Toàn đồng hình mã hóa (FHE) từ lâu đã được coi là viên ngọc quý của mật mã học. Vào ngày 20 tháng 7 năm 2020, Vitalik Buterin đã nhấn mạnh tầm quan trọng của nó trong một bài viết trên blog. Gần đây, vào ngày 5 tháng 5 năm 2023, Vitalik đã khơi dậy sự quan tâm của mọi người đối với FHE bằng cách chia sẻ bài viết "Khám phá toàn đồng hình mã hóa" trên X, và chỉ ra rằng "nhiều người quan tâm đến FHE".

Sự quan tâm ngày càng tăng này cũng được thể hiện trong lĩnh vực đầu tư mạo hiểm về tiền mã hóa. Vào tháng 3 năm 2023, công ty FHE Zama đã thông báo hoàn thành vòng gọi vốn A trị giá 73 triệu USD do Multicoin và Protocol Labs dẫn đầu, thu hút sự chú ý lớn từ thị trường. >

FHE là gì

Toàn đồng hình mã hóa (FHE) lần đầu tiên được thảo luận vào những năm 70 của thế kỷ 20, nhưng luôn gặp khó khăn trong việc thực hiện. Ý tưởng cơ bản của nó là mã hóa dữ liệu và thực hiện tính toán trên dữ liệu đó mà không cần giải mã. Ban đầu, chỉ có thể thực hiện các phép toán đơn giản như phép cộng hoặc phép nhân trên dữ liệu đã mã hóa, điều này được gọi là mã hóa đồng hình một phần. Bước đột phá xảy ra vào năm 2009, khi Craig Gentry trình bày rằng có thể thực hiện bất kỳ phép toán nào trên dữ liệu đã mã hóa, dẫn đến sự phát triển của toàn đồng hình mã hóa.

FHE là một hình thức mã hóa tiên tiến, cho phép thực hiện tính toán trên dữ liệu đã mã hóa mà không cần giải mã trước. Điều này có nghĩa là có thể thực hiện các phép toán trên văn bản mã hóa (dữ liệu đã mã hóa) để tạo ra kết quả mã hóa, và khi giải mã, kết quả đó sẽ tương đương với kết quả của các phép toán trên văn bản rõ (dữ liệu chưa mã hóa). >

Các đặc điểm chính của toàn đồng hình mã hóa

Tính đồng hình

• Phép cộng: Thực hiện phép cộng trên văn bản mã hóa tương đương với thực hiện phép cộng trên văn bản rõ.

𝐸(𝑎+𝑏)=𝐸(𝑎)+𝐸(𝑏)

• Phép nhân: Thực hiện phép nhân trên văn bản mã hóa tương đương với thực hiện phép nhân trên văn bản rõ.

𝐸(𝑎×𝑏)=𝐸(𝑎)×𝐸(𝑏)

• Quản lý tiếng ồn: Khi sử dụng FHE để mã hóa dữ liệu, tiếng ồn sẽ được thêm vào văn bản mã hóa để đảm bảo tính bảo mật. Tuy nhiên, tiếng ồn này sẽ tăng lên sau mỗi phép toán. Việc quản lý và giảm thiểu tiếng ồn là rất quan trọng, vì nếu tiếng ồn trở nên quá lớn, tính toán có thể trở nên không chính xác hoặc thất bại.

• Phép toán vô hạn: Khác với mã hóa đồng hình một phần (PHE) chỉ hỗ trợ một phép toán (phép cộng hoặc phép nhân) và mã hóa đồng hình một phần có giới hạn số lần thực hiện (SHE), FHE hỗ trợ vô hạn phép cộng và phép nhân. Điều này cho phép thực hiện bất kỳ loại tính toán nào trên dữ liệu đã mã hóa.

Nói một cách chính xác, toàn đồng hình mã hóa là một trường hợp đặc biệt của mã hóa đồng hình. Mã hóa đồng hình có nghĩa là thực hiện phép cộng hoặc phép nhân trên văn bản mã hóa tương đương với thực hiện các phép toán tương tự trên văn bản rõ, tức là:

𝐸(𝑎+𝑏)=𝐸(𝑎)+𝐸(𝑏)

𝐸(𝑎×𝑏)=𝐸(𝑎)×𝐸(𝑏)

Trong ngữ cảnh này, a và E(a), b và E(b) có thể được coi là tương đương. Tuy nhiên, cần lưu ý hai thách thức quan trọng:

• Tính tương đương giữa văn bản rõ và văn bản mã hóa liên quan đến việc thêm một số tiếng ồn vào văn bản rõ trước khi thực hiện các phép toán để có được văn bản mã hóa. Nếu tiếng ồn gây ra độ lệch lớn, tính toán có thể thất bại. Do đó, việc kiểm soát tiếng ồn là rất quan trọng đối với các thuật toán khác nhau.

