EVM 變 RISC-V？ 聊聊 RISC-V 的前世今生和 Web3 領域的應用

一、引言

區塊鏈作為一種新型的分佈式計算平台，其底層並不僅僅是數據結構或加密算法，更是一種運行環境的革命。 從智能合約的執行到跨鏈驗證、從去中心化應用（DApp）到零知識證明（ZKP）的生成，一切鏈上行為最終都需要被一種形式的解釋與執行。 而支撐虛擬機運行的底層，是一個通常被忽視卻極其關鍵的部分：。

傳統區塊鏈系統中，我們習慣性地認為，它只與編程語言和運行時相關。 以太坊的 EVM 就是一種為智能合約定制的堆棧式虛擬機，Polkadot 和 Near 等則使用了 WebAssembly（WASM）作為運行時標準。 然而，隨著區塊鏈朝向更高性能、可驗證性和可裁剪性的方向演進，一個不可忽視的趨勢正在出現：

1.1 區塊鏈與硬件指令集的關聯

在傳統操作系統中，指令集是操作系統與硬件之間的橋樑，抽象了處理器可以執行的操作。 在區塊鏈系統中，由於其“可驗證執行”和“跨平台確定性”的特點，虛擬機的行為不僅要正確，還要。 這種需求反過來倒逼虛擬機的指令語義必須清晰、簡潔且行為確定，而這些特徵正是 RISC 架構設計初衷的一部分。

更重要的是，在零知識證明（zkp）、可信執行環境（TEE）和鏈下執行證明（Off-chain Proof）等場景中，，這使得 ISA 的可驗證性、結構簡潔性、標準化與開源程度成為至關重要的特性。 一個架構封閉、複雜模糊的 ISA 並不適合成為鏈上 VM 的長期基礎。

1.2 虛擬機在區塊鏈中的角色

在區塊鏈系統中，虛擬機的作用可以理解為“去中心化世界的 CPU”。 無論是部署在以太坊主網上的合約，還是運行在 Rollup、AppChain 上的 zkVM、MOVEVM，背後都有一個共同的問題：

主要的虛擬機方案包括：

• EVM（Ethereum Virtual Machine）：專為以太坊設計的堆棧式 VM，操作簡單，執行過程可追踪；

• WASM（WebAssembly）：通用、高性能虛擬機標準，受瀏覽器推動，現已被多個鏈採用；

• Move VM：源於 Libra 項目，強調資源控制和形式化驗證；

• zkVM / RISC-V VM：將執行建模為 zk 電路或 ISA 執行模型，用於高效生成零知識證明；

• Solana BPF VM：基於 Berkeley Packet Filter 擴展而來的安全 VM。

這些虛擬機雖然各有架構差異，但都面臨同一問題：在這個問題上，ISA 的角色愈發凸顯，尤其是具備可裁剪性和開源屬性的 ISA，比如 RISC-V。

1.3 為什麼關注 RISC-V：開源、輕量、可擴展性

在眾多 ISA 中，RISC-V 近年來迅速崛起，原因在於它解決了幾個長期存在的問題：

• 開源且無需授權：避免專利壁壘和許可風險，適合開源鏈項目與公共技術棧；

• 指令精簡、語義清晰：便於建模、形式化驗證和電路轉換；

• 模塊化擴展設計：可以只選用最小子集（如 RV32I）構建 VM，也可擴展 SIMD、Crypto 等指令；

• 活躍的生態：GCC/LLVM 等編譯器工具鏈已經全面支持，操作系統、模擬器與驗證框架也逐步完善；

• 全球化中立：基金會遷出美國，受到包括中國、歐洲等多方歡迎，有利於構建國際通用計算基礎。

對區塊鏈而言，RISC-V 提供了一種低門檻、高可控性的執行平台，既能運行鏈上合約，也可以嵌入電路生成 zk 證明，或在可信硬件中執行敏感邏輯。

1.4 本文目標與結構簡介

本文將系統地探討 RISC-V 在區塊鏈領域的應用潛力，尤其是在虛擬機架構、執行環境設計與可驗證性計算方面的價值。 我們將從以下幾個部分展開：

在技術快速演進、共識成本不斷上升的今天，一個開源、通用且面向可驗證計算的執行架構，或許正是區塊鏈系統亟需的“新基建”。 RISC-V 能否承擔這一角色，本文將逐步展開論述。

