zkVM(Zero-Knowledge Virtual Machine)은 거래나 계산이 올바르게 수행되었음을 수학적으로 증명하는 가상 머신이에요. 실제 거래 내용은 보여주지 않으면서도 그 거래가 정확하다는 것만 증명할 수 있다는 점이 핵심이죠. 마치 시험 답안을 공개하지 않고도 100점을 받았다는 사실만 증명하는 것과 비슷해요.
영지식증명이 만드는 거래 증명의 혁명
기존 블록체인에서는 모든 거래 내역을 투명하게 공개해야만 검증이 가능했어요. 이더리움에서 거래를 확인하려면 네트워크의 모든 노드가 똑같은 계산을 반복해서 실행해야 했죠. 하지만 zkVM은 완전히 다른 방식으로 작동해요. 실제 계산은 오프체인에서 한 번만 수행하고, 그 결과가 맞다는 증명서만 온체인에 올리는 거예요.
이 증명서의 크기가 놀랍도록 작아요. 수백만 개의 거래를 담은 계산도 단 몇 킬로바이트의 증명으로 압축할 수 있어요. RISC Zero의 최신 zkVM 2.0은 이더리움 블록 증명 시간을 35분에서 44초로, 비용은 5배나 줄였다고 해요.
카페에서 커피를 사는 상황을 떠올려보세요. 기존 방식이라면 계산대에서 점원이 모든 고객 앞에서 거스름돈을 하나하나 세어가며 확인해야 해요. 하지만 zkVM 방식이라면 거스름돈이 맞다는 영수증만 보여주면 되는 거죠.
SNARKs와 STARKs: 두 가지 증명 방식의 차이
zkVM에서 사용하는 영지식증명 기술은 크게 SNARKs와 STARKs로 나뉘어요. SNARKs(Succinct Non-interactive Arguments of Knowledge)는 증명 크기가 작고 검증이 빨라요. 대신 처음에 신뢰할 수 있는 초기 설정이 필요하고, 증명을 생성하는 데 시간이 많이 걸려요.
STARKs(Scalable Transparent Arguments of Knowledge)는 초기 신뢰 설정이 필요 없고 양자 컴퓨터 공격에도 안전해요. 하지만 증명 크기가 SNARKs보다 크고 검증 비용이 더 높아요. 실제로 Polygon Hermez 프로젝트는 이 두 기술을 결합해서 사용하고 있어요. STARK로 먼저 증명을 만들고, 그 증명을 다시 SNARK로 압축해서 가스비를 절감하는 거죠.
이런 증명 방식의 선택이 zkVM의 성능에 직접적인 영향을 미쳐요. 증명 생성에 필요한 계산량이 많을수록 고성능 하드웨어가 필요하고, 비용도 올라가요. 최근에는 GPU를 활용한 병렬 처리나 전문 하드웨어 칩을 사용해서 이 문제를 해결하려고 해요.
zkVM과 zkEVM: 범용성과 호환성의 균형
zkEVM은 이더리움 생태계에 특화된 zkVM의 한 종류예요. Solidity로 작성된 스마트 컨트랙트를 그대로 실행할 수 있어서 기존 이더리움 개발자들이 쉽게 적응할 수 있죠. Polygon zkEVM이나 zkSync Era 같은 프로젝트들이 대표적이에요.
반면 일반적인 zkVM은 더 넓은 범위의 프로그래밍 언어를 지원해요. RISC Zero zkVM은 Rust와 C/C++ 코드를 실행할 수 있고, Nexus zkVM은 초당 1조 개의 CPU 사이클을 처리할 수 있다고 주장해요. 이런 zkVM들은 RISC-V나 MIPS 같은 표준 명령어 집합을 사용해서 더 다양한 애플리케이션을 지원할 수 있어요.
두 접근 방식 모두 장단점이 있어요. zkEVM은 이더리움과의 호환성이 뛰어나지만, EVM의 복잡한 구조 때문에 증명 생성이 비효율적일 수 있어요. 일반 zkVM은 더 효율적이지만, 기존 이더리움 애플리케이션을 이식하려면 추가 작업이 필요해요.
의료와 공급망: zkVM의 실제 활용 사례
zkVM 기술이 가장 빛을 발하는 분야 중 하나가 의료 데이터 처리예요. 환자의 의료 기록은 매우 민감한 개인정보인데, zkVM을 사용하면 실제 의료 데이터를 공개하지 않고도 보험 청구나 임상 연구에 필요한 증명을 할 수 있어요.
예를 들어, 특정 치료를 받았다는 사실을 증명해야 하는데 전체 의료 기록을 공개하고 싶지 않다면요? zkVM은 "이 환자가 2024년 7월에 해당 치료를 받았음"이라는 사실만 증명하고, 다른 의료 정보는 전혀 노출하지 않아요. 마치 신분증을 보여주지 않고도 성인임을 증명하는 것과 같은 원리예요.
