Hệ sinh thái, ứng dụng triển khai và các nghiên cứu điển hình

Giới thiệu về hệ sinh thái FHE

Mã hóa đồng hình hoàn toàn (Fully Homomorphic Encryption - FHE) đã phát triển từ một khái niệm học thuật sang lĩnh vực hạ tầng bảo mật blockchain đang nổi lên. Nhiều startup, dự án mã nguồn mở và các chương trình thử nghiệm của tổ chức đã xuất hiện, ứng dụng FHE trong tính toán bảo mật. So với các bằng chứng không tiết lộ (zero-knowledge proofs) vốn nhanh chóng được tiêu chuẩn hóa và tích hợp vào các giải pháp mở rộng Layer-2, FHE vẫn đang ở giai đoạn đầu của chu kỳ ứng dụng. Tuy nhiên, năm 2024 và 2025 đã là các bước ngoặt quan trọng: thư viện mật mã cải tiến, nguyên mẫu phần cứng chuyên dụng và testnet hoạt động thực tế đã chuyển FHE từ phòng nghiên cứu sang triển khai thử nghiệm trên blockchain công khai và kiểm soát quyền truy cập.

Hệ sinh thái FHE gồm ba nhóm chính: nhóm phát triển mật mã lõi, các nhà cung cấp hạ tầng blockchain và các đơn vị phát triển ứng dụng. Nhóm phát triển lõi xây dựng, tối ưu các cấu trúc FHE, thư viện và trình biên dịch. Các nhà cung cấp hạ tầng tích hợp các thuật toán này vào môi trường tương thích EVM hoặc thiết kế lớp thực thi mới hỗ trợ mã hóa ngay từ đầu. Nhóm phát triển ứng dụng thử nghiệm các giải pháp DeFi bảo mật, quản trị phi tập trung và ứng dụng AI, khai thác framework nền để bảo vệ quyền riêng tư người dùng mà vẫn giữ sự phi tập trung.

Zama và FHEVM

Zama là một trong những đơn vị nổi bật thúc đẩy ứng dụng FHE trên blockchain. Được thành lập bởi các chuyên gia mật mã chuyên về mã hóa mạng lưới, Zama đã ra mắt fhEVM—một phiên bản Ethereum Virtual Machine tùy chỉnh để xử lý dữ liệu mã hóa nguyên bản. fhEVM mở rộng tập lệnh (opcode) tiêu chuẩn của EVM để hỗ trợ các phép toán và logic trên dữ liệu mã hóa, cho phép nhà phát triển xây dựng hợp đồng thông minh bằng Solidity mà chỉ cần thay đổi tối thiểu trong quy trình.

fhEVM ứng dụng TFHE, cấu trúc FHE ở cấp độ bit tối ưu cho khởi tạo nhanh và phép toán Boolean, lý tưởng cho logic hợp đồng thông minh. fhEVM thực hiện mã hóa cả trạng thái hợp đồng và dữ liệu giao dịch, bảo vệ các thông tin nhạy cảm như số dư, phiếu bầu quản trị hoặc thông tin sức khỏe. Mô hình này duy trì tính định tuyến và đồng thuận, đồng thời đảm bảo bảo mật đầu-cuối—yếu tố quan trọng với mạng công khai.

Năm 2024, Zama phát hành TFHE-rs (thư viện Rust mã nguồn mở triển khai TFHE) và Concrete (framework cấp cao xây dựng ứng dụng FHE). Các công cụ này trở thành nền tảng cho nhà phát triển thử nghiệm tính toán trên dữ liệu mã hóa cả on-chain và hybrid cloud-blockchain. Zama cũng đầu tư nghiên cứu phần cứng, ra mắt nguyên mẫu Homomorphic Processing Unit, giúp tối ưu chi phí hiệu năng khi khởi tạo.

Fhenix và confidential rollup

Fhenix tiếp cận bổ sung, phát triển confidential rollup trên Ethereum tích hợp FHE. Thay vì can thiệp trực tiếp vào EVM, Fhenix khai thác kiến trúc rollup để thực thi phép toán trên dữ liệu mã hóa ngoài chuỗi, rồi neo cam kết trạng thái lên Ethereum. Cách này giúp giảm chi phí gas và triển khai các khối lượng tính toán phức tạp vượt quá khả năng on-chain.

Kiến trúc Fhenix dùng bộ đồng xử lý FHE để xử lý giao dịch mã hóa do người dùng gửi lên. Bộ này tạo ra cập nhật trạng thái mã hóa, định kỳ đẩy lên Ethereum kèm bằng chứng mật mã về tính hợp lệ. Mô hình cân bằng giữa mở rộng và bảo mật: Ethereum bảo đảm an ninh và xác lập giao dịch, FHE đảm bảo thông tin người dùng không bao giờ xuất hiện ở dạng rõ khi thực thi.

Cuối năm 2024, Fhenix ra mắt testnet trình diễn các ứng dụng DeFi bảo mật như thị trường cho vay kín và đấu giá niêm phong. Lộ trình nhấn mạnh trải nghiệm nhà phát triển, cung cấp SDK Solidity đơn giản hóa quy trình mật mã. Việc tích hợp thẳng vào hệ công cụ Ethereum giúp giảm rào cản cho nhà phát triển muốn thử nghiệm hợp đồng thông minh mã hóa mà không cần học framework mới.