二、關於 RISC-V

現代計算系統的核心，在於指令集架構（Instruction Set ARchitecture, ISA）如何定義軟件與硬件之間的交互協議。 RISC-V 正是在這樣一個系統核心層級上進行重新設計與開放共享的一次重大工程。 本章將深入剖析 RISC-V 的技術理念、與傳統主流 ISA 的對比優勢，以及其“開源 ISA”身份在產業層面的重要性。

2.1 RISC 的設計理念與簡潔指令集優勢

RISC-V 屬於精簡指令集（Reduced Instruction Set COMPuter, RISC）體系的代表作之一。 RISC 的設計思想源於 1980 年代對複雜指令集（CISC）計算機的反思，其基本假設是：

RISC 體系結構的核心理念包括：

• 固定長度指令：簡化譯碼和執行邏輯，提高指令吞吐；

• 寄存器優先：大部分操作限定在寄存器間，內存訪問最小化；

• 簡潔語義，單週期執行：降低實現複雜度，有利於流水線和亂序執行；

• 編譯器友好：將復雜指令轉交給編譯器組合完成，提高硬件通用性。

RISC-V 延續了上述 RISC 精神，並在此基礎上進一步強調：

• 模塊化設計：基礎指令集（如 RV32I）可以獨立使用，高級擴展如浮點、向量、壓縮指令可以按需添加；

• 簡潔且可形式化建模的語義：特別適合嵌入形式驗證系統或零知識電路；

• 清晰的用戶態與特權態劃分：有助於構建多級安全環境和虛擬化支持；

• 跨平台一致性強：指令行為標準統一，避免了歷史包袱和非文檔化特性。

簡言之，RISC-V 代表著一種“從零開始”的指令集重構嘗試，以現代編譯器、硬件工藝與系統需求為出發點，設計出更加開放、簡潔、可驗證的 ISA。

2.2 與 x86、ARM 等指令集的主要對比

RISC-V 的主要對手是當前市場上占主導地位的兩種架構：x86 和 ARM。 它們分別主導著桌面 / 服務器市場與移動 / 嵌入式市場。

從區塊鏈視角看，RISC-V 在以下方面具備天然優勢：

• 結構簡潔，電路友好：非常適合 zkVM 等對執行建模有強需求的系統；

• 許可自由，無法律障礙：無需擔心執行環境中的專利爭議，適合全球部署；

• 可裁剪性強：可以只使用 RV32I 等極小指令集構建輕量級 VM；

• 實現容易：無論是用 Verilog 重建處理器，還是在軟件中實現解釋器，都較為簡單。

x86 的複雜性與封閉性使其不適合被建模進鏈上環境；ARM 儘管技術先進，但授權限制嚴重，難以作為“鏈上通用計算標準”。 RISC-V 則因其開放性、簡潔性和適配性，成為鏈上執行平台的潛力選項。

2.3 開源 ISA 的產業意義

RISC-V 最具變革性的特質在於其“開放指令集”身份。 與操作系統、編譯器、數據庫等領域已經發生的開源浪潮類似，ISA 層的開源正催生一場新一輪的硬件生態重構。

