Microsoft Research apresenta o Magnetar: zkVM de 10–39 vezes mais rápida que as concorrentes

A Microsoft Research apresentou o Magnetar, uma zero-knowledge virtual machine que prova a execução de programas comuns em Rust, Go e C. O programa roda normalmente e, junto com o resultado, entrega uma prova curta de que exatamente aquele código, com aquelas entradas, produziu exatamente aquela saída. A verificação leva cerca de 12 milissegundos. Em um notebook, o Magnetar processa de 7,2 a 8,7 milhões de instruções de processador por segundo e, em média, é de 10 a 39 vezes mais rápido que as zkVMs comparáveis mais velozes. O trabalho é de Srinath Setty, pesquisador principal sênior e líder de grupo na Microsoft Research.

Três problemas que não eram resolvidos ao mesmo tempo

As provas de conhecimento zero foram criadas na década de 1980, mas nunca viraram uma ferramenta universal. Três obstáculos atrapalharam, e cada um só foi superado à custa dos outros.

O primeiro é a eficiência. Antes, gerar a prova exigia milhões de vezes mais computação do que executar o próprio programa. O segundo é a usabilidade. Muitos sistemas obrigam o desenvolvedor a reescrever o programa à mão como um circuito criptográfico (circuit), o que leva meses, e qualquer alteração no aplicativo significa um novo circuito e novas fontes de bugs. A alternativa universal é provar a execução de um processador comum, mas ela custou caro demais, por muito tempo, em velocidade ou em segurança.

O terceiro é a base criptográfica. Muitos sistemas são construídos sobre curvas elípticas, que um computador quântico suficientemente poderoso consegue quebrar. As variantes pós-quânticas se apoiam em reticulados, em novas funções hash criadas para tornar a prova barata ou em hipóteses não comprovadas sobre códigos corretores de erros. Nelas, a velocidade foi comprada com suposições fortes.

Dez anos de detalhes: do que é feito o Magnetar

O Magnetar é o resultado de mais de uma década de trabalho da Microsoft Research. Os pesquisadores avançaram por etapas, e cada trabalho cobriu uma peça do quebra-cabeça:

• Spartan (2019): resgatou a abordagem sum-check e a tornou viável para programas de uso geral, sem configuração confiável; aceita diferentes blocos criptográficos.
• Phalanx (2021): aproveita a repetitividade, como um mesmo ciclo de instruções do processador, e prova computações cerca de uma ordem de grandeza mais rápido que o Spartan. É nessa ideia que se baseia a descrição do processador no Magnetar.
• Nova, HyperNova, NeutronNova, Neo e SuperNeo: interrompem a prova do Spartan antes do fim e "dobram" os resultados parciais, o que torna bem mais barata a prova de computações de qualquer tamanho.
• Brakedown (2021): esquema rápido de compromisso baseado em funções hash; combinado ao Spartan, resultou na primeira variante cuja segurança se apoia em hashes padrão.
• Spice, Lasso, Nebula, Twist and Shout: baratearam as operações de memória, que sustentam um processador de uso geral.
• Jolt: mostrou que, combinado ao Spartan, é possível provar com eficiência a execução de um processador inteiro.
• Vega: aplicou essas ideias à identidade digital; fatos de um documento oficial são provados em menos de um décimo de segundo.
• BinarySpartan: levou o Spartan para corpos binários, nos quais a lógica do processador e as funções hash padrão se expressam com eficiência.
• Ligerito: esquema de compromisso no estilo Brakedown, com provas bem mais curtas.
• Ring switching: permite fixar vetores de bits com eficiência.

Velocidade e segurança em números

O Magnetar prova a execução de RISC-V, uma arquitetura aberta para a qual existem compiladores maduros para praticamente todas as principais linguagens. O desenvolvedor escreve o programa em Rust, Go ou C, compila e obtém a prova, sem reescrever nada em circuitos. Uma política de negócios, um pipeline de dados ou o interpretador da máquina virtual do Ethereum são programas comuns.

Principais números:

• 7,2–8,7 milhões de instruções de processador por segundo em um notebook;
• 9,5–12,8 milhões de ciclos por segundo na versão otimizada, o que amplia em cerca de 1,3 vez todos os ganhos informados;
• de 10 a 39 vezes mais rápido, em média, que as zkVMs existentes mais velozes, em 15 programas de teste: de hash criptográfico a transferências de tokens em um pequeno interpretador de EVM;
• mais de 300 vezes mais rápido que dois outros sistemas no teste de transferência de tokens;
• verificação da prova em cerca de 12 ms.

A segurança do Magnetar se apoia em uma função hash padrão, como SHA-256 ou SHA-3. Não são necessários curvas elípticas, reticulados, hashes especializados, configuração confiável nem hipóteses não comprovadas sobre códigos. As funções hash são as mais estudadas da criptografia e servem de base para as assinaturas baseadas em hash, que o NIST padronizou como uma opção pós-quântica conservadora. Para a Microsoft, há ainda a questão de alinhamento com o programa Quantum Safe, que deve migrar os produtos da empresa para criptografia pós-quântica até 2029.

A própria arquitetura traz outro efeito. A verificação da prova consiste, em sua maior parte, de hashes e aritmética em corpos binários, ou seja, de operações que o Magnetar prova com eficiência. Por isso, a verificação vira, para ele, uma carga de trabalho comum, e o sistema pode provar computações de qualquer tamanho em partes e depois combiná-las. Assim, também é possível provar sistemas de longa duração, como um registro ou um blockchain.

Onde isso é útil na prática

O cenário mais próximo para a IA são os agentes. Um agente que age em nome do usuário pode anexar a cada ação uma prova de que ela seguiu a política concedida. Quem verifica não precisa confiar no operador do agente nem ler seus logs. Instituições financeiras reguladas poderão provar o processamento correto de transações sem revelar as transações em si.

Para os engenheiros, o ponto mais importante é outro: a barreira de entrada diminui. Se a equipe já mantém código em Rust, Go ou C, não precisa de um especialista em criptografia para escrever circuitos. Resta saber quais resultados as empresas vão querer verificar, em vez de aceitar na confiança. A Microsoft Research convida a comunidade a discutir cenários de uso, e o artigo técnico com a descrição completa do projeto, a análise de segurança e as medições se chama «Magnetar: High-speed post-quantum RV64 zkVM from standard hashes».