마이크로소프트, 일반 목적 컴퓨팅 위한 영지식 증명 기술 '마그네타' 공개

마그네타: 영지식 증명의 새로운 지평

마이크로소프트 리서치가 영지식 가상 머신(zkVM)인 '마그네타(Magnetar)'를 발표했다. 마그네타는 영지식 증명(Zero-Knowledge Proofs, ZKP) 기술의 주요 난제로 꼽히던 효율성, 범용성, 보안성을 동시에 해결하는 데 상당한 진전을 이룬다. 이 기술은 Rust, Go, C 등 주류 프로그래밍 언어로 작성된 프로그램을 RISC-V 프로세서 아키텍처에서 실행하고, 그 실행의 정확성을 증명하는 짧은 암호화 증명을 생성한다.

마그네타가 생성하는 증명은 프로그램 재실행이나 입력 데이터 공개 없이 수 밀리초 내에 검증할 수 있다. 이는 컴퓨터가 생성하는 모든 결과에 대해 '프로그램이 주장된 대로 실행되어 올바른 출력을 생성했는가?'라는 근본적인 질문에 답하는 방식을 변화시킨다. 기존에는 운영자, 공급업체, 계약, 감사, 로그 등에 대한 신뢰에 의존했지만, 마그네타는 결과와 함께 제공되는 증명을 통해 신뢰가 아닌 검증을 가능하게 한다.

영지식 증명 기술의 발전 배경

영지식 증명은 1980년대에 개념이 등장했으며, 프로그램 실행을 증명하는 아이디어는 거의 같은 시기에 제시되었다. 그러나 이 기술이 일반적인 도구로 채택되는 것을 막아온 세 가지 주요 난제가 있었다. 첫째, 증명 생성에 필요한 막대한 계산 오버헤드였다. 과거에는 프로그램 실행 자체보다 수백만 배 더 많은 계산이 필요했다. 둘째, 범용성과 사용성 문제로, 많은 증명 시스템은 개발자가 프로그램을 암호화 회로로 수동 변환해야 했으며, 이는 몇 달이 걸리고 보안 버그의 원인이 되기도 했다. 셋째, 보안 문제로, 많은 증명 시스템이 양자 컴퓨터에 취약한 타원 곡선 암호나 검증 기간이 짧은 새로운 암호화 함수에 의존했다.

마이크로소프트 리서치는 10년 이상 영지식 증명 및 검증 가능한 컴퓨팅의 실용화를 위해 연구해왔다. 초기 연구는 특정 계층 구조의 계산에만 적용되는 '합계 검사 프로토콜(sum-check protocol)'과 타원 곡선 암호를 사용하는 방식에 집중했다. 2019년에는 새로운 영지식 증명 시스템인 스파르탄(Spartan)이 신뢰할 수 있는 설정(trusted setup) 없이 일반 목적 프로그램에 합계 검사 접근 방식을 적용했다. 이후 팔랑스(Phalanx, 2021년)는 반복을 활용하여 스파르탄보다 한 자릿수 빠르게 계산을 증명하는 방법을 제시했으며, 노바(Nova) 계열 연구는 부분 결과를 접어 합치는 방식으로 모든 크기의 계산을 낮은 비용으로 증명할 수 있게 했다.

또한, 브레이크다운(Brakedown, 2021년)은 빠른 해시 기반 커밋먼트 방식을 도입하여 표준 해시 함수에만 의존하는 스파르탄 변형을 가능하게 했다. 스파이스(Spice), 라쏘(Lasso), 네뷸라(Nebula), 트위스트 앤 샤우트(Twist and Shout)는 일반 목적 프로세서의 핵심인 메모리 연산을 저렴하게 증명하는 방법을 개발했으며, 졸트(Jolt)는 이를 스파르탄과 결합하여 완전한 프로세서 실행을 효율적으로 증명할 수 있음을 보였다. 최근에는 바이너리 스파르탄(BinarySpartan)이 프로세서 논리와 표준 해시 함수를 효율적으로 표현할 수 있는 이진 필드에 스파르탄을 적용했다. 마그네타는 이러한 일련의 연구 결과들이 집약되어 세 가지 난제를 동시에 해결한 결과물이다.

