In der Welt der Zero-Knowledge Virtual Machines (zkVM) spielt die Wahl der zugrundeliegenden Instruction Set Architecture (ISA) eine zentrale Rolle. Die Architektur definiert maßgeblich die Effizienz der Ausführung, die Größe der erzeugten Nachweise und die Komplexität der Implementierung. Während viele neue Projekte in diesem Bereich aufgrund seiner Einfachheit und der Dynamik im Ökosystem auf RISC-V setzen, hat ZKM bewusst eine andere technische Richtung eingeschlagen und sich für MIPS32r2 entschieden. Diese Entscheidung scheint auf den ersten Blick ungewöhnlich, doch bei genauerer Betrachtung zeigt sie sich als strategisch wertvoll für die spezifischen Anforderungen von zkMIPS. MIPS32r2 ist eine ISA, die mit einer langen Historie und einer ausgereiften Spezifikation aufwartet.
Trotz ihrer größeren Komplexität im Vergleich zu minimalistischen Architekturen wie RISC-V bieten ihre umfassenden und dichten Befehlssätze wichtige Vorteile für Zero-Knowledge-Systeme. Besonders hervorzuheben ist die hohe Instruktionsdichte, die MIPS32r2 auszeichnet. Beispielsweise ermöglichen Befehle wie MOVZ, MOVN und MADDU die Umsetzung komplexer logischer Operationen in weniger Schritten. In der Praxis führen diese kompakten Programme zu kürzeren Ausführungsspuren, was bei der Erzeugung von Zero-Knowledge-Beweisen eine erhebliche Rolle spielt. Kürzere Spuren bedeuten weniger zu überprüfende Schritte und somit niedrigere Gesamtkosten bei der Verifikation.
Im Gegensatz dazu verfolgt RISC-V mit seiner RV32I-Basis einen minimalistischen Ansatz. Das bedeutet zwar einfachere Implementierungen und geringeren Overhead bei der Decodierung einzelner Instruktionen, aber auch einen höheren Bedarf an Instruktionssequenzen, um komplexe Operationen abzubilden. Die Folge ist ein größerer Codeumfang und längere Ausführungsspuren, was gerade im Zusammenhang mit Zero-Knowledge-Protokollen Nachteile mit sich bringt. Darüber hinaus weisen beide Architekturen eine 32-Bit-feste Instruktionslänge auf, was prinzipiell die Verarbeitung vereinfacht. MIPS32r2 hält diese Konsistenz strikt ein über das gesamte Instruktionsset hinweg.
Das hat zur Folge, dass die Codierung und Decodierung unkomplizierter bleiben und Fehlerquellen minimiert werden. RISC-V hingegen beginnt zwar ebenfalls mit einem sauberen 32-Bit-Basenformat, verliert aber diese Konsistenz durch häufig eingesetzte Erweiterungen wie M (Multiplikation und Division), A (Atomare Operationen) oder F (Fließkommaoperationen). Die Einführung dieser Extensions bringt in der Praxis Variabilität ins Encoding und damit zusätzliche Komplexität in die Implementierung von zkVMs. Ein weiterer maßgeblicher Vorteil von MIPS32r2 ist das integrierte Kontrollflussmanagement. Diese ISA bietet native Unterstützung für bedingte Ausführungen durch Befehle wie MOVZ oder JAL (Jump and Link), welche effizientere Verzweigungen und Funktionsaufrufe erlauben.
Im Vergleich dazu muss RISC-V oft auf die Kombination mehrerer einfacher Befehle zurückgreifen, um vergleichbare Kontrollflussmuster zu realisieren. Für Verifizierungsprozesse in Zero-Knowledge-Systemen bedeutet das eine Zunahme der auszuwertenden Schritte und gleichzeitig eine größere Angriffsfläche für die Schaltkreisrestriktionen. Betrachtet man die Reife des Ökosystems, so liegt ein weiterer Trumpf bei MIPS32r2. Diese Architektur ist seit Jahrzehnten industriell etabliert und wird breit in eingebetteten Systemen und anderen kritischen Anwendungen eingesetzt. Die standardisierte und stabile Spezifikation erlaubt zuverlässige und langfristige Integrationen in zkVMs.