其產業意義可以從以下幾個層面理解：

• 避免壟斷，降低門檻：中小芯片廠商和國家級科研機構無需支付高額授權費，即可合法開發兼容處理器；

• 促進創新與差異化：允許企業根據業務需求裁剪或擴展 ISA，形成差異化競爭，而不是依賴通用標準產品；

• 供應鏈安全：對於關注自主可控的國家和企業，RISC-V 提供了一種更可控的軟硬件基線；

• 軟件與電路的統一設計：開源 ISA 有利於軟硬件協同優化，特別是在高性能計算與可驗證計算領域；

• 全球協作平台：RISC-V International 基金會匯聚了學術、商業和開源社群，是跨界協作的橋樑。

在區塊鏈領域，這種開放架構的優勢更加明顯。 鏈上虛擬機需要高度透明、可定制、可驗證，而傳統閉源架構難以滿足這些需求。 RISC-V 的出現，為構建“鏈上可信硬件接口”與“可證明的計算層”提供了底層支持。

本章介紹了 RISC-V 背後的設計理念、與主流 ISA 的差異，以及其開源身份的深遠影響。 在理解這些特性之後，我們將在下一章中繼續追溯 RISC-V 的發展歷史，了解其從學術起源到全球產業化的演進路徑，為其如何在區塊鏈領域落地提供更紮實的背景。

三、RISC-V 的歷史

RISC-V 的誕生不是偶然，而是計算機體系結構發展數十年積累和反思的成果。 它源自學術界的研究，卻迅速走向了產業應用的前沿。 在區塊鍊等新興領域，RISC-V 的正逐步顯現出深遠影響。 為了更好地理解它為何適合區塊鏈虛擬機以及可信計算，我們需要從它的起源談起。

3.1 加州大學伯克利的起源背景

RISC-V 項目最早起源於 2010 年，由加州大學伯克利分校（UC Berkeley）計算機科學係發起。 它並不是第一個“RISC”架構——事實上，RISC（精簡指令集計算）這個概念本身就是 1980 年代初期由伯克利和斯坦福的研究者聯合推動的，當時的目標是通過精簡指令以提升流水線效率和實現成本。 早期著名的 RISC 架構包括 SPARC、MIPS 和 PoWerPC。

然而，這些早期架構雖然在學術界廣泛研究，卻普遍面臨、架構封閉和商業化失敗等問題。 進入 21 世紀，處理器架構逐漸被 ARM 與 x86 雙寡頭壟斷，導致學術界在教學和研究中難以使用一個真正開放、現代、可擴展的指令集。

RISC-V 就是在這樣的背景下誕生的：它從頭設計，目標是成為一個，既適合教學，也能服務產業。 其命名中的代表的是。

3.2 RISC-V 基金會與開源運動

隨著學術界對 RISC-V 的興趣升溫，越來越多的實驗室、研究人員和工程師開始參與相關工具鍊和處理器實現的開發。 為協調標準演進並推動產業化，（RISC-V Foundation）於 2015 年正式成立，初期成員包括 Google、NVIDIA、Western Digital、IBM、SiFive、Berkeley 等。

基金會明確 RISC-V 的架構規範將，這在商業世界引發了巨大的關注。 它成為處理器領域罕見的“開源基礎設施”，與 Linux、LLVM、OPEnCL 等類似，為企業提供可控且避免專利鎖定的選擇。

2019 年，由於對美國出口管制政策的擔憂，RISC-V 基金會將總部從美國遷至瑞士，體現其對中立性和全球開放合作的承諾。 此舉也進一步增強了其在國際社會中的可信度和影響力。

RISC-V 的開源浪潮也帶動了大量開源核心（如 Rocket、BOOM、PicoRV、CV32E40P）與 SoC 項目（如 OpenPiTON、OpenTitan、CHIPS Alliance），涵蓋從嵌入式微控制器到數據中心級別的處理器實現。