• Chi phí của phép cộng và phép nhân là rất lớn. Tính toán trên văn bản mã hóa có thể tốn kém gấp 10.000 đến 1.000.000 lần so với tính toán trên văn bản rõ. Chỉ khi có thể thực hiện vô hạn phép cộng và phép nhân trên văn bản mã hóa, thì toàn đồng hình mã hóa mới được thực hiện.

Các loại mã hóa đồng hình khác nhau có giá trị độc đáo trong các lĩnh vực của chúng và có thể được phân loại như sau dựa trên mức độ thực hiện của chúng:

• Loại mã hóa đồng hình một phần (PHE): Hỗ trợ một phép toán (phép cộng hoặc phép nhân) với số lần thực hiện vô hạn. Ví dụ, RSA là đồng hình một phần trong phép nhân.

• Mã hóa đồng hình một phần (SHE): Hỗ trợ phép cộng và phép nhân, nhưng số lần có giới hạn. Điều này rất hữu ích cho các ứng dụng cụ thể chỉ cần một số phép toán ít ỏi.

• Toàn đồng hình mã hóa (FHE): Hỗ trợ vô hạn phép cộng và phép nhân, cho phép thực hiện bất kỳ tính toán nào trên dữ liệu đã mã hóa. Điều này làm cho FHE trở nên rất mạnh mẽ, nhưng cũng đòi hỏi tính toán cao.

Lợi thế chính của FHE là khả năng thực hiện bất kỳ loại tính toán nào trên dữ liệu đã mã hóa, đảm bảo tính riêng tư và bảo mật trong toàn bộ quá trình tính toán. >

Ứng dụng của FHE trong blockchain

Vitalik chỉ ra rằng FHE có thể trở thành công nghệ then chốt cho khả năng mở rộng và bảo vệ quyền riêng tư của blockchain. Hiện tại, blockchain mặc định là minh bạch, mọi giao dịch và biến số hợp đồng thông minh đều công khai. FHE có thể biến blockchain hoàn toàn minh bạch thành một hình thức mã hóa một phần, trong khi vẫn được kiểm soát bởi hợp đồng thông minh.

Ví dụ, Zama đang phát triển một máy ảo FHE, cho phép lập trình viên viết mã Solidity để thao tác các nguyên lý FHE. Phương pháp này có thể giải quyết các vấn đề về quyền riêng tư hiện nay trên blockchain, cho phép các trường hợp sử dụng như thanh toán mã hóa, máy đánh bạc và sòng bạc, đồng thời giữ lại biểu đồ giao dịch, làm cho nó thân thiện hơn với quy định so với các giải pháp như Tornado Cash.

Một ứng dụng quan trọng khác của FHE là cải thiện khả năng sử dụng của các dự án quyền riêng tư. Các dự án như Zcash, Aztec và Tornado Cash gặp phải các vấn đề lớn về khả năng sử dụng, chẳng hạn như thời gian truy xuất thông tin số dư dài và độ trễ đồng bộ. FHE cung cấp giải pháp thông qua truy xuất tin nhắn quyền riêng tư (OMR), cho phép khách hàng ví đồng bộ mà không tiết lộ nội dung truy cập.

Tuy nhiên, FHE không thể giải quyết trực tiếp các vấn đề về khả năng mở rộng blockchain như công nghệ Rollup. Kết hợp FHE với chứng minh không kiến thức (ZKP) có thể giải quyết một số thách thức về khả năng mở rộng. FHE có thể xác minh đảm bảo rằng tính toán được thực hiện đúng cách, tương tự như ZK Rollups, cung cấp cơ chế tính toán đáng tin cậy cho môi trường blockchain. >

Mối quan hệ giữa FHE và chứng minh không kiến thức (ZKP)

FHE và ZKP là các công nghệ bổ sung cho nhau, nhưng phục vụ các mục đích khác nhau. ZKP cho phép tính toán có thể xác minh và thuộc tính không kiến thức, cung cấp quyền riêng tư cho trạng thái riêng tư. Tuy nhiên, ZKP không cung cấp quyền riêng tư cho trạng thái chia sẻ, điều này rất quan trọng đối với các nền tảng hợp đồng thông minh không cần giấy phép như Uniswap. Lúc này, FHE và tính toán đa bên (MPC) phát huy tác dụng, cho phép thực hiện tính toán trên dữ liệu đã mã hóa mà không tiết lộ chính dữ liệu đó.

