RAM:深入理解TinyRAM-ODAILY_iPRONTO

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。

美眾議院金融服務委員會：正深入研究如何更好地監管加密行業:金色財經報道，據官方推特消息，美國眾議院金融服務委員會正在關注加密貨幣作為長期投資的影響，并正在深入研究如何更好地監管這個快速增長的行業。[2021/7/1 0:18:18]

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：

報告：區塊鏈等技術深入應用為在線娛樂帶來發展機遇:7月30日，中國音像與數字出版協會游戲出版工作委員會和中國游戲產業研究院聯合發布《2020年1-6月中國游戲產業報告》，報告稱，5G、云計算、虛擬化技術、編碼技術、人工智能、區塊鏈、數據中心等一系列互聯網新技術的深入應用，將為在線娛樂和云端經濟帶來新的發展機遇。這些新技術將加快云游戲及 AR、VR等多終端游戲的發展和升級迭代，能有效提升用戶體驗。（界面）[2020/7/30]

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.

聲音 | 河北辛集副市長：大力推進“區塊鏈+智能制造”的深入融合:12月27日，河北省鋼鐵行業“區塊鏈+智能制造”主題峰會在石家莊辛集市舉行，峰會由河北省冶金行業協會、中國電信河北分公司、長城新媒體集團主辦。辛集市副市長牛軍波表示，冶金行業的發展對于辛集市的經濟建設起到舉足輕重的作用，目前鋼鐵行業的自動化、信息化的發展已具有良好的基礎。大力推進“區塊鏈+智能制造”的深入融合，可以為鋼鐵行業帶來全面的提升，在提高企業競爭力、打造優質產品方面提供有力支持。（長城網）[2019/12/27]

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。

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。

聲音 | 科藍軟件：與螞蟻金服在區塊鏈方面已有廣泛深入的合作:科藍軟件（SZ300663）董秘在互動平臺回復投資者就“恒生減持公司股票，對科藍和螞蟻金服的影響及數字金融行業公司有那些進展”提問表示，科藍與螞蟻在互聯網銀行的前臺、中臺、后臺產品和項目以及區塊鏈方面已經有廣泛深入的合作，雙方是戰略層面的合作，并且還在繼續深化以及向其他領域擴展。 根據恒生電子(75.300,?1.19,1.61%)9月26日發布的公告：“（恒生）公司所持的科藍軟件股票的前期浮動盈利已計入公司本年度凈利潤中，本次出售使得科藍軟件股票部分前期浮動盈利已經轉化為現金收益”，恒生在科藍屬于財務性投資，正常減持。恒生和科藍都屬金融科技公司，因細分領域不同，所以沒有產品和項目合作關系，其減持對科藍發展沒有任何影響！在正在召開的云棲大會上，公司剛剛獲頒“阿里云專有云首批行業ISV合作伙伴認證”，與螞蟻共創的“電子渠道逸平臺解決方案”也在上月通過了V3版本兼容性測試認證。毋庸置疑，國內數字金融行業正在起飛，公司未來會與螞蟻一起，將更多創新的產品提供給客戶。[2019/9/27]

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：

動態 | 南開大學新設金融科技研究中心 對區塊鏈等科研課題進行深入研究:7月13日，南開大學金融學院金融科技研究中心在天津成立。該中心內設南開大學金融學院金融科技創新實驗室，對金融以及人工智能、大數據、區塊鏈等科研課題進行深入研究，并推動與在金融科技領域全球領先的機構和專家廣泛合作，培養出優秀的研究人才和產業人才。[2018/7/13]

?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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