وعلى حاسوب محمول، يعالج Magnetar ما بين 7,2 و8,7 مليون تعليمة معالج في الثانية، ويتفوق في المتوسط بمقدار 10–39 مرة على أسرع أنظمة zkVM المماثلة. مؤلف العمل هو Srinath Setty، كبير الباحثين الرئيسيين ورئيس مجموعة في Microsoft Research.

ثلاث مشكلات لم يكن حلّها ممكنًا في آن واحد

ابتُكرت إثباتات المعرفة الصفرية في ثمانينيات القرن الماضي، لكنها لم تتحول يومًا إلى أداة شاملة. فقد أعاقتها ثلاثة أمور، ولم يكن التغلب على أي منها ممكنًا إلا على حساب الأمرين الآخرين.

الأولى هي الكفاءة. فتوليد الإثبات كان يتطلب سابقًا حسابات تزيد بملايين المرات على تشغيل البرنامج نفسه. والثانية هي سهولة الاستخدام. فكثير من الأنظمة يُجبر المطوّر على إعادة كتابة البرنامج يدويًا في صورة دائرة تشفيرية (circuit)، وهو ما يستغرق أشهرًا، وأي تعديل في التطبيق يعني دائرة جديدة ومصادر جديدة للأخطاء. أما البديل العام فهو إثبات تنفيذ معالج عادي، لكنه ظل لفترة طويلة باهظ الكلفة من حيث السرعة أو الأمان.

والثالثة هي الأساس التشفيري. فكثير من الأنظمة مبني على منحنيات إهليلجية يمكن لحاسوب كمّي قوي بما يكفي كسرها. أما البدائل المقاومة للحوسبة الكمّية فتعتمد إما على الشبكات (lattices)، أو على دوال تجزئة جديدة صُممت لتسهيل الإثبات، أو على فرضيات غير مُثبتة حول أكواد تصحيح الأخطاء. وقد جاءت السرعة في هذه الأنظمة مقابل افتراضات قوية.

عقد من التفاصيل: مم يتكوّن Magnetar

يمثل Magnetar حصيلة أكثر من عشر سنوات من عمل Microsoft Research. وسار الباحثون على مراحل، وسدّ كل عمل جزءًا محددًا:

• Spartan (2019) — أعاد إحياء نهج sum-check وجعله صالحًا للبرامج العامة دون إعداد موثوق، ويتيح استخدام لبنات تشفيرية مختلفة.
• Phalanx (2021) — يستفيد من التكرار، مثل دورة تعليمات المعالج المتطابقة، ويُثبت الحسابات بسرعة تفوق Spartan بنحو رتبة عشرية واحدة. وعلى هذه الفكرة بُني وصف المعالج في Magnetar.
• Nova وHyperNova وNeutronNova وNeo وSuperNeo — توقف إثبات Spartan مبكرًا وتطوي النتائج الجزئية، ما يجعل إثبات حسابات من أي حجم أقل كلفة بكثير.
• Brakedown (2021) — مخطط التزام سريع قائم على دوال التجزئة؛ وقدّم مع Spartan أول صيغة يستند أمانها إلى دوال تجزئة قياسية.
• Spice وLasso وNebula وTwist and Shout — جعلت عمليات الذاكرة، التي يقوم عليها المعالج العام، منخفضة الكلفة.
• Jolt — أثبت أنه بالاقتران مع Spartan يمكن إثبات تنفيذ معالج كامل بكفاءة.
• Vega — طبّقت هذه الأفكار على الهوية الرقمية: تُثبت الوقائع الواردة في وثيقة حكومية في أقل من عُشر ثانية.
• BinarySpartan — نقل Spartan إلى الحقول الثنائية، حيث يمكن التعبير بكفاءة عن منطق المعالج ودوال التجزئة القياسية.
• Ligerito — مخطط التزام على غرار Brakedown بإثباتات أقصر بوضوح.
• Ring switching — يتيح تثبيت متجهات البتات بكفاءة.