Kết hợp ZKP và FHE sẽ làm tăng đáng kể độ phức tạp của tính toán, trừ khi các trường hợp sử dụng cụ thể yêu cầu, nếu không sẽ không thực tế.

>

Giai đoạn hiện tại và triển vọng tương lai của FHE

FHE đang phát triển chậm hơn ZKP khoảng ba đến bốn năm, nhưng đang nhanh chóng bắt kịp. Các dự án FHE thế hệ đầu tiên đang khởi động mạng thử nghiệm, và mạng chính dự kiến sẽ được phát hành vào cuối năm nay. Mặc dù FHE vẫn có chi phí tính toán cao hơn ZKP, nhưng tiềm năng áp dụng quy mô lớn đang đến gần. Khi FHE đi vào sản xuất và mở rộng, dự kiến sẽ phát triển nhanh chóng như ZK Rollups.

Thách thức và nút thắt

Việc áp dụng FHE đối mặt với một số thách thức, bao gồm hiệu quả tính toán và quản lý khóa. Các phép toán tự khởi động trong FHE rất tốn kém về tính toán, nhưng đang được cải thiện nhờ sự tiến bộ của thuật toán và tối ưu hóa kỹ thuật. Đối với các trường hợp sử dụng cụ thể như học máy (ML), các giải pháp thay thế không sử dụng phép toán tự khởi động có thể hiệu quả hơn.

Quản lý khóa cũng mang lại thách thức. Các dự án như fhEVM của Zama, Inco hoặc Phoenix cần quản lý khóa ngưỡng, liên quan đến một nhóm các xác thực viên có khả năng giải mã. Phương pháp này cần phát triển thêm để vượt qua vấn đề điểm lỗi đơn.

Trường hợp sử dụng:

>

Tình trạng thị trường FHE

Các công ty đầu tư mạo hiểm tiền mã hóa như 1kx đã tích cực đầu tư vào lĩnh vực FHE, nhận ra tiềm năng của nó. 1kx đã dẫn đầu đầu tư vào dự án Inco được xây dựng trên nền tảng Zama, tập trung vào các trường hợp sử dụng của fhEVM. Inco đang phát triển các ứng dụng như máy đánh bạc, sòng bạc, thanh toán thương mại và trò chơi cùng với các đối tác.

FHE ngưỡng (TFHE) kết hợp FHE với MPC và blockchain, đặc biệt có triển vọng, mở ra các trường hợp sử dụng mới. Tính thân thiện với nhà phát triển của FHE cho phép lập trình bằng Solidity, làm cho nó vừa thực tiễn vừa khả thi trong phát triển ứng dụng. >

Cảnh quan cạnh tranh

Arcium (trước đây là Elusiv)

Arcium là một mạng DePIN trên Solana, dành cho tính toán bí mật song song. Được thành lập bởi Yannik Schrade, Julian Deschler, Nicolas Schapeler và Lukas Steiner, vào ngày 8 tháng 5 năm 2024, đã đổi tên từ giao thức quyền riêng tư tuân thủ dựa trên zk là Elusiv thành Arcium.

Arcium hỗ trợ các nhà phát triển và ứng dụng trong DeFi, DePIN, AI, thông qua việc gọi các lớp DA và lớp đồng thuận của blockchain cơ sở, cung cấp khả năng tính toán bí mật không cần tin cậy, có thể xác minh và hiệu suất cao. Nó không phải là một blockchain, nhưng cho phép các nhà phát triển triển khai hợp đồng thông minh bí mật trên các blockchain khác nhau, đồng thời cung cấp khả năng cấu hình mô hình tin cậy của lớp blockchain theo yêu cầu cho người dùng không phải blockchain.

Vào tháng 5 năm 2024, Arcium đã hoàn thành vòng gọi vốn chiến lược trị giá 5,5 triệu USD, do Greenfield Capital dẫn đầu, với sự tham gia của Coinbase Ventures, Heartcore Capital, Longhash VC, L2 Iterative Ventures, Stake Facilities, Smape Capital, Everstake, đồng sáng lập Solana Anatoly Yakovenko và đồng sáng lập Monad Keone Han.

Cysic

Cysic là một công ty tăng tốc phần cứng chuyên về việc tạo ra và xác minh chứng minh không kiến thức (ZK) theo thời gian thực. Họ cung cấp dịch vụ tính toán ZK (ZK-CaaS) dựa trên các chip ASIC, FPGA và GPU độc quyền. Cysic đã phát triển phần cứng FPGA và có kế hoạch ra mắt các chip/thiết bị ZK DePIN mang tên ZK Air và ZK Pro, sẽ hình thành Mạng Prover của DePIN.

