영지식 증명(ZKP)과 차세대 블록체인 엔진 zkVM

1. 영지식 증명(Zero-Knowledge): 정보 노출 없는 증명의 메커니즘

알리바바 동굴 비유: 동굴 깊은 곳에 비밀 주문을 외쳐야만 열리는 문이 있고, 증명자는 이 주문을 알고 있음을 검증자에게 증명해야 하는 상황을 가정함. 증명자가 동굴 안으로 들어가고 검증자가 밖에서 "A 출구로 나와라" 혹은 "B 출구로 나와라"라고 무작위로 지시할 때, 주문을 아는 증명자는 항상 요구한 출구로 나올 수 있음. 이 과정을 수십 번 반복하여 모두 성공한다면 검증자는 증명자가 주문을 안다고 확신하게 되지만, 끝내 비밀 주문 자체는 듣지 못함.

 

1. 영지식 증명(Zero-Knowledge Proof, ZKP) : 정보 노출 없는 증명의 메커니즘

• 비공개 정보의 수학적 증명. 영지식 증명은 증명자가 검증자에게 특정 정보를 알고 있다는 사실을 증명하되, 그 정보의 구체적인 내용은 전혀 드러내지 않는 암호학적 프로토콜임. '알리바바 동굴' 비유처럼 비밀 주문을 직접 발설하지 않고도 특정 출구로 나오는 반복적 행위를 통해 확률적으로 지식의 소유 여부를 확정하는 방식과 유사함.
• 프라이버시와 데이터 보호. 블록체인의 투명성은 거래 내역 공개로 인한 재무 정보 유출 우려를 낳지만, ZKP를 적용하면 데이터의 기밀성을 유지하며 유효성을 입증할 수 있음. 송수신자와 금액을 암호화한 상태에서도 '잔액 충분'이나 '정당한 서명' 등의 조건이 참임을 수학적으로 보장하여 기업과 개인의 프라이버시를 강화함.
• 확장성과 처리 속도 극대화. 이더리움 메인넷의 물리적 한계를 극복하기 위해 수천 건의 트랜잭션을 오프체인에서 처리하고 압축하는 ZK 롤업 기술이 핵심임. 모든 연산이 올바르게 수행되었다는 단 하나의 '타당성 증명(Validity Proof)'만을 메인넷에 기록함으로써, 초당 트랜잭션 처리량(TPS)을 획기적으로 높이고 네트워크 비용을 절감함.
• 신원 증명과 선택적 공개. 탈중앙화 신원 증명(DID) 분야에서 ZKP는 개인정보의 '선택적 공개'를 가능하게 하여 데이터 주권을 실현함. 성인 인증 시 주민등록번호 전체를 노출하는 대신 '19세 이상'이라는 명제의 참 여부만 전달함으로써, 사용자는 필요한 최소한의 증거만 제공하고 자신의 민감한 정보를 완벽히 통제할 수 있음.

2. 가상 머신(VM) Vs 영지식 가상 머신(zkVM)

• 블록체인의 실행 엔진 VM. 가상 머신(VM)은 물리적 하드웨어 없이 소프트웨어적으로 스마트 컨트랙트를 실행하고 상태를 변경하는 블록체인의 핵심 컴퓨터 시스템임. 이더리움 가상 머신(EVM)은 전 세계 노드가 동일한 상태를 유지하도록 돕지만, 초기 설계 시 영지식 연산과의 호환성을 고려하지 않아 증명 생성 시 막대한 연산 비용이 발생하는 한계가 있음.
• 실행 흔적의 회로 변환. zkVM(Zero-Knowledge Virtual Machine)은 프로그램의 실행 과정(Execution Trace) 전체를 암호학적 회로로 변환하여 검증하는 고도화된 시스템임. 이를 통해 노드들이 모든 트랜잭션을 재실행할 필요 없이 상태 변화의 유효성을 즉각 검증할 수 있으며, 프로그램이 로직대로 무결하게 수행되었음을 수학적으로 보장함.
• 범용 언어 지원의 혁신. 과거에는 특정 목적의 전용 회로를 직접 설계해야 하는 고난도의 작업이 필요했으나, 최신 범용 zkVM은 Rust나 C++ 등 일반 프로그래밍 언어를 지원함. 이러한 환경은 암호학 전문 지식이 부족한 일반 개발자도 손쉽게 고성능 ZK 애플리케이션을 구축할 수 있게 하여 개발자 경험(DX)을 획기적으로 개선함.