공급망 관리에서도 zkVM이 혁신을 일으키고 있어요. 제품의 원산지, 제조 과정, 품질 검사 결과를 모두 증명하면서도 기업의 영업 비밀은 보호할 수 있죠. 고급 와인이 진품인지 증명하되, 구체적인 제조 방법은 공개하지 않는 거예요.
온체인 검증 비용의 획기적 절감
zkVM의 가장 큰 장점은 온체인 검증 비용을 90% 이상 줄일 수 있다는 거예요. 이더리움 메인넷에서 복잡한 스마트 컨트랙트를 실행하면 가스비가 수십 달러가 나올 수 있지만, zkVM을 사용하면 몇 센트로 줄일 수 있어요.
이게 가능한 이유는 계산의 부담을 재분배하기 때문이에요. 복잡한 계산은 오프체인에서 한 번만 수행하고, 온체인에서는 작은 증명만 검증하면 돼요. 마치 대학 과제를 제출할 때 전체 연구 과정이 아니라 요약 보고서만 제출하는 것과 비슷해요.
최신 벤치마크에 따르면, zkMIPS 1.0은 기존 zkVM 대비 6배에서 19배까지 성능이 향상되었어요. 특히 메모리 집약적인 작업에서는 증명 생성 시간이 수십 분에서 몇 초로 단축되었죠.
개발자를 위한 실무적 과제와 해결책
zkVM을 실제 프로젝트에 도입하려면 몇 가지 기술적 과제를 해결해야 해요. 첫째, 기존 Solidity 코드를 Rust나 C++로 다시 작성해야 할 수도 있어요. 둘째, 증명 생성을 위한 고성능 하드웨어나 클라우드 서비스가 필요해요.
하지만 이런 문제들도 빠르게 해결되고 있어요. RISC Zero는 Bonsai라는 클라우드 증명 서비스를 제공하고, Succinct는 SP1 증명 네트워크를 운영해요. 개발자들이 직접 하드웨어를 구입하지 않고도 zkVM을 사용할 수 있게 된 거죠.
개발 도구도 계속 개선되고 있어요. 이제는 복잡한 암호학 지식 없이도 zkVM 애플리케이션을 만들 수 있어요. 디버깅 도구, 테스트 프레임워크, SDK가 계속 발전하면서 진입 장벽이 낮아지고 있죠.
재귀적 증명: zkVM 안의 zkVM
zkVM의 가장 흥미로운 기능 중 하나가 재귀적 증명이에요. 한 zkVM의 증명을 다른 zkVM이 검증할 수 있다는 뜻이죠. 러시아 인형처럼 zkVM 안에 또 다른 zkVM을 넣을 수 있어요.
이게 왜 중요할까요? 매우 큰 계산을 작은 조각으로 나누어서 병렬로 처리할 수 있기 때문이에요. 각 조각의 증명을 생성한 다음, 이 증명들을 다시 하나로 합쳐서 최종 증명을 만드는 거죠. 마치 큰 퍼즐을 여러 사람이 나누어 맞추고, 완성된 조각들을 합치는 것과 같아요.
StarkWare는 이 개념을 더 발전시켜서 L3(Layer 3)라는 개념을 제안했어요. L2 위에 또 다른 레이어를 올려서 더 높은 확장성을 달성하는 거죠. 이론적으로는 무한히 많은 레이어를 쌓을 수 있어요.
앞으로의 전망과 도전 과제
zkVM 기술은 아직 초기 단계예요. 하지만 발전 속도가 놀라울 정도로 빨라요. 2025년 들어서만 해도 여러 프로젝트가 프로덕션 레벨의 zkVM을 출시했고, 성능도 계속 개선되고 있어요.
가장 큰 도전 과제는 여전히 증명 생성 비용이에요. 복잡한 계산일수록 더 많은 시간과 자원이 필요하죠. 하지만 하드웨어 가속, 알고리즘 최적화, 탈중앙화 증명 네트워크 등 다양한 해결책이 개발되고 있어요.
표준화도 중요한 과제예요. 각 zkVM마다 서로 다른 명령어 집합과 증명 시스템을 사용하고 있어서, 호환성 문제가 발생할 수 있어요. 업계에서는 이 문제를 해결하기 위한 표준을 만들려고 노력하고 있죠.
zkVM은 블록체인의 삼중 딜레마(확장성, 보안성, 탈중앙화)를 해결할 수 있는 핵심 기술이에요. 거래의 프라이버시를 보호하면서도 신뢰할 수 있는 검증을 제공하고, 동시에 비용을 대폭 절감할 수 있으니까요. 앞으로 더 많은 애플리케이션이 zkVM을 활용하게 될 거예요.
본 글은 블록체인 및 분산원장 기술에 관한 일반적인 정보 제공을 목적으로 작성된 것입니다. 투자, 매수, 매도를 포함한 어떠한 금융적 의사결정에 대한 권유나 조언이 아니며, 글의 내용은 개인적인 견해일 뿐 법적·재정적 자문을 대신하지 않습니다. 암호화폐 및 디지털 자산에 대한 투자는 본인의 책임하에 신중히 판단하시기 바랍니다.