Vào tháng 2 năm 2023, Cysic đã hoàn thành vòng gọi vốn hạt giống trị giá 6 triệu USD do Polychain Capital dẫn đầu, với sự tham gia của HashKey, SNZ Holding, ABCDE, A&T Capital và Web3.com Foundation.

Zama

Zama là một công ty mật mã học mã nguồn mở, phát triển các giải pháp FHE cho blockchain và AI. Được thành lập vào đầu năm 2020 bởi Hindi và nhà mật mã học nổi tiếng, một trong những người phát minh ra FHE là Pascal Paillier, Zama cung cấp các giải pháp FHE cho các dự án Web3, như thư viện TFHE-re, trình biên dịch TFHE Concrete, học máy bảo vệ quyền riêng tư Concrete ML và hợp đồng thông minh bí mật fhEVM.

Zama tập trung vào TFHE (toàn đồng hình mã hóa ngưỡng), TFHE-re được triển khai bằng Rust thuần túy, cho phép mã hóa các phép toán Boolean và số nguyên, cho phép các nhà phát triển và nhà nghiên cứu kiểm soát chi tiết TFHE để đạt được các chức năng nâng cao. fhEVM tích hợp TFHE-re vào EVM, cho phép các phép toán đồng hình như các hợp đồng đã biên dịch mà không cần sửa đổi công cụ biên dịch.

Vào ngày 7 tháng 3 năm 2024, Zama đã hoàn thành vòng gọi vốn A trị giá 73 triệu USD do Multicoin Capital và Protocol Labs dẫn đầu, với sự tham gia của Metaplanet, Blockchange Ventures, Vsquared Ventures, Stake Capital, người sáng lập Filecoin Juan Benet, đồng sáng lập Solana Anatoly Yakovenko và đồng sáng lập Ethereum Gavin Wood. Số tiền sẽ được sử dụng để tiếp tục nghiên cứu và phát triển các công cụ FHE của họ.

Sunscreen

Sunscreen là một công ty khởi nghiệp về quyền riêng tư, giúp các kỹ sư sử dụng công nghệ mã hóa như FHE để xây dựng và triển khai các ứng dụng riêng tư. Họ đã mã nguồn mở trình biên dịch FHE, một trình biên dịch gốc Web3, chuyển đổi các hàm Rust tiêu chuẩn thành các hàm FHE riêng tư tương đương, cung cấp các phép toán số học với hiệu suất tối ưu mà không cần tăng tốc phần cứng. Trình biên dịch cũng hỗ trợ các phương pháp FHE BFV, đang phát triển trình biên dịch tương thích với ZKP để đảm bảo tính toàn vẹn của tính toán khi kết hợp với FHE.

Vào tháng 7 năm 2022, Sunscreen đã hoàn thành vòng gọi vốn hạt giống trị giá 4,65 triệu USD do Polychain Capital dẫn đầu, với sự tham gia của Northzone, Coinbase Ventures, dao5 và các cá nhân như Naval Ravikan, Tux Pacific.

Octra

Octra là một mạng blockchain FHE hỗ trợ môi trường thực thi tách biệt, đề xuất một loại FHE mới gọi là HFHE (toàn đồng hình mã hóa đồng hình), hoạt động trên siêu đồ thị. Theo tài liệu chính thức, HFHE có thể tương thích với bất kỳ dự án nào và hoạt động độc lập. Phần lớn mã nguồn của Octra được phát triển bằng OCaml, AST, ReasonML (cho hợp đồng thông minh và các ứng dụng tương tác với Octra) và C++. Phương pháp này tương đối mới, với ít thảo luận học thuật. Tính bảo mật của giải pháp chưa được xác minh và cần được xác minh thêm.

Fhenix

Fhenix là một Layer 2 (L2) Ethereum được hỗ trợ bởi FHE Rollups và FHE Coprocessors, hoàn toàn tương thích với EVM và Solidity, sử dụng FHE để thực hiện các hợp đồng thông minh bí mật trên chuỗi. Fhenix không sử dụng zkFHE, mà áp dụng Optimistic Rollup và FHE của Zama, thông qua fhEVM để đạt được tính bí mật trên chuỗi, tập trung vào TFHE (FHE ngưỡng).

Vào tháng 9 năm 2023, Fhenix đã hoàn thành vòng gọi vốn hạt giống trị giá 7 triệu USD do Sora Ventures, Multicoin Capital và Collider Ventures dẫn đầu, với sự tham gia của Node Capital, Bankless, HackVC, TaneLabs và Metaplanet. Mạng thử nghiệm công cộng sẽ được phát hành vào đầu năm 2024, hỗ trợ phát triển ứng dụng trong hệ sinh thái.