3. zkEVM vs zkVM: 호환성과 범용성

• 기존 생태계의 계승 zkEVM. zkEVM은 이더리움 가상 머신(EVM)을 그대로 모사하여 솔리디티(Solidity) 코드와 기존 도구를 수정 없이 사용할 수 있는 강력한 호환성을 제공함. 다만, 256비트 워드 등 ZK 회로화에 비효율적인 EVM 구조를 억지로 구현해야 하므로, 증명 생성 속도가 상대적으로 느리고 리소스 소모가 크다는 구조적 단점이 존재함.
• 고성능 표준 아키텍처 zkVM. 반면 zkVM은 RISC-V나 WASM 같은 산업 표준 명령어 집합(ISA)을 채택하여 하드웨어 최적화와 실행 속도 면에서 우위를 점함. Rust와 같은 고성능 언어로 개발이 가능해 유지보수가 용이하며, 컴파일러 최적화 기술을 그대로 적용할 수 있어 시스템의 안정성과 확장성이 뛰어남.

4. 증명 방식의 진화: SNARK에서 STARK로

• 검증 효율성과 신뢰 설정. zk-SNARKs는 증명 크기가 매우 작고 검증 속도가 빨라 가스비 절감에 유리하지만, 초기 구축 시 '신뢰 설정(Trusted Setup)' 과정이 필수적임. 이 과정에서 생성된 비밀 키가 유출되거나 파기되지 않을 경우 보안 취약점이 발생할 수 있는 '독성 폐기물(Toxic Waste)' 리스크를 내재하고 있음.
• 투명성과 양자 내성 확보. zk-STARKs는 신뢰 설정이 필요 없는 '투명성'을 보장하며, 타원곡선 암호 대신 해시 함수를 기반으로 설계되어 보안성이 탁월함. 특히 양자 컴퓨터의 역연산 공격에 강한 해시 기반 구조를 통해, 미래의 컴퓨팅 환경에서도 시스템의 무결성을 완벽히 보증하는 '포스트 퀀텀' 보안 기술로 평가받음.

5. 시장을 선도하는 4대 zkVM 기술 엔진

• 범용 zkVM의 선구자 RISC Zero. RISC-V 명령어 집합을 지원하며 일반 코드를 증명할 수 있는 시대를 연 선도적인 프로젝트로, STARK와 SNARK를 결합한 하이브리드 방식을 고안함. 'Bonsai' 클라우드 증명 서비스 등 성숙한 생태계와 풍부한 문서를 보유하고 있어 안정성을 중시하는 엔터프라이즈급 프로젝트에 주로 선호됨.
• 프리컴파일을 통한 속도 혁신 SP1. Succinct Labs의 SP1은 RISC Zero의 속도 한계를 극복하기 위해 해시나 서명 등 무거운 연산을 전용 가속기인 '프리컴파일'로 처리함. 최신 Plonky3 기술을 도입하여 기존 대비 최대 28배 빠른 성능을 구현했으며, 모듈러 설계를 통해 개발자에게 유연한 최적화 환경을 제공하는 것이 특징임.
• 룩업 테이블 기반 구조 단순화 Jolt. a16z crypto가 개발한 Jolt는 복잡한 계산 대신 미리 산출된 값을 찾아오는 'Lasso' 룩업 인수를 도입하여 아키텍처의 복잡성을 획기적으로 낮춤. 코드 라인 수를 줄여 버그 발생 가능성을 차단하고 보안 감사를 용이하게 했으며, 이론적 우수성을 바탕으로 실질적 퍼포먼스 향상에 집중하고 있음.
• 실시간 증명과 하드웨어 가속 Airbender. ZKsync가 개발한 이 엔진은 소비자용 GPU로도 이더리움 블록을 실시간에 가깝게 증명할 수 있도록 수학적 모델을 최적화함. 누구나 증명자로 참여할 수 있는 환경을 조성하여 기술적 고성능 구현과 더불어 탈중앙화된 네트워크 경제 구조를 동시에 달성하려는 목표를 가짐.

