深入理解 TinyRAM_RAM

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。

VGX短時突破0.79USDT后回落，24小時漲幅逾80%:1月31日消息，數據顯示，VGX（Voyager）突破0.79USDT，最高漲至0.795USDT，現回落至0.67USDT，24小時漲幅逾80%。[2023/1/31 11:37:27]

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：

以下兩個架構的圖示：

NFT項目“胖企鵝”Pudgy Penguins地板價突破4 ETH創歷史最高記錄:金色財經報道，據最新數據顯示，NFT項目“胖企鵝”Pudgy Penguins地板價已突破4 ETH，創下歷史最高記錄，本文撰寫時為4.04 ETH，24小時漲幅6.32%。此外，該項目歷史交易額達到1.911億美元，市值突破8000萬美元（當前為8078萬美元）。有消息稱，Nansen 首席執行官 Alex Svanevik、Saks Fifth首席運營官 Avenue RJ Cilley、Meta 合作伙伴團隊的 Jordan Sterling等多家知名企業高管已加入該項目顧問委員會或是推動其上漲的原因。[2022/8/23 12:42:19]

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.

受Celsius破產影響，比特幣礦機價格暴跌至近2年低點:金色財經消息，受Celsius破產影響，比特幣礦機價格暴跌至近2年低點。根據一個專用集成電路(ASIC)交易臺的數據，比特大陸的Antminer S19和S19 Pro的出價約為20-23美元/TH，而這些型號最近幾個月的價格曾達到40美元/TH，去年一度高達119美元/TH。自2020年比特幣價格觸底以來，20-23美元/TH的價格已達到最低值。除了比特大陸的S19、S19j和S19 Pro礦機外，Micro BTC的Whatsminer M30s、M30s+和M30s++型號等價格也在下跌。

一位知情人士稱，Celsius Mining在6月份拍賣了其新購買的數千臺礦機，其中第一批6000臺以28美元/TH的價格出售，第二批5000臺以22美元/TH的價格易手。根據算力指數數據，當月的礦機交易平均價格為50-60美元/TH。[2022/7/15 2:14:34]

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。

Harmony：若攻擊者返還盜竊資金 將獎勵100萬美元:金色財經消息，Harmony官方表示，若攻擊者返還盜竊資金并共享漏洞信息，將為其提供100萬美元賞金。Harmony主張在退還資金時不提起對攻擊者刑事指控。[2022/6/26 1:32:12]

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：

Tether 將于 7 月初推出與英鎊 1:1 掛鉤的代幣 GBPT:6月22日消息，穩定幣發行商 Tether 將于 7 月初推出與英鎊 1:1 掛鉤的代幣 GBPT，最初將基于以太坊網絡發行。此前 Tether 已分別推出與美元掛鉤的 USDT、與歐元掛鉤的 EURT、與墨西哥比索掛鉤的 MXNT。[2022/6/22 7:11:14]

?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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