零知识虚拟机（zkVM）入门：原理、分类与应用全景图

零知识证明（ZKP）在区块链领域快速发展，从最初的隐私保护走向通用计算。尤其是 zkVM（Zero-Knowledge Virtual Machine） 的出现，极大拓宽了 ZK 技术的应用边界。

现在通过这篇文章，系统了解 zkVM 的核心概念、主流技术路线、应用图谱，以及如何选择适合自己的 zkVM 工具，是一篇适合收藏与转发的入门资料。

什么是 zkVM

zkVM（Zero-Knowledge Virtual Machine）是指一种能在虚拟机中运行程序并生成零知识证明的计算系统。它能在保证计算隐私或压缩计算过程的同时，向外界证明“某个程序在某些输入下，确实得到了某个输出”。

简单来说，zkVM 把程序执行这件事，变成了一个“数学上可验证的事实”。

zkVM 的提出背景

传统区块链系统面临以下两个核心问题：

• 扩展性差：每个节点都必须完整执行所有交易，导致计算成本高、吞吐量低；
• 隐私性差：所有操作和状态都是公开的，难以处理涉及隐私的业务逻辑。

zkVM 正是在这两个问题的推动下诞生的：

它通过“电路执行 + 零知识证明”的方式，让计算可以在链下完成，在链上只需验证一个小小的证明，既提升了性能，又增强了隐私性。

主流 zkVM 类型

随着零知识证明技术的演进，开发者们基于不同的电路设计方式和虚拟机结构，探索出多种 zkVM 路线。按照实现机制和目标不同，大致可以分为三类：

1️⃣ zkWASM / zkLLVM 路线：编译通用语言到 ZK 电路

代表项目：zkWASM（Delphinus ）、RISC Zero、SP1、Jolt

• 编程语言：Rust、C/C++、Go 等
• 实现方式：编译为中间语言（如 WASM / LLVM IR），再转换为电路
• 优势：开发门槛低，生态成熟，适合 Web 工程师和 AI 开发者
• 场景：链下计算、ZK Coprocessor、隐私 DApp、ZK Oracle 等

2️⃣ zkEVM 路线：兼容以太坊 EVM

代表项目：Polygon zkEVM、zkSync Era、Scroll、Taiko、Kakarot

• 编程语言：Solidity / Vyper
• 实现方式：模拟 EVM 的运行环境，为每条指令设计电路
• 优势：100% 兼容以太坊，现有合约可以无缝迁移
• 场景：Layer 2 zkRollup、智能合约隐私保护等

3️⃣ zkRISC / zkVM 指令集模拟器

代表项目：RISC Zero、SP1、Jolt、ZK-MIPS、Valida

• 实现方式：模拟 CPU 级指令集（如 RISC-V / MIPS）
• 编程语言：Rust / C 编译后执行
• 优势：通用性强，灵活度高，可运行任意程序
• 场景：AI 推理、跨链验证、链下大规模可信计算等

zkVM 应用全景图

zkVM 的应用远不止在 Rollup，它几乎可以构建一个链下可信世界。以下是一个简化版的 zkVM 应用地图：

zkVM 与 zkRollup 的关系

常常把 zkVM 与 zkRollup 混为一谈，其实二者职责不同但高度关联：zkRollup 是一种扩容结构，zkVM 是它的关键组件之一

换句话说：

zkRollup 是高速公路 zkVM 是高速公路上跑的计算引擎

目前绝大多数 zkRollup 都在背后集成了 zkVM 或 EVM zk 电路实现，例如：zkSync 使用自研 zkLLVM 编译器 + zkEVM，Scroll 使用 zkEVM 模拟器，RISC Zero 支持生成 zkRollup 执行证明。

zkVM 技术原理简述

zkVM 的核心机制是将程序执行过程 → 数学约束系统 → 零知识证明：

👨‍💻 开发者角度：

1. 编写普通程序（Rust / Solidity / C）
2. zkVM 编译器将其转换为电路（门 + 约束）
3. 执行电路，生成 witness
4. 使用证明系统（如 STARK、Plonk）生成 succinct proof
5. 链上验证者验证证明，无需重复执行

这个过程中的电路设计和证明系统性能，是 zkVM 竞争力的关键。

主流 zkVM 框架对比表

开发者如何选择 zkVM？

结语：zkVM 的未来

zkVM 正在成为构建可信计算的“新计算范式”。

从加密货币走向链下 AI，从隐私保护走向跨链互操作，zkVM 所代表的是 程序 + 证明 的统一范式：

“你无需重复执行，只要验证我真的执行过” ——这就是 zkVM 的价值所在。

随着技术成熟，我们有理由相信 zkVM 会成为 Web3 基础设施中的“可信计算引擎”，并引领新一代应用场景的落地。