Zero 引入了首个多核世界计算机，这与当前区块链所采用的单线程、同构架构截然不同。通过利用零知识 (ZK) 证明将执行与验证解耦，Zero 将网络从冗余复制过渡到异构架构。这种结构性转变使得两种不同的验证器成为可能：轻量级区块验证器，可在低端消费级硬件上运行；以及可选的高性能区块生产者。

该系统通过解决四个主要瓶颈，实现了每个区域每秒 200 万笔交易 (TPS) 的实用扩展路线图。这些解决方案包括：卡塔尔医学发展委员会用于状态存储，FAFOZero 提供统一的、可水平扩展的环境，其中多个原子区 (Atomicity Zone) 可以像现代 CPU 上的并发进程一样运行。Zero 的架构利用 Jolt Pro 实现并行计算调度，利用 Jolt Pro 实现实时零知识证明，利用 SVID 实现高吞吐量网络。最终构建了一个去中心化的基础设施，可以作为集中式云服务提供商的可靠替代方案。

什么是区块链

要了解 Zero 的工作原理，首先必须了解区块链的基础知识。

区块链是一个有序的交易列表，这些交易被分组到不同的区块中。每个区块都链接到前一个区块，从而保证交易历史记录的安全性和永久性。为了了解网络的当前状态，系统会根据一组特定的规则运行这些交易。每个新区块的出现都会更新网络状态。

该状态以加密方式汇总成一个可验证的状态根（S），并存储在区块链中。状态根允许您验证信息，例如您的账户余额，而无需重新执行交易。

区块链的独特之处是什么？

与数据库相比，这些本身并没有什么特别之处。区块链的独特之处在于其去中心化特性。它并非由中央权威机构控制，而是由一群无需许可的参与者（也称为验证者）共同决定网络状态。参与者群体越大，分布范围越广，客户群体越广，网络就越强大。

它们遵循共识协议，对每个区块达成绝对多数共识。这确保了网络的安全，即使某些验证者试图攻击它。区块链之所以有效，是因为即使某些成员心存恶意或试图作弊，足够多的成员也总能就真相达成一致。

区块链原理

中本聪创建比特币是为了直接应对2008年金融危机。那次金融危机证明，中心化的银行和政府无法保障我们的集体安全。

目标是用基于经济激励的去中心化系统取代基于信任的系统。在这个模型中，我们不需要验证者“善良”，只需要他们理性即可。通过假设每个参与者都会追求自身的经济利益 ，该系统将个体逐利行为转化为保障网络安全的根本力量。

这些系统由三个核心原则构成：

• 去中心化： 不存在单点故障。
• 无需许可： 任何人均无法阻止您参与该协议。
• 不受审查： 没有任何单一机构可以阻止或撤销您的交易。

这种转变通过个人自主掌控将权力归还给个人。当你掌握自己的私钥时，你的财富就真正属于你。中心化的机构失去了扣押、冻结或随意处置你资产的能力。这标志着你彻底摆脱了过时的体系，在那个体系中，你的钱仅仅是银行资产负债表上的负债。

以太坊的崛起

这些核心原则催生了其他区块链，它们的目标不仅仅是提供价值存储。这促成了以太坊的崛起。以太坊的目标是构建一个可信的、中立的、可编程的世界计算机 。这标志着一个全新的、去中心化的、无需许可的互联网的诞生。

从验证者的角度来看，以太坊只运行一个应用程序：以太坊虚拟机（EVM）。

你可以把 EVM 比作 macOS 这样的操作系统。当电脑运行 macOS 时，硬件并不会识别你使用的具体应用程序。它只会运行操作系统，并执行操作系统提供的指令。EVM 的工作方式也类似。它允许开发者通过智能合约来启动应用程序。

第一个真正意义上的成功领域是金融。开发者们构建了无需银行即可运作的金融应用程序。自然而然地，人们也尝试开发其他各种领域，包括社交媒体和游戏。

但他们遇到了瓶颈。在区块链上运行这些应用程序的成本远高于使用传统的“Web2”服务。随着用户数量的增加，区块链的承载能力无法跟上。最终，就连金融应用程序也难以发展，因为系统速度太慢，费用太高。

