Microsoft Research presenta Magnetar: una zkVM entre 10 y 39 veces más rápida que sus rivales

Microsoft Research ha presentado Magnetar, una zero-knowledge virtual machine que demuestra la ejecución de programas corrientes en Rust, Go y C. El programa se ejecuta como de costumbre y, junto con el resultado, genera una prueba corta de que precisamente ese código, con esas entradas, produjo precisamente esa salida. La verificación tarda unos 12 milisegundos. En un portátil, Magnetar procesa entre 7,2 y 8,7 millones de instrucciones de procesador por segundo y, en promedio, supera entre 10 y 39 veces a las zkVM comparables más rápidas. El autor del trabajo es Srinath Setty, investigador principal sénior y responsable de grupo en Microsoft Research.

Tres problemas que no se resolvían a la vez

Las pruebas de conocimiento cero se inventaron en la década de 1980, pero nunca llegaron a ser una herramienta universal. Lo impedían tres obstáculos, y cada uno solo se había logrado superar a costa de los otros.

El primero es la eficiencia. Hasta ahora, generar una prueba exigía millones de veces más cómputo que ejecutar el propio programa. El segundo es la comodidad de uso. Muchos sistemas obligan al desarrollador a reescribir a mano el programa como un circuito criptográfico (circuit), algo que lleva meses; además, cualquier cambio en la aplicación implica un circuito nuevo y nuevas fuentes de errores. La alternativa universal es demostrar la ejecución de un procesador convencional, pero durante mucho tiempo resultó demasiado cara en velocidad o en seguridad.

El tercero es el fundamento criptográfico. Muchos sistemas se basan en curvas elípticas, que un ordenador cuántico suficientemente potente puede romper. Las variantes poscuánticas se apoyan en retículos, en nuevas funciones hash creadas para que demostrar sea barato o en hipótesis no demostradas sobre códigos correctores de errores. En ellas, la velocidad se compra con supuestos fuertes.

Diez años de piezas: de qué está hecho Magnetar

Magnetar es el resultado de más de diez años de trabajo de Microsoft Research. Los investigadores avanzaron por etapas, y cada trabajo cubrió una parte del problema:

• Spartan (2019): recuperó el enfoque sum-check y lo hizo apto para programas de propósito general sin configuración de confianza (trusted setup); admite distintos bloques criptográficos.
• Phalanx (2021): aprovecha la repetitividad, por ejemplo un mismo ciclo de instrucciones del procesador, y demuestra los cálculos aproximadamente un orden de magnitud más rápido que Spartan. En esta idea se basa la descripción del procesador en Magnetar.
• Nova, HyperNova, NeutronNova, Neo y SuperNeo: detienen antes de tiempo la prueba de Spartan y pliegan los resultados parciales, lo que abarata de forma notable la demostración de cálculos de cualquier tamaño.
• Brakedown (2021): esquema de compromiso rápido basado en funciones hash; junto con Spartan dio la primera variante cuya seguridad descansa en hashes estándar.
• Spice, Lasso, Nebula, Twist and Shout: abarataron las operaciones de memoria sobre las que se sostiene un procesador de propósito general.
• Jolt: demostró que, combinado con Spartan, se puede probar de forma eficiente la ejecución de un procesador completo.
• Vega: aplicó estas ideas a la identidad digital; los datos de un documento oficial se demuestran en menos de una décima de segundo.
• BinarySpartan: trasladó Spartan a cuerpos binarios, donde la lógica del procesador y las funciones hash estándar se expresan con eficiencia.
• Ligerito: esquema de compromiso al estilo de Brakedown con pruebas notablemente más cortas.
• Ring switching: permite comprometer de forma eficiente vectores de bits.

Velocidad y seguridad en cifras

Magnetar demuestra la ejecución de RISC-V, una arquitectura abierta para la que existen compiladores maduros para prácticamente todos los lenguajes principales. El desarrollador escribe el programa en Rust, Go o C, lo compila y obtiene la prueba sin tener que reescribirlo como circuito. Una política de negocio, un pipeline de datos o el intérprete de la máquina virtual de Ethereum son, todos ellos, programas corrientes.

Principales indicadores:

• entre 7,2 y 8,7 millones de instrucciones de procesador por segundo en un portátil;
• entre 9,5 y 12,8 millones de ciclos por segundo en la versión optimizada, lo que multiplica por 1,3 aproximadamente todas las mejoras de velocidad declaradas;
• entre 10 y 39 veces más rápido, en promedio, que las zkVM existentes más rápidas, en 15 programas de prueba: desde el hashing criptográfico hasta transferencias de tokens en un pequeño intérprete de EVM;
• más de 300 veces más rápido que otros dos sistemas en la prueba de transferencia de tokens;
• verificación de la prueba en unos 12 ms.

La seguridad de Magnetar se apoya en una función hash estándar como SHA-256 o SHA-3. No requiere curvas elípticas, retículos, hashes especializados, configuración de confianza (trusted setup) ni hipótesis no demostradas sobre códigos. Las funciones hash son lo mejor estudiado de la criptografía y sobre ellas se construyen las firmas basadas en hash, que el NIST estandarizó como una opción poscuántica conservadora. Para Microsoft, esto también es una cuestión de coherencia con el programa Quantum Safe, que debe migrar sus productos a criptografía poscuántica para 2029.

La propia arquitectura aporta un efecto adicional. La verificación de la prueba consiste sobre todo en hashes y aritmética en cuerpos binarios, es decir, operaciones que Magnetar demuestra con eficiencia. Por eso, para el sistema, verificar se convierte en una carga de trabajo corriente, y puede demostrar cálculos de cualquier tamaño por partes y combinar después los fragmentos. Así se pueden demostrar también sistemas de larga vida, como un registro o una blockchain.

Dónde será útil en la práctica

El escenario más cercano para la IA son los agentes. Un agente que actúa en nombre de un usuario puede adjuntar a cada acción una prueba de que se ajustó a la política concedida. El verificador no necesita confiar en el operador del agente ni leer sus logs. Las entidades financieras reguladas podrán demostrar que procesaron correctamente las transacciones sin revelarlas.

Para los ingenieros hay algo más importante: baja la barrera de entrada. Si un equipo ya mantiene código en Rust, Go o C, no necesita un especialista en criptografía para escribir circuitos. Queda por ver qué resultados querrán verificar las empresas en lugar de aceptarlos por fe. Microsoft Research invita a debatir escenarios de uso, y el artículo técnico con la descripción completa del diseño, el análisis de seguridad y las mediciones se titula «Magnetar: High-speed post-quantum RV64 zkVM from standard hashes».