La elección de una arquitectura de conjunto de instrucciones (ISA) adecuada es uno de los pasos más cruciales en el desarrollo de máquinas virtuales basadas en pruebas de conocimiento cero (zkVM). En un contexto donde RISC-V se ha convertido en la opción predilecta para muchos proyectos recientes debido a su sistema modular, simplicidad y creciente ecosistema, el equipo de ZKM tomó una ruta distinta al seleccionar MIPS32r2 para su zkVM, conocido como zkMIPS. Esta decisión, lejos de ser un capricho, responde a un análisis profundo sobre cuál arquitectura se ajusta mejor a las necesidades específicas de cómputo verificable a escala, buscando optimizaciones clave tanto en el desempeño como en la eficiencia de las pruebas zk. Uno de los elementos fundamentales detrás de la elección de MIPS32r2 radica en su densidad de instrucciones. Esta arquitectura incluye un conjunto de comandos como MOVZ, MOVN y MADDU que facilitan codificar operaciones complejas en menos pasos.
Esto se traduce en programas más cortos y, lo que es igual de importante en zkVM, en rastros de ejecución más breves. En contraste, el conjunto básico de RISC-V, el RV32I, está diseñado como una base minimalista, donde para expresar operaciones equivalentes se requieren múltiples instrucciones, incrementando así tanto la longitud del código como del trazo de ejecución. En entornos zero-knowledge, donde la complejidad y el tamaño del rastro influyen directamente en la carga computacional de las pruebas, este aspecto es determinante. Otro factor técnico relevante es el formato de codificación. Aunque ambos ISAs utilizan instrucciones con formato fijo de 32 bits, MIPS32r2 mantiene esta uniformidad a lo largo de todo su repertorio de instrucciones, lo que simplifica la tarea de codificación y decodificación en el hardware o circuito.
RISC-V, por su parte, comienza con una base de 32 bits clara y sencilla, pero el uso práctico con frecuencia requiere integrar extensiones como las de multiplicación y división (M), atomics (A) o punto flotante (F). Esto introduce variabilidad en el formato de instrucciones y puede generar divergencias en la implementación, algo que complica la estandarización y afecta la consistencia que necesita un zkVM para manejar circuitos verificados de manera robusta. El flujo de control es una dimensión en la que MIPS32r2 también tiene ventajas notables para zkMIPS. Cuenta con soporte nativo para ejecución condicional a través de instrucciones específicas como MOVZ (move if zero), MOVN (move if not zero) y JAL (jump and link) que facilitan ramificaciones y llamadas a funciones de manera eficiente. RISC-V simula estos patrones mediante secuencias más largas de instrucciones simples, lo que aumenta el número total de pasos de ejecución y, en consecuencia, la superficie para imponer restricciones dentro del circuito del zkVM.
Esto se traduce en mayores consumos de recursos y tiempos más elevados en la generación y verificación de pruebas. Si bien la madurez del ecosistema a menudo pesa en las decisiones técnicas, en el caso de ZKM esta variable tomó un rumbo claro. MIPS32r2, con décadas de estandarización y uso en sistemas embebidos y productos comerciales, ofrece una estabilidad y definición fija que resulta crucial para integraciones de largo plazo en zkVMs. Por su parte, RISC-V es una propuesta de ISA más reciente, en crecimiento y con rápida adopción, pero aún sujeta a fragmentación y evolución en múltiples implementaciones y cadenas de herramientas, lo cual puede complicar el mantenimiento y la coherencia de la plataforma a lo largo del tiempo. Más allá de las características técnicas, la alineación de MIPS32r2 con los circuitos zero-knowledge es decisiva.
La densidad de sus instrucciones impacta directamente en la reducción del número total de operaciones necesarias para realizar un cálculo dado. En términos prácticos, esto se traduce en rastros de ejecución más compactos y una cantidad menor de restricciones que la prueba debe verificar. En cambio, los programas en RISC-V, debido a su simplicidad a nivel de instrucciones, requieren más pasos para lograr la misma funcionalidad, aumentando tanto la longitud del rastro como la complejidad del circuito, lo que repercute en mayores costos computacionales. Otro aspecto de gran relevancia para ZKM era la proveniencia y seguridad ya probadas en entornos críticos. MIPS cuenta con un legado de uso en sistemas claves como la máquina de pruebas fraud-proof de Optimism, entre otros, lo que implica un nivel probado de confianza en aplicaciones de alta seguridad y rendimiento.
RISC-V, aunque está comenzando a posicionarse en el ámbito de zkRollups, aún se encuentra en una fase de adopción temprana y sus despliegues en infraestructuras de alta criticidad son limitados, generando cierta incertidumbre sobre su robustez en escenarios extremos. En cuanto a la complejidad del rastro de ejecución, la densidad de las instrucciones en MIPS32r2 se refleja en un número menor de filas requeridas para registrar la ejecución, lo que reduce costosos procesos de compromiso y verificación dentro de la prueba de conocimiento cero. A pesar de que cada instrucción MIPS puede tener un coste mayor a nivel de circuitos por su complejidad interna, el menor total de instrucciones por programa produce una carga acumulativa inferior en comparación con RISC-V. Finalmente, aunque pueda parecer que los opcodes más simples e independientes de RISC-V facilitan la construcción desde cero, la realidad en zkVMs es distinta. La necesidad de encadenar múltiples instrucciones para expresar operaciones sofisticadas incrementa el área total del circuito requerido para representar un programa completo.
Contrario a esto, MIPS32r2 permite una representación más compacta y directa de la lógica, beneficiando el diseño escalable y el rendimiento del zkMIPS. La decisión de ZKM de no seguir el camino más fácil al adoptar MIPS32r2 en lugar de RISC-V refleja un compromiso por crear una base sólida y eficiente para la computación verificable. Optar por esta arquitectura más compleja pero ventajosa significa que los desarrolladores que construyan sobre zkMIPS heredarán un entorno de ejecución zk de alto rendimiento, consistente y con capacidad para escalar a gran volumen sin comprometer la seguridad ni la velocidad. En definitiva, la elección de MIPS32r2 encarna una visión técnica orientada a maximizar el potencial de las máquinas virtuales de conocimiento cero, reconociendo que la complejidad inicial en ingeniería se compensa con beneficios sustanciales en la operación, mantenimiento y seguridad del sistema. A medida que la industria de zkVMs continúa evolucionando, decisiones fundamentadas como esta sentarán las bases para nuevas generaciones de soluciones criptográficas y computacionales confiables en el ámbito blockchain y más allá.
Para quienes siguen el desarrollo de las tecnologías de prueba de conocimiento cero y su integración con hardware y software especializados, la experiencia de ZKM es un ejemplo ilustrativo de cómo priorizar cuestiones arquitectónicas puede marcar la diferencia entre soluciones convencionales y aquellas diseñadas para rendir al más alto nivel en escenarios de gran escala y exigencia.