去中心化互联网的梦想曾经是现实，但基础设施却无法应对如此庞大的规模。 为什么它无法扩展？

在以太坊中，验证者轮流提议新的区块。当一个验证者被选中时，他会将交易打包在一起创建一个区块。然后，其余的验证者必须同意这个区块。

以太坊的问题在于效率不高。为了保持同步并验证状态，网络中的每个验证者都必须下载并重新运行每一笔交易。

如果你发送一笔交易，全球成千上万台计算机都会进行完全相同的计算来确认你的账户余额。这种不断重复的工作会造成巨大的瓶颈。由于网络的速度取决于其最薄弱的环节，因此它无法扩展。

原则并非免费。

为了保持去中心化，以太坊必须控制其硬件要求。这确保了几乎任何人都能在家运行节点。然而，这也造成了一个重大瓶颈：整个互联网的运行速度只能与一台低功耗计算机的运行速度相当。

当太多人同时使用网络时，他们就必须争夺每个区块中有限的空间。这会引发竞价战。用户必须支付更高的费用才能使用区块链。

这使得该网络除了高价值交易外，其他任何交易都难以承受高昂的费用。随着系统日益普及，它对游戏或社交媒体等日常应用的实用性反而降低，因为这些应用的用户难以承担相应的费用。

由于以太坊选择优先考虑适中的硬件要求，新的竞争对手应运而生，提供性能更高的“世界计算机”。Solana 就是其中之一。

索拉纳的崛起

与以太坊类似，Solana 也运行着自己的应用程序，名为 Solana 虚拟机 (SVM)。为了提升性能，Solana 大幅提高了验证器的硬件要求。这使得网络每秒可以处理数千笔交易，但却牺牲了其核心原则。

Solana 通过提高硬件门槛，大幅增加了参与成本。Solana 的要求如此之高，以至于只有拥有专业化、专业配置的机构才能负担得起运行验证节点的费用。这使得系统偏离了广泛的去中心化，转而由少数资金雄厚的运营商集中掌控。

同质性

所有区块链都存在相同的架构缺陷：它们都是同质化的 。普遍认为，要成为一台世界计算机，网络中的每个节点都必须下载、处理并就每一笔交易达成共识。为了实现这一点，每个节点都必须完全相同。这会导致网络性能优化时成本大幅增加。本质上，这种架构无法在不牺牲核心原则的情况下进行扩展。

高贵的谎言

2020 年，以太坊面临着生存危机。新兴区块链纷纷选择性能而非核心原则。以太坊自身通过分片技术扩展其 Layer 1（L1）的计划进展缓慢，导致网络逐渐失去领先地位。

由于无法快速扩展 L1 层，以太坊将其战略转向以 Layer 2 层为中心的路线图。这些 Layer 2 层（L2），或称 Rollup，是中心化的区块链，它们将数据发布到 L1 层。以太坊承诺，这些系统最终将继承 L1 层的去中心化和安全性。

但这里存在一个根本缺陷。L2 层永远不会放弃对区块排序、智能合约逻辑和功能路线图的控制权。

所有区块链的演进都依赖于验证者达成共识来升级其应用程序。然而，L2 无法在不丧失自身安全性的前提下继承 L1 的安全性。为了真正获得 L1 的安全保障，L2 需要放弃其升级权限，使其逻辑被锁定且不可篡改。

这就产生了一个悖论，证明了第二层协议的承诺一直都是谎言：

• 如果 L2 层被锁定且去中心化， 它就会走到尽头。它无法创新或适应，与其他不断发展的网络相比，变得无关紧要。
• 如果 L2 可以升级： 它是集中式的，由一小群有权改变规则的人控制。

以太坊用这个谎言来掩盖一个残酷的真相：为了保持竞争力，他们放弃了自己的原则。他们停止了构建世界计算机。相反，他们将用户从去中心化、无需许可且抗审查的区块链推向了中心化、易受审查的区块链，并称之为扩容 。