마그네타의 핵심 기술 및 성능

마그네타는 RISC-V라는 개방형 프로세서 아키텍처의 실행을 증명하여 범용성을 확보한다. 개발자는 Rust, Go, C 언어로 프로그램을 작성하고 평소처럼 컴파일하면, 마그네타가 이를 그대로 증명한다. 이는 비즈니스 정책, 데이터 파이프라인, 이더리움 가상 머신(EVM) 인터프리터 등 어떤 프로그램이든 기존 엔지니어가 암호화 전문 지식 없이도 실행을 증명할 수 있음을 의미한다.

성능 면에서 마그네타는 노트북 환경에서 초당 720만~870만 프로세서 명령을 증명한다. 15가지 벤치마크 프로그램(암호화 해싱부터 소규모 EVM 인터프리터 내 토큰 전송까지)에서 기존 가장 빠른 영지식 가상 머신보다 평균 10~39배 빠른 성능을 보인다. 특정 토큰 전송 벤치마크에서는 다른 두 시스템보다 300배 이상 빠르다. 최적화된 마그네타는 초당 950만~1280만 사이클을 증명하여 속도 향상 폭을 약 1.3배 더 높인다. 생성된 증명은 약 12밀리초 만에 검증된다.

마그네타의 보안은 SHA-256 또는 SHA-3과 같은 표준 해시 함수에만 의존한다. 이는 타원 곡선, 격자 기반 암호, 특수 목적 해시 함수, 신뢰할 수 있는 설정, 또는 검증되지 않은 오류 수정 코드에 대한 수학적 추측을 필요로 하지 않는다. 표준 해시 함수는 암호화 툴킷에서 가장 철저히 연구된 기본 요소이며, NIST가 보수적인 양자 내성 옵션으로 표준화한 스테이트리스 해시 기반 서명의 기반이 된다. 이는 수십 년 후에도 신뢰할 수 있어야 하는 시스템에 대해 암호화 마이그레이션 로드맵에서 복잡성을 제거하는 이점을 제공한다.

개발자 및 사용자에게 미치는 영향

마그네타는 암호화 전문 지식이 없는 일반 엔지니어들도 영지식 증명을 활용할 수 있도록 한다. 이는 프로그램 실행의 정확성을 증명하는 것이 더 이상 전문가의 활동이 아닌, 일상적인 컴퓨팅의 한 부분이 될 수 있음을 의미한다. 예를 들어, AI 에이전트가 주어진 정책을 준수했음을 증명하거나, 규제 대상 금융 기관이 거래를 공개하지 않고도 올바르게 처리했음을 증명하는 등 새로운 신뢰 모델을 가능하게 한다.

이러한 변화는 컴퓨팅 결과에 대한 암호화 증명이 일상적인 출력이 되는 미래를 앞당긴다. 기술 리더들은 실행 증명의 실용성 여부에 대한 질문을 멈추고, 대신 어떤 결과를 신뢰 대신 검증할 것인지에 집중할 수 있게 된다.

적용 조건 및 한계

마그네타는 RISC-V 프로세서 아키텍처를 기반으로 하며, Rust, Go, C 언어로 작성된 프로그램에 적용된다. 보안은 SHA-256, SHA-3과 같은 표준 해시 함수에 전적으로 의존한다. 이는 장기적인 신뢰성을 제공하며, 향후 암호화 마이그레이션 로드맵에서 복잡성을 제거한다.

마그네타 증명 검증 과정 또한 표준 해시 함수 평가와 이진 필드 연산으로 구성되어, 마그네타가 효율적으로 증명하는 작업과 동일하다. 이러한 설계 덕분에 마그네타는 대규모 연산을 조각으로 나누어 증명하고 결합함으로써 어떤 크기의 연산이든 증명할 수 있다. 이는 원장(ledger)이나 블록체인과 같은 장기 실행 시스템의 증명에도 적합하다. 원문에서는 마그네타의 명시적인 한계보다는 기존 기술의 한계를 극복한 점을 주로 강조한다.