Mô hình hybrid và công nghệ bổ trợ

Zama và Fhenix minh họa hai hướng đi chính: sửa đổi EVM và xây dựng rollup, song nhiều dự án đang khám phá kiến trúc hybrid kết hợp FHE với các công nghệ bảo mật khác. Zero-knowledge proof thường dùng để xác thực đúng đắn của phép tính FHE mà không tiết lộ dữ liệu, tăng an toàn khi có đối thủ. Tính toán đa bên bảo mật cũng bổ trợ FHE trong các bài toán quản lý khóa hoặc giải mã cộng tác.

Mô hình hybrid đặc biệt phù hợp cho doanh nghiệp hoặc chính phủ, nơi đòi hỏi vừa bảo mật, vừa tuân thủ quy định và kiểm toán. Ví dụ, mạng y tế có thể ứng dụng FHE xử lý dữ liệu bệnh nhân mã hóa on-chain, kết hợp zero-knowledge proof để chứng minh tuân thủ luật bảo mật như GDPR hoặc HIPAA. Tổ chức tài chính cũng có thể phối hợp nhiều công nghệ để chứng minh năng lực thanh toán hoặc tính hợp lệ giao dịch mà không lộ vị thế giao dịch nhạy cảm.

Triển khai thực tế và thử nghiệm

Trong hai năm qua, các dự án FHE đầu tiên đã được triển khai trong môi trường blockchain, chủ yếu ở các lĩnh vực có yêu cầu bảo mật dữ liệu cao mà giải pháp hiện tại chưa đáp ứng.

Trong DeFi, một số giao thức thử nghiệm dùng FHE để xây dựng pool cho vay bảo mật, giúp bên đi vay và cho vay giao dịch mà không tiết lộ số tiền hoặc chi tiết tài sản lên sổ cái công khai. Các nguyên mẫu này khắc phục hạn chế lớn của DeFi hiện tại, nơi công khai vị thế dẫn đến nguy cơ bị thao túng hoặc lợi dụng chiến lược.

Ứng dụng quản trị cũng cho thấy tiềm năng của FHE. Một số DAO thử nghiệm bầu cử kín, phiếu bầu mã hóa được tổng hợp đồng hình, bảo đảm từng lá phiếu bí mật trong khi kết quả cuối vẫn xác thực. Cách này tăng sự đa dạng và giảm áp lực cho người tham gia trong cộng đồng phi tập trung.

Lĩnh vực y tế và quản lý danh tính mở ra cơ hội mới. Hợp đồng thông minh mã hóa xác minh quyền truy cập hoặc chia sẻ thông tin y tế mà không lộ dữ liệu gốc, hỗ trợ thử nghiệm lâm sàng bảo mật hoặc trao đổi dữ liệu bệnh nhân xuyên biên giới. Các mô hình này thường áp dụng trên blockchain kiểm soát quyền truy cập, dễ đáp ứng quy định pháp lý đồng thời vẫn giữ bảo mật mật mã.

Khả năng mở rộng: FHE rollup và tương lai

Khả năng mở rộng là thách thức chính của FHE trên blockchain. Dù đã có các thuật toán tối ưu như TFHE, thực thi toàn bộ phép toán trên dữ liệu mã hóa on-chain vẫn có chi phí cao. Thiết kế rollup, ví dụ Fhenix, giải quyết vấn đề bằng cách chuyển tính toán ra ngoài chuỗi và neo kết quả mã hóa lên lớp nền tảng. Rollup còn tích hợp bằng chứng xác thực để đảm bảo sự chính xác, kết hợp bảo mật FHE với khả năng mở rộng của Layer-2.

Nghiên cứu môi trường thực thi dạng mô-đun mở ra viễn cảnh FHE đồng tồn tại cùng zero-knowledge và optimistic rollup. Nhà phát triển có thể chọn lớp thực thi dựa vào nhu cầu bảo mật và hiệu năng: zero-knowledge rollup cho xác thực phép toán, optimistic rollup cho tốc độ giao dịch, FHE rollup cho bảo mật dữ liệu. Tương tác giữa các lớp này sẽ tạo nền tảng cho các ứng dụng phi tập trung phức tạp, kết hợp linh hoạt giữa công khai, bảo mật và bán bảo mật.

Tiêu chuẩn hóa và hợp tác

Năm 2025, quá trình tiêu chuẩn hóa FHE ghi nhận bước tiến quan trọng. Liên minh HomomorphicEncryption.org cùng sáng kiến mật mã hậu lượng tử của NIST đang thảo luận về API chung, tham số bảo mật và benchmark cho các thuật toán đồng hình. Việc chuẩn hóa này rất cần thiết để các thư viện và blockchain tương tác dễ dàng, đảm bảo hợp đồng mã hóa xây trên một nền tảng có thể chuyển đổi hoặc giao tiếp với nền tảng khác mà không cần thiết kế lại.

Hợp tác giữa các viện nghiên cứu, startup mật mã và quỹ blockchain lớn ngày càng thúc đẩy tiến trình nghiên cứu và triển khai. Các khoản tài trợ, ví dụ từ Ethereum Foundation cho FHEVM hoặc thử nghiệm liên chuỗi với hệ sinh thái Cosmos, Polkadot, tạo sự liên kết trong hệ sinh thái. Những hợp tác này là chìa khóa để vượt rào cản học thuật và kỹ thuật vốn hạn chế quá trình ứng dụng FHE trước đây.