正是这个谎言促使我们制作了 《零》。

计算、存储和网络

一切从基础开始。就像任何计算机一样，区块链也受到以下三个因素的限制：

• 计算： 运行代码将输入转换为输出。
• 存储： 保存和检索输出结果。
• 网络： 与其他计算机和互联网进行通信。

要提高任何系统的性能，都必须在这三个方面之间做出权衡。

计算和网络压缩

在标准区块链中，每个验证者都必须下载并运行每一笔交易以确保数据的正确性。这就是复制问题。它不仅会造成瓶颈，还会增加成本，并给验证者带来巨大的负担，因为他们需要下载和处理所有数据。

零知识证明 (ZK) 解决了这个问题。它允许你通过数学方法验证输出结果的正确性，而无需自己运行代码。验证者无需重新运行每笔交易，只需验证一个简短的证明即可，从而省去了额外的工作。

这意味着验证者不再需要重放历史记录。事实上，他们甚至不需要下载每个区块的原始数据，只需要交易存在的证明即可。正是意识到我们可以减少计算和网络资源的复制工作，才最终促成了 Zero 的设计。

从同质结构到异质结构的转变

所有去中心化区块链的起始步骤都相同：一组验证者就交易区块达成共识。Zero 也不例外。

在现有的区块链中，每个验证者都通过同一个应用程序（例如 EVM）来运行这些交易。Zero 的概念也与之类似。我们将 Zero 的应用程序称为原子性区域。

Zero 的不同之处在于，验证者只需下载数据和计算证明，而无需下载并重放每笔交易。这大幅降低了每个验证者的带宽和计算需求。

历史上首次， 同一区块链上的验证者无需重复执行相同的工作。这是实现异构架构的结构性突破 。

其他所有区块链都采用同构设计。在这些系统中，节点都是完全相同的克隆体，它们下载相同的数据并重复执行每一笔交易。虽然这能保证链的同步，但也使网络陷入了重复性人工操作的恶性循环。

如果 Zero 在相同的同构框架内使用零知识证明，那将是设计上的缺陷。零知识证明的验证只需几毫秒，因此每个验证者都会立即完成任务，然后闲置，浪费它们被迫配置的资源。

为了利用零知识解锁，Zero 将网络分为两个不同的功能类别： 区块生产者和区块验证者 。

• 区块生产者轮流构建区块、执行状态转换和生成加密证明。
• 区块验证器只需接收区块头并验证证明即可。

这种转变从根本上改变了网络的经济需求。在以太坊中，每个验证者都必须拥有运行完整虚拟机所需的算力。这种大规模冗余使得维护如此规模的网络每年的总成本高达约 5000 万美元。

Zero 消除了每个节点都需要克隆的要求。通过将执行与验证分离，一个吞吐量和去中心化程度与以太坊相同的网络，其运营成本可以低于 100 万美元。全球范围内的去中心化并非源于赋予验证者更大的权力，而是源于减轻验证者的工作量。

去中心化

区块生产者将交易打包成区块并生成证明以提升性能。然而，验证者对接受哪些区块拥有最终决定权。这防止了任何单个区块生产者充当守门人，并确保原子区具有抗审查性 。

Zero 采用委托权益证明机制 (DPoS) 来保障安全 。ZRO 质押者将其代币委托给运行网络的验证者。为了确保人人都能参与，我们取消了过高的最低质押要求，并取消了共识层的自动惩罚机制。这创造了公平的竞争环境，消除了通常会将本地验证者排挤出局、转而支持大型质押池的系统性经济障碍。

同样的逻辑也适用于网络治理。任何重大变更，例如协议升级或新增区域，都需要质押者进行链上投票。这就是 Zero 成为单一安全区块链的原因：没有外部委员会负责区域升级，它完全由去中心化治理层掌控。但我们知道，大多数人没有时间去审核复杂的代码或经济白皮书。为了解决这个问题，Zero 采用了参议员模型 。

