RAM:深入理解 TinyRAM

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。

Arbitrum：AIP-1.1和AIP-1.2提案已獲投票通過:7月7日消息，以太坊Layer2網絡Arbitrum官方宣布，Arbitrum社區關于擴大ARB Token持有人監督和治理權力的兩項提案AIP-1.1和AIP-1.2已獲投票通過，并稱很快將7億ARB轉移至智能合約控制的鎖定。

提案AIP-1.1建議將基金會剩余的7億ARB置于智能合約控制的鎖定中，四年內解鎖。根據提案，在社區成員批準Token分配預算之前，基金會將無法使用Token。

提案AIP-1.2旨在修改Arbitrum生態系統的幾個治理文件，包括將在鏈上發布改進提案所需的ARBToken數量的門檻從500萬降低到100萬。[2023/7/7 22:24:15]

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：

CoinShares研究主管：監管確定性將成為數字資產參與者的關鍵因素:金色財經報道，根據CoinShares研究主管James Butterfill發布博客稱，我們預計監管確定性將成為數字資產參與者的關鍵因素。歐盟、瑞士、阿聯酋和香港等地正在努力開發定制的加密框架。SEC與幣安和Coinbase訴訟及其潛在結果雖然意義重大，但并不會給加密行業帶來厄運。相反，他們強調迫切需要強有力的監管來保護投資者和維護市場誠信。

未來，我們預見到全球加密領域將出現二分天下。在美國，我們預計傳統金融憑借其現有的合規性和熟悉度，有望在加密領域發揮主導作用。監管限制可能會以這樣一種方式塑造加密行業，使其有可能反映現有的金融體系，以及其完善的法規和制度。

另一方面，在歐盟和其他國家開發定制的加密框架時，我們的前景是創新的加密原生金融實體可能會繼續蓬勃發展并塑造金融業的未來。[2023/6/8 21:23:48]

以下兩個架構的圖示：

SingularityNET將于下個月推出Cardano質押門戶網站beta測試版本:2月24日消息，SingularityNET在推特上宣布，該項目的Cardano質押門戶網站將于下個月推出beta測試版本，該團隊計劃在今年第一季度在主網上推出質押門戶網站。

該質押門戶將允許AGIX代幣持有者在Cardano網絡上押注代幣。據悉，該項目去年推出了ERC-20代幣轉換器，允許用戶將他們的AGIX從以太坊移動到Cardano。[2023/2/24 12:26:57]

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。

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.

研究：去年需要種植4.316億棵樹來抵消比特幣的污染:金色財經報道，?Forex Suggest的一項新研究顯示，去年需要種植 4.316 億棵樹來抵消比特幣的污染。該研究考察了自 2021 年以來頂級加密貨幣對環境的影響增加或減少的程度，以揭示加密貨幣開采和交易對環境的影響。

比特幣是最受新手交易者和機構歡迎的貨幣，位居榜單首位。預計 2022 年的二氧化碳排放量為 8630 萬噸，需要種植 4.316 億棵巨大的樹木，以便從大氣中清除比特幣每年的二氧化碳排放量。先前的研究表明，一筆比特幣交易所需的能源可以為一個家庭供電 70 多天。萊特幣和比特幣現金在污染者名單上排名第二和第三，Cardono 的排放量也在攀升。

相比之下，以太坊在轉向權益證明區塊鏈后，已成功將其年度二氧化碳排放量大幅減少近 100%，這意味著其Gas已大幅降低，其網絡能夠更快地處理交易。[2023/1/7 10:59:25]

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。

Yuga Labs成立Bored Ape和Mutant Ape社區委員會:金色財經報道，Yuga Labs宣布，社區委員會將是Bored Ape（BAYC）和Mutant Ape（MAYC）NFT系列的代表。Yuga Labs已經選擇了7名具有 \"良好記錄 \"的社區成員來代表整個NFT俱樂部。根據公告，社區委員會每個月將能夠提名三個社區項目，然后BAYC和MAYC社區將投票決定哪個項目將獲得Yuga實驗室的資助。

項目可以獲得10個以太坊。七名新的社區理事會成員包括Josh Ong、Sera、Laura Rod、0xEthan、0xWave、Negi和Peter Fang。理事會將與Yuga和BAYC/MAYC社區合作，提升社區驅動的舉措，如商業項目、聚會、慈善捐贈和其他社區主導的想法。（news.bitcoin）[2022/10/6 18:40:34]

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

?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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來源：金色財經

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