RAM:深入理解TinyRAM-ODAILY

TinyRAM是由大名鼎鼎的BCTGTV五人組(EliBen-Sasson,AlessandroChiesa,DanielGenkin,EranTromer,MadarsVirza)和SCIPR實驗室提出的一種隨機訪問器架構，旨在成為表達非確定性計算證明性的便捷工具。具體來說，TinyRAM是一種精簡指令集計算機(RISC)，具有字節級可尋址的隨機存取存儲器。它在“擁有足夠表達能力”和“足夠簡約”這兩個對立面之間取得平衡：

?當從高級編程語言編譯時，有足夠的表達能力來支持簡短高效的匯編代碼，以及

?小指令集，指令通過運算電路簡單驗證，利用SCIPR的算法和密碼機制實現高效驗證。

架構

TinyRAM由兩個整數參數化：字長W，需要是2的冪且可以被8整除(這點和現代計算機一樣，如32，64)，以及寄存器的數量K。一般用TinyRAM(W,K)來表示，機器的狀態包括以下內容：

1.程序計數器pc(programcounter)，由W個bit組成。

2.K個通用寄存器，以r0,r1,...,r(K-1)表示，每個寄存器都是W個bit。

3.條件標志flag，由一個bit組成。

4.內存，2^W個字節的線性數組，使用小端約定排列字節。

三星宣布啟動Discord服務器以深入Web3.0領域:6月7日消息，三星（Samsung）宣布啟動Samsung US Discord官方服務器，以加深與消費者的聯系并培養創作者社區。在Samsung US Discord中，粉絲、游戲玩家和創作者能夠互動，并可以獲得對產品、活動、NFT等的獨家訪問權。在6月7日的前24小時內，服務器的早期采用者將獲得OG角色。[2022/6/7 4:09:03]

5.2個磁帶(tape)，每個包含一串Wbit的字。每個磁帶都是單向只讀的。其中，一個磁帶是用于公開輸入x，另一個用于私有輸入w。其實就是TinyRAM的輸入載體。

TinyRAM機的輸入是2個磁帶以及內存，輸出是answer指令，該指令有一個參數A，代表返回值，A=0表示接受。也可以使用該指令終止執行程序。

TinyRAM根據執行指令的位置不同有兩種變體：一種變體遵循哈佛架構，另一種遵循馮諾依曼架構。前一種架構的數據和程序存放在不同的地址空間中，且程序是只讀的；后一種架構數據和程序存放在同一個可讀寫的地址空間中。具體用圖表的方式來表示這兩者的區別：

央視實地采訪歐科云鏈集團 圍繞區塊鏈新興職業深入調研:7月28日，CCTV-4《中國新聞》欄目圍繞新增設的兩個區塊鏈職業進行深入報道。央視記者實地到訪歐科云鏈集團，結合新興職業如何吸納就業等話題，與歐科云鏈區塊鏈工程師及人力資源總監展開深入交流。

采訪中，歐科云鏈區塊鏈工程師介紹稱，區塊鏈技術具有可追溯、不可篡改等特性，能夠廣泛應用于版權保護及金融、物流等領域。作為新增職業中的“區塊鏈工程技術人員”，其主要負責區塊鏈瀏覽器等產品的開發。

歐科云鏈人力資源總監則表示，區塊鏈自去年上升為國家戰略后，在今年4月又入圍新基建，整個行業近兩年發展迅速，但人才缺口巨大，歐科云鏈今年上半年引入各類區塊鏈人才近300名，較去年同期增長30%，其中包括近百名通過校招吸納的應屆畢業生。[2020/7/28]

以下兩個架構的圖示：

在開始更詳細的TinyRAM設計細節之前，我們以官方白皮書的例子說明，TinyRAM是如何做到既簡潔又全面，能夠滿足非確定性的計算問題的。

聲音 | 陳思劼：區塊鏈等技術不斷深入應用，推動產業發生深刻變革:12月13日下午，第一財經2019杰出商界領軍者高峰論壇在上海舉行。上海第一財經傳媒有限公司總經理陳思劼在會上致辭。陳思劼表示：新一輪的科技革命正在悄然到來，眾多產業被新科技激發活力，比如人工智能、大數據、區塊鏈和云計算等技術，在行業不斷深入應用，推動產業發生深刻變革。新技術的發展在新經濟時代勢不可擋，企業的創新升級勢在必行。[2019/12/13]

意義

Alice擁有x，Bob擁有w。Alice想知道算法A(x,w)的計算結果的正確性，但是不想自己計算。這樣的場景，在零知識證明系統中非常常見，有證明者和驗證者，驗證者想知道證明者提供的證據的正確性，但不必自己重新計算一次。TinyRAM架構就滿足這樣的場景，兩個磁帶可以傳入私有輸入w和公開輸入x，證明計算和驗證程序在其中執行。SCIPR實驗室實現的libsnark庫中，已實現了TinyRAM。具體參見：https://github.com/scipr-lab/libsnark.