• 专家指导： 参议员们是密码学和经济学等领域的公认专家，与 Zero 的使命相一致。
• 智能委托： 作为质押者，您可以将您的投票权委托给您信任的参议员，从而确保网络在知情决策的指导下运行。
• 非监护人： 您永远不会失去发言权。您可以随时推翻授权，直接对任何提案进行投票。

这种设置使得网络能够受益于精英专业知识，同时将最终权力保留在它应该在的地方：利益相关者手中。

单核到多核

如果 Zero 的架构能够在仅消耗以太坊一小部分资源的情况下，实现与以太坊相同的去中心化程度，那么它将开启一个巨大的新机遇。本质上，Zero 浪费了大量的网络算力和计算能力。

大多数区块链都是单线程的 。它们就像一台老式电脑，只有一个核心处理器，一次只能运行一个应用程序。由于网络中的每个节点都必须重复执行每一条指令，因此整个计算机的速度都受限于这一个核心的速度。

Zero 打破了这一限制。由于不再将资源浪费在重复工作上，网络可以并行运行多个应用程序。这使得系统能够一次性处理海量事务而不会减慢速度。

你可以把它想象成从单核处理器到多核处理器的飞跃。在旧模式下，如果你想运行一个新应用程序，就必须和所有人竞争有限的计算资源。而 Zero 能够跨不同的原子区同时运行数百个应用程序 。

通过迁移到多核架构，我们不仅可以扩展单个应用程序，还可以扩展整个生态系统。Zero 可以在一个区域运行高频交易，在另一个区域运行社交媒体协议，在第三个区域运行私人支付系统，所有这些应用都不会争用相同的资源。

区块链的四大性能瓶颈

两年半前，这就是我们最初为 Zero 构建的架构。我们最初的目标是创建一个像以太坊一样去中心化、无需许可且抗审查的区块链，同时还要具备 Solana 的性能。为了实现这一目标，我们必须从根本上解决困扰整个行业的扩展性瓶颈。

我们的征程始于对存储和 ZK 的同时攻击。

存储突破：QMDB

除了计算和网络之外，状态存储是扩展性的最大瓶颈之一。多年来，业界一直认为区块链必须使用基于 trie 树的数据结构。这些结构效率极低，因为它们将 trie 树结构写入磁盘，浪费了现代固态硬盘 (SSD) 的高速潜力。

我们意识到解决方案在于数据架构的根本性转变。我们不再沿用传统的 trie 树模型，而是转向基于日志、仅追加的数据结构，这种结构专为现代 SSD 的高速 I/O 而设计。然后，我们直接在这个优化的基础之上叠加了可验证性。

最终成果是 QMDB，世界上速度最快的可验证数据库。其设计在理论上已达到 92%的最优程度，使其每秒可处理 300 万次更新。

这种性能提升并非微乎其微，而是比现有区块链状态数据库快 100 倍，比 Facebook 的 RocksDB 快 6 倍。我们之前认为 Solana 的吞吐量已经是极限，但 QMDB 证明存储并非瓶颈，而且其吞吐量足以支持像纽约证券交易所这样每秒处理超过 200 万笔交易的应用。这个数字成为了我们解决系统中所有剩余瓶颈的目标。通过解决存储问题，Zero 扫清了实现真正全球规模化的第一个物理障碍。

计算：利用 FAFO 提高上限

当 QMDB 的更新速度达到每秒 300 万次时，很明显，其理论吞吐量上限远高于行业标准。在存储优化之后，主要瓶颈转移到了计算上。具体来说，网络需要一种方法来处理交易，避免传统区块链工作负载中固有的调度冲突。

大多数区块链采用串行方式处理交易。即使任务之间没有关联，为了防止出错，它们也会被强制放入同一行文件中。这种顺序处理的要求限制了系统的扩展性，无论硬件资源多么雄厚。

我们发明了 FAFO（快速优先编队优化）来解决这个问题。FAFO 支持并行执行，类似于 Solana，但关键区别在于我们先进的调度算法和更卓越的开发者体验。Solana 需要用户或开发者手动指定事务将访问哪些存储槽，而 FAFO 则会自动执行此分析。它能够识别不冲突的事务，并重新排序以实现并行执行，而无需用户承担任何负担。