السرعة والأمان بالأرقام

يُثبت Magnetar تنفيذ RISC-V، وهي معمارية مفتوحة تتوافر لها مترجمات ناضجة لجميع اللغات الرئيسية تقريبًا. يكتب المطوّر البرنامج بلغة Rust أو Go أو C، ثم يترجمه ويحصل على الإثبات دون إعادة كتابته في صورة دوائر. وسياسة العمل وخط معالجة البيانات ومفسّر الآلة الافتراضية لـEthereum كلها برامج عادية.

أبرز المؤشرات:

• 7,2–8,7 مليون تعليمة معالج في الثانية على حاسوب محمول؛
• 9,5–12,8 مليون دورة في الثانية في النسخة المحسّنة، ما يزيد جميع التسريعات المعلنة بنحو 1,3 مرة؛
• أسرع بـ10–39 مرة في المتوسط من أسرع أنظمة zkVM الحالية، على 15 برنامجًا اختباريًا تتراوح بين التجزئة التشفيرية وتحويلات الرموز في مفسّر EVM صغير؛
• أسرع بأكثر من 300 مرة من نظامين آخرين في اختبار تحويل الرموز؛
• التحقق من الإثبات نحو 12 مللي ثانية.

يعتمد أمان Magnetar على دالة تجزئة قياسية مثل SHA-256 أو SHA-3. فلا حاجة إلى منحنيات إهليلجية أو شبكات أو دوال تجزئة متخصصة أو إعداد موثوق أو فرضيات غير مُثبتة حول الأكواد. فدوال التجزئة هي الأكثر دراسة في علم التشفير، وعليها قامت التوقيعات المعتمدة على التجزئة التي اعتمدها NIST بوصفها خيارًا محافظًا لمقاومة الحوسبة الكمّية. وبالنسبة إلى Microsoft، هذه أيضًا مسألة اتساق مع برنامج Quantum Safe الذي يُفترض أن ينقل المنتجات إلى التشفير المقاوم للحوسبة الكمّية بحلول عام 2029.

وتمنح البنية نفسها أثرًا إضافيًا. فالتحقق من الإثبات يتألف في معظمه من دوال تجزئة وعمليات حسابية في الحقول الثنائية، أي من عمليات يُثبتها Magnetar بكفاءة. لذلك يصبح التحقق بالنسبة إليه حملًا عاديًا، وبوسع النظام إثبات حسابات من أي حجم على أجزاء ثم دمج هذه الأجزاء. وبهذا يمكن إثبات أنظمة طويلة العمر مثل السجل أو البلوكتشين.

أين يفيد ذلك عمليًا

أقرب سيناريو إلى الذكاء الاصطناعي هو الوكلاء. فالوكيل الذي يتصرف نيابة عن المستخدم يمكنه أن يرفق بكل إجراء إثباتًا بأنه وافق السياسة الممنوحة له. ولا يحتاج الطرف المتحقق إلى الوثوق بمشغّل الوكيل أو قراءة سجلاته. وستتمكن المؤسسات المالية الخاضعة للتنظيم من إثبات سلامة معالجة المعاملات دون كشف المعاملات نفسها.

أما بالنسبة إلى المهندسين فالأهم أمر آخر: انخفاض عتبة الدخول. فإذا كان الفريق يدير أصلًا كودًا بلغة Rust أو Go أو C، فلا حاجة إلى متخصص في التشفير لكتابة الدوائر. ويبقى السؤال عن النتائج التي سترغب الشركات في التحقق منها بدلًا من قبولها على الثقة. وتدعو Microsoft Research إلى مناقشة السيناريوهات، أما الورقة التقنية التي تتضمن الوصف الكامل للتصميم وتحليل الأمان والقياسات فعنوانها «Magnetar: High-speed post-quantum RV64 zkVM from standard hashes».