以CircuitGenerator為例，C程序經過編譯器之后，編譯成TinyRAM的程序，再經過CircuitGenerator之后，生成電路，最后得到zkSNARK電路。

動態 | 南開大學新設金融科技研究中心 對區塊鏈等科研課題進行深入研究:7月13日，南開大學金融學院金融科技研究中心在天津成立。該中心內設南開大學金融學院金融科技創新實驗室，對金融以及人工智能、大數據、區塊鏈等科研課題進行深入研究，并推動與在金融科技領域全球領先的機構和專家廣泛合作，培養出優秀的研究人才和產業人才。[2018/7/13]

指令

TinyRAM支持29個指令，每條指令都通過1個操作碼和最多3個操作數指定。操作數可以是寄存器名稱或者立即數。除非另有說明，否則每條指令都不會修改flag，且將pc增加i，對于哈佛架構來說，i=1，對于馮諾依曼架構來說，i=2W/8。通常，第一個操作數是指令執行計算的目標寄存器，其他操作指定指令的參數。最后，所有指令都需要機器的一個周期來執行。

指令包含幾種類型，指令名稱和intelx86匯編指令類似，可顧名思義。

●位操作指令：

?and

?or

?xor

?not

●整數操作指令：

?add

馬耳他區塊鏈暨比特幣大會：深入探討國家區塊鏈戰略及數字貨幣立法問題:上周，在馬耳他圣朱利安舉辦了馬耳他區塊鏈暨比特幣大會（Blockchain & Bitcoin Conference Malta），對涉及加密數字貨幣、區塊鏈和ICO等問題進行了深入探討。馬耳他政府的高級官員和國家區塊鏈戰略制定者們出席了本次會議。據悉，本次大約吸引400位業內人士參會，包括行業開發人員、投資人、企業家、銀行和信貸機構代表、以及金融科技專家、律師和記者等。觀眾聽取了20位嘉賓的演講，同時也有15家公司登臺進行了展示。[2017/12/13]

?sub

?mull

?umulh

?smulh

?udiv

?umod

●shift操作指令：

?shl

?shr

●比較操作指令

?cmpe

?cmpa

?cmpae

?cmpg

?cmpge

●move操作指令

?mov

?cmov

●jump操作指令

?jmp

?cjmp

?cnjmp

●內存操作指令

?store.b

?load.b

?store.w

?load.w

●輸入操作指令：

?read

●輸出操作指令:

?answer

匯編語言

TinyRAM的程序是由TinyRAM匯編語言編寫的，這個語言受Intelx86匯編語言語法啟發。程序是包含多行TinyRAM匯編代碼的文本文件。程序按照哈佛架構還是馮諾依曼架構的不同，第一行包含的字符串也不同：

?哈佛架構

“;TinyRAMV=2.000M=hvW=WK=K”

?馮諾依曼架構

“;TinyRAMV=2.000M=vnW=WK=K”

其中，W是十進制表示的字長，K是十進制表示的寄存器數量。程序文件中，其他每一行依次包含的內容需要滿足：

1.可選的空格。

2.可選的label，用于定義為引用其后的第一條指令。

3.可選的指令，由指令助記符，以及后面的操作數。

4.可選的空格。

5.可選的以分號;開始的注釋，到該行尾結束。

一個程序中，最多可以有2^W個指令。一個label只能定義一次，有點像高級語言中的變量。

示例代碼(https://github.com/scipr-lab/libsnark/blob/master/tinyram_examples/answer0/answer0.s)

為了滿足計算的需要，提高電路可滿足性的效率，TinyRAM增加了前導語。如果一個TinyRAM的程序以前導語的方式啟動，則說明該程序是個合適的程序。

上述的前導語：

?對于哈佛架構來說，I(i)=1*i，并且inc=1

?對于馮諾依曼架構來說，I(i)=2W/8*i，并且inc=W/8

前面的示例代碼，也遵循這樣的前導語寫法。

兩種架構的性能對比

TinyRAM的兩種架構，其設計區別在前面的“架構”部分介紹了，此處對比兩種架構的性能。

第一個圖表展示兩種架構產生的門數量。

l是指令數量，n是輸入大小，T是執行步數。

可以看出，前者的門數量和指令數量呈線性增加。后者改善很大，指令越多，改善的越大。

第二個圖表展示兩種架構在不同字長的曲線下，生成Keygenerator/prover/verifier的時間及proof大小。

可以看出，在80bit時，馮諾依曼架構相較于哈佛架構有較大提升，在128bit時，也有少許提升。

由上述表格數據可以看出，馮諾依曼架構的效率更高，這也是為什么馮依諾曼架構TinyRAM是后來在哈佛架構TinyRAM的基礎上提出的。

總結

我們講了TinyRAM的架構，設計，匯編指令等，介紹了它的優勢：可以用來便捷的進行非確定性計算。尤其在零知識證明系統中，有更多的發揮空間。最后介紹了兩種TinyRAM架構的性能對比，在生成的門數量和時間以及proof大小上，馮諾依曼架構都更勝一籌。

引用

http://www.scipr-lab.org/doc/TinyRAM-spec-2.000.pdf

https://www.cs.tau.ac.il/~tromer/slides/csnark-usenix13rump.pdf

http://eprint.iacr.org/2014/59

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