RISC-V ist zwar zweifelsohne auf dem Vormarsch und von seiner Community sehr dynamisch angenommen worden, durch seinen jüngeren Entwicklungsstand bestehen jedoch noch Herausforderungen bezüglich Fragmentierung und wechselnder Toolchain-Kompatibilität. Im Kontext von Zero-Knowledge-Computationssystemen wirkt sich die höhere Instruktionsdichte von MIPS32r2 direkt positiv auf die Länge der Ausführungsspuren und damit auch auf die notwendigen Constraints in den zk-Schaltkreisen aus. Die Verkürzung dieser Spuren durch komplexe Einzeloperationen führt zu einer Reduktion der Rechenlast und einer verbesserten Skalierbarkeit der Verifizierungsprozesse. RISC-V führt durch mehrere einfache Instruktionen zu einer Aufblähung dieser Spuren und damit zu höheren Anforderungen an Rechenressourcen und belegten Speicherplatz. Die Sicherheit und Zuverlässigkeit spielen ebenfalls eine bedeutende Rolle in der Wahl der ISA.
MIPS bildet seit langer Zeit die technologische Basis für sicherheitskritische Anwendungen, wie beispielsweise die Fraud-Proofs von Optimism. Diese breite Einsatzbasis in der Praxis hat bewiesen, dass MIPS-Architekturen robust und vertrauenswürdig sind. Obwohl RISC-V mit zunehmender Nutzung in zkRollups Aufmerksamkeit erhält, steckt der praktische Einsatz im sicherheitsrelevanten Umfeld weiterhin im Wachstum und steht vor der Herausforderung, ähnliche Erfahrungswerte zu sammeln. Die Komplexität der Ausführungsspuren lässt sich auch auf die Anzahl der Trace-Zeilen in Zero-Knowledge-Proofs übertragen. Bei MIPS32r2 führt die höhere Informationdichte zu weniger notwendigen Trace-Zeilen.
Dies reduziert die Gesamtkosten für die Erzeugung und Verifikation der Beweise erheblich. Auch wenn einzelne Befehle in MIPS aufgrund ihrer Komplexität aufwändiger im Schaltkreis implementiert sind, ergibt sich für das Gesamtprogramm ein geringerer kumulativer Overhead. Demgegenüber muss bei RISC-V eine Vielzahl von simplen Befehlen kombiniert werden, was den Platzbedarf der zugehörigen Schaltkreise ansteigen lässt. Zusammenfassend ist die Entscheidung von ZKM, innerhalb ihres zkMIPS-Projekts auf MIPS32r2 zu setzen, das Ergebnis einer differenzierten Bewertung verschiedener technischer und praxisrelevanter Faktoren. Diese Architektur stellt einem komplexeren Engineering-Prozess zwar höhere Anforderungen, bietet aber einen klaren Vorteil im Hinblick auf effiziente, skalierbare und sichere Zero-Knowledge-Verifikation.
Entwickler, die auf zkMIPS aufbauen, profitieren dadurch von einer robusten und leistungsfähigen Grundlage, die den künftigen Anforderungen im Bereich verifizierbarer Berechnungen gerecht wird. Die Wahl der richtigen ISA ist mehr als eine technische Präferenz. Sie ist eine strategische Weiche, die den Erfolg und die Akzeptanz einer Technologie maßgeblich beeinflusst. Mit MIPS32r2 setzt ZKM auf Bewährtes, Leistungsfähiges und Zukunftssicheres und definiert damit einen wichtigen Standard für die nächsten Generationen von Zero-Knowledge-Lösungen.