虽然 FAFO 并不能完全消除存储热点的争用，但它可以隔离这些争用对性能的影响。这确保了某个特定应用程序的需求激增不会增加其他应用程序的成本。不受其他区域拥堵情况影响，未受争用的应用程序可以继续访问低成本的块空间。

架构上的转变意义重大。FAFO 的性能比 BNB 链快 2500 倍，单个节点每秒可处理超过 120 万笔 EVM 交易。通过消除串行执行，EVM 终于实现了可扩展性。

ZK：使用 Jolt 进行扩展

在构建 QMDB 的过程中，我们也评估了零知识证明 (ZK) 领域。我们发现，大多数现有的零知识证明虚拟机 (zkVM) 都已接近生命周期末期；它们基于老旧的架构构建，无法满足我们对全球规模的需求。在众多方案中，我们认定 Jolt 是一个新兴且极具潜力的框架，我们相信它能够为全球计算机提供动力。Jolt 的架构从根本上来说比其他证明系统更简单、更高效。我们组建了一支世界一流的密码学家团队，在此基础上开发了 Jolt Pro。Jolt Pro 能够以超过 1.61GHz 的单单元频率证明 RISC-V 指令集，并制定了清晰的路线图，目标是在 2027 年达到 4GHz 的频率。

为了便于理解，4GHz 相当于现代高端 CPU 的单个核心频率。我们可以无限扩展这些单元，唯一的限制就是数据中心中 GPU 的数量。

Jolt Pro 证明 RISC-V 的速度比现有的 zkVM 快约 100 倍。这一飞跃最终使实时可验证计算成为现实。

网络：最后的瓶颈

解决了存储、计算和零知识证明（ZK）问题后，我们只剩下最后一个障碍：容错区块存储。标准区块链的瓶颈在于每个验证者都必须下载每笔交易。在我们的架构中，验证者只需要交易承诺和一小部分交易数据。这部分数据是一个极小的加密指纹，用于证明数据可检索，其信息量非常小——对于一个 128 MiB 的区块，仅占原始区块数据的不到 0.5%。

为了实现这些承诺，我们创建了 SVID（可扩展可验证信息分发）。理论上，它可提供高达 10 GiB/s 的吞吐量，比 PeerDAS 快 1000 倍以上。通过确保验证者仅下载最低限度的数据，我们扫清了实现每个区域 200 万 TPS 的最后一个障碍。

第一台多核世界计算机

网络技术的飞跃完善了架构的完整性。通过将数据可用性与验证解耦，SVID 使网络能够处理海量负载而不会使单个节点不堪重负。结合用于存储的 QMDB、用于调度的 FAFO 和用于零知识证明的 Jolt Pro，网络不再是瓶颈。

每秒两百万笔交易是我们为系统每个组件设定的明确目标。通过实现这一目标，Zero 可以支持性能最强的现代应用程序。

这种架构使 Zero 能够作为去中心化的多核世界计算机运行。至关重要的是，Zone 并非主权链、Layer 2 层或 Rollup。每个 Zone 都归 Zero 所有，并由同一统一协议管理。大多数区块链（包括以太坊）都是单线程的，它们运行在单个核心上。而 Zero 则运行在多个核心上。每个 Zone 的功能都等同于以太坊运行的单个 EVM，但我们在多个核心上同时执行它们。

最终成果是一个可横向扩展的单一区块链。开发者无需创建自己的区域，他们可以直接在 Zones Zero 提供的平台上构建应用程序。我们用一个统一的高性能系统取代了以往碎片化的、一刀切的模式，该系统能够像在单个现代多核 CPU 上并发处理进程一样处理多个应用程序。

由于成本大幅降低，Zero 不仅是现有区块链的替代方案，也为 AWS 等中心化云服务提供商提供了可靠的替代方案。通过消除冗余复制的开销，我们最终实现了全球范围内的去中心化。Zero 是首个真正可扩展的多核全球计算机。