구분	RISC Zero	SP1	Jolt	Airbender
이름 유래	RISC-V 명령어 집합 아키텍처를 기반으로 영지식(Zero-Knowledge) 증명 시스템을 구현했다는 의미	개발사 Succinct Labs가 만든 첫 번째(1) 간결한(Succinct) 프로세서(Processor) 혹은 증명기라는 뜻	복잡한 연산 대신 값을 찾아오는 방식으로 기존 속도 한계에 강력한 **충격(Jolt)**을 주어 비약적인 성능을 낸다는 의미	ZK 증명의 핵심 수학 모델인 AIR(Algebraic Intermediate Representation)를 자유자재로 **다루는 자(Bender)**라는 뜻
개발사	RISC Zero, Inc.	Succinct Labs	a16z crypto (Research)	ZKsync (Matter Labs)
주요 연혁	2022년 (초기 발표) 2024년 (zkVM 1.0 출시)	2024년 (테스트넷) 2025년 (메인넷 런칭)	2023년 (논문 발표) 2024년 (초기 구현체 공개)	2025년 (공식 발표 및 오픈소스 공개)
핵심 기술 (차별점)	하이브리드 & Bonsai STARK로 빠른 증명 후 SNARK로 압축, 클라우드 증명 서비스(Bonsai) 제공	프리컴파일(Precompiles) 무거운 연산(해시 등)을 전용 회로로 처리하여 속도 최적화, 모듈러 설계	Lasso (룩업 테이블) 복잡한 CPU 회로 대신 '값 찾아오기' 방식을 사용하여 구조 단순화 및 보안성 증대	소비자용 GPU 가속 고가의 서버 없이 일반 게이밍 GPU로도 실시간 증명이 가능하도록 최적화
증명 방식	STARK → SNARK (Groth16 래퍼를 통해 온체인 검증비용 최소화)	Plonky3 (STARK) (필요 시 Groth16 등으로 래핑하여 검증)	Sum-check / Lasso (이론적으로 STARK 계열이나 룩업 인수에 특화됨)	STARK (Boojum 기반) (소형 하드웨어에 최적화된 수학적 모델 적용)
주요 적용 (L1/L2)	Optimism (Zeth), Taiko, Eclipse, Ethereum(Verifiable Compute)	Polygon (AggLayer), Avail, Gnosis, Celestia (Blobstream)	프레임워크 단계 (OP Stack 통합 실험 및 고성능 L2 연구용으로 활용)	ZKsync Era, ZK Stack Hyperchains (탈중앙화 증명 네트워크)

 

 

6. 결론: 검증 가능한 인터넷의 시대

• 양자 위협에 대한 보안 로드맵. 이더리움 창시자 비탈릭 부테린은 미래의 양자 컴퓨터 공격에 대비해 STARK 기반 증명과 계정 추상화의 중요성을 지속적으로 역설해 옴. zkVM 기술은 단순한 성능 향상을 넘어, 미래의 컴퓨팅 환경 변화 속에서도 블록체인 생태계의 신뢰와 보안을 영구적으로 보호하기 위한 필수적인 장치임.
• 디지털 진실의 표준 확립. 증명 비용의 하락과 기술의 발전은 모든 디지털 정보의 조작 여부를 즉시 검증할 수 있는 '검증 가능한 인터넷' 시대를 앞당기고 있음. zkVM 엔진의 고도화는 단순한 데이터 전달을 넘어 정보의 '진실성' 자체를 담보하는 새로운 디지털 표준을 정립하는 핵심 동력이 될 것임.