MamaBearZKP는 최신 CPU에서 고처리량 영지식증명(ZKP) 생성을 위해 49비트 소수 필드 'MamaBear'와 AVX-512IFMA 전용 벡터화 프레임워크를 결합한 공동설계 시스템이다. 필드 연산, 프로토콜 구조, 하드웨어 저수준 명령어를 하나의 최적화 대상으로 통합해 기존 방식으로는 놓치던 성능을 끌어냈다. HyperPlonk-DeepFold 프로버에 적용한 결과 단일 스레드 기준 Goldilocks 기반 대비 최대 42배, 8스레드 기준 최대 81배 속도 향상을 달성했으며, 이미 AVX-512 BabyBear를 쓰는 Plonky3 대비도 최대 18배 빠르다. 49비트 필드의 여유 공간이 지연 축소(lazy reduction)와 통합 데이터플로를 가능케 해 하드웨어 성능을 실제 처리량으로 전환한 것이 핵심이다.
- •49비트 소수 필드 MamaBear(p=2^49-2^34+1)와 AVX-512IFMA 전용 벡터화를 결합했다.
- •HyperPlonk-DeepFold 프로버에서 단일 스레드 최대 42배, 8스레드 최대 81배 속도 향상을 얻었다.
- •AVX-512 BabyBear 기반 Plonky3 대비도 단일 스레드 최대 18배 빠르다.
- •필드·프로토콜·하드웨어를 통합 최적화 대상으로 삼는 공동설계 접근이 핵심이다.
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MamaBearZKP: A Holistic Co-design of Prime Fields and Proving Stacks for High-Throughput ZKP on Modern CPUs
- 1.MamaBearZKP, 49비트 소수체 'MamaBear'와 AVX-512IFMA 벡터화로 ZK 증명 고속화
- 2.HyperPlonk-DeepFold 프로버서 단일스레드 최대 42배, 8스레드 최대 81배 속도 향상
- 3.AVX-512 BabyBear 쓰는 Plonky3 대비도 단일스레드 최대 18배 빠름
- 4.49비트 필드 여유로 지연감산 가능, 필드·프로토콜·하드웨어 통합설계가 핵심 요인
왜 중요한가?
Sum-check·FFT는 최신 ZK 증명 시스템의 최대 병목인데, 필드·프로토콜·하드웨어 계층을 통합 설계해 기존 최적화 CPU 백엔드(Plonky3)보다도 크게 앞서 실용적 ZK 증명 비용을 낮춘다.
영지식증명(ZKP)은 블록체인 확장성과 프라이버시를 위한 핵심 기술로, 이 연구는 현대 CPU에서 ZKP의 처리량을 높여 실제 적용 가능성을 대폭 개선합니다. 속도와 효율성이 중요한 한국의 탈중앙화 금융(DeFi) 및 고성능 블록체인 서비스 환경에서 이러한 기술 발전은 실질적인 상용화 발판을 마련할 것입니다.
본문 미리보기
Sum-check and Fast Fourier Transforms (FFTs) dominate the computational cost of modern zero-knowledge proving systems, such as HyperPlonk (Eurocrypt 2023) and FRI-based schemes like DeepFold (USENIX Security 2025). Despite numerous optimizations, existing efforts remain fragmented across algorithmic, protocol, and implementation layers, leaving significant CPU performance potential untapped. We present MamaBearZKP, a co-designed framework that bridges these layers to enable high-throughput ZK
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