Mind Network

Mind Network là một lớp tái thế chấp FHE cho DePIN và AI, được hỗ trợ bởi Zama, nhằm hiện thực hóa "HTTPZ" (Internet mã hóa đầu cuối). Sản phẩm bao gồm giải pháp tái thế chấp FHE MindLayer, giao thức địa chỉ vô hình được ủy quyền FHE MindSAP, và FHE DataLake MindLake được xây dựng thông qua mạng xác minh FHE của MindLayer. Người dùng có thể tái thế chấp các token BTC và ETH LST vào Mind Network, đưa vào các xác thực viên tăng cường FHE, đảm bảo mã hóa đầu cuối trong quá trình xác minh và tính toán mạng AI và DePIN. Cơ chế đồng thuận PoI thông minh (Proof of Intelligence) cho các nhiệm vụ học máy AI đảm bảo phân phối công bằng và an toàn giữa các xác thực viên FHE. Tính toán FHE có thể được tăng tốc phần cứng. MindLake là một Rollup lưu trữ dữ liệu cho tính toán dữ liệu mã hóa trên chuỗi.

Vào tháng 6 năm 2023, Mind Network đã hoàn thành vòng gọi vốn hạt giống trị giá 2,5 triệu USD, với sự tham gia của Binance Labs, Comma3 Ventures, SevenX Ventures, HashKey Capital, Big Brain Holdings, Arweave SCP Ventures, Mandala Capital.

Inco

Inco Network là một blockchain Layer 1 tính toán bí mật mô-đun và lớp quyền riêng tư Web3, cung cấp bảo vệ quyền riêng tư cho các ứng dụng trên chuỗi. Nó kết hợp Ethereum EVM và FHE, được bảo vệ bởi EigenLayer, cho phép các chương trình thực hiện các phép toán và tính toán trên dữ liệu đã mã hóa mà không cần giải mã, sử dụng tính ngẫu nhiên nội bộ trên chuỗi. Inco đã ra mắt mạng thử nghiệm Gentry, giải quyết các thách thức bảo vệ quyền riêng tư trong Web3, hỗ trợ các ứng dụng như trò chơi, DeFi (bao gồm các bể đen, cho vay riêng tư và đấu giá mù), và các giải pháp doanh nghiệp (như stablecoin bí mật, RWA riêng tư và bỏ phiếu riêng tư).

Vào tháng 2 năm 2024, Inco Network đã hoàn thành vòng gọi vốn hạt giống trị giá 4,5 triệu USD do 1kx dẫn đầu, với sự tham gia của Circle Ventures, Robot Ventures, Portal VC, Alliance DAO, Big Brain Holdings, Symbolic, GSR, Polygon Ventures, Daedalus, Matter Labs và Fenbushi. >

Môi trường pháp lý cho công nghệ quyền riêng tư như FHE

Khác nhau ở các khu vực khác nhau. Mặc dù quyền riêng tư dữ liệu được hỗ trợ rộng rãi, quyền riêng tư tài chính vẫn là một lĩnh vực xám. FHE có tiềm năng tăng cường quyền riêng tư dữ liệu, cho phép người dùng giữ quyền sở hữu dữ liệu và có thể thu lợi từ nó, đồng thời duy trì các lợi ích xã hội như quảng cáo định hướng.

Nhìn về tương lai, những cải tiến dần dần về lý thuyết, phần mềm, phần cứng và thuật toán dự kiến sẽ làm cho FHE ngày càng thực tiễn hơn. Việc phát triển FHE hiện đang chuyển từ nghiên cứu lý thuyết sang ứng dụng thực tế, dự kiến sẽ có những tiến bộ đáng kể trong ba đến năm năm tới. >

Kết luận

Toàn đồng hình mã hóa (FHE) đang đứng trên bờ vực của một cuộc cách mạng trong lĩnh vực mật mã, cung cấp các giải pháp bảo mật và quyền riêng tư tiên tiến. Với những tiến bộ liên tục và sự quan tâm ngày càng tăng từ vốn đầu tư mạo hiểm, FHE có khả năng đạt được sự áp dụng quy mô lớn, giải quyết các vấn đề then chốt về khả năng mở rộng và bảo vệ quyền riêng tư của blockchain. Khi công nghệ trưởng thành, nó có khả năng mở khóa những khả năng mới, thúc đẩy sự đổi mới trong các ứng dụng khác nhau trong hệ sinh thái mật mã.