3.3 標準化進展：從基礎到擴展模塊

RISC-V 的架構規範設計非常注重“最小起步”與“可組合性”，其標準演進圍繞以下幾個層次：

• 基礎整數指令集：RV32I 與 RV64I，包含邏輯、算術、跳轉、加載 / 存儲等核心指令；

• 標準擴展模塊：M（乘除）、A（原子操作）、F/D（浮點）、C（壓縮）、V（向量）等；

• 特定領域擴展：如 T（可信執行）、P（信號處理 DSP）、Zks（零知識加速）等正在製定中；

• 特權級規範：包括 Machine/Supervisor/User 三個特權級定義，支持操作系統與虛擬化；

• 調試與二進制接口：如調試協議、ABI、函數調用約定等。

這種將 ISA 拆分為多個獨立模塊、分別版本管理並允許靈活組合的方式，為各類軟硬件系統提供了高度自由。 開發者可以根據目標平台裁剪所需功能，極大降低了芯片設計複雜度，也利於軟硬件協同演化。

在區塊鏈系統中，尤其是在資源受限或執行路徑可審計的 VM 架構中，這種“從指令層精確控制系統能力”的能力顯得尤為重要。

3.4 企業與學術界的採用情況

自 2018 年起，RISC-V 的產業化應用進入快速增長階段。 目前已有上百家公司和機構採用或試驗 RISC-V 架構，包括但不限於：

• 處理器初創公司：如 SiFive、Tenstorrent、Esperanto、StarFive，聚焦高性能與低功耗；

• 傳統半導體公司：如 Intel（投資 RISC-V 初創）、Qualcomm、Samsung、Microchip；

• 存儲與嵌入式領域：Western Digital 宣布未來大部分芯片基於 RISC-V；ESP32-C 系列也轉向 RISC-V；

• 操作系統與工具鏈支持：Linux、Zephyr、FreeRTOS、Rust、GCC、LLVM 等全面支持；

• 高校與研究機構：MIT、清華、浙大、ETH Zurich、IIT 等廣泛用於教學與實驗；

尤其在中國，RISC-V 得到國家政策和產業鏈的大力推動，湧現出如阿里平頭哥、中科院、中微公司等多個相關項目。 其架構開放的優勢被視為可擺脫國外 IP 依賴的戰略選擇。

在區塊鏈領域，越來越多團隊也在嘗試構建基於 RISC-V 的虛擬機或鏈上執行環境，例如：

• ZKWasm + RISC-V：將 zkVM 編譯為 RISC-V 目標架構，利用其 ISA 可組合性壓縮電路複雜度；

• 以太坊 EVM Object Format (EOF) 與 RISC-V：討論將 EVM 字節碼轉換為 RISC-V IR 以提升效率；

• OpenZKP + RISC-V：通過將 RISC-V 編譯路徑嵌入 ZKP 電路，提升證明與驗證性能。

小結

RISC-V 的歷史是一段從學術萌芽走向全球產業革命的旅程。 它不僅是對封閉體系結構的一次挑戰，更是一場開源思維在計算平台領域的勝利。 對於區塊鏈系統而言，RISC-V 不只是一個處理器架構，它可能是一種未來可信計算、開放虛擬機、鏈上執行模型的底層基石。

四、RISC-V 指令集簡介

RISC-V 作為一套開源指令集架構（ISA），其最核心的特性之一便是與。 這一特性不僅使其在學術與工業界迅速流行，也使其具備天然的靈活性和適應性，尤其適用於高度定制化的場景，比如區塊鏈虛擬機。 在這一章中，我們將系統地介紹 RISC-V 指令集的組成、擴展模塊、自定義機制及其對區塊鏈領域的潛在價值。

4.1 基礎指令集（RV32I / RV64I）

RISC-V 的設計從一個最小可用的基礎開始，這就是所謂的和，分別對應 32 位和 64 位整數架構的基本指令集。 “I”代表 Integer，即整數操作指令集，涵蓋了程序執行的基本構建塊：算術運算、邏輯操作、條件分支、內存訪問和跳轉等。

RV32I 包含大約 47 條基礎指令，這些指令採用固定長度編碼，通常為 32 位，這種定長格式使得指令解碼邏輯簡單，硬件實現成本低廉。 而 RV64I 則在此基礎上擴展了對 64 位整數的支持，適用於性能更強、內存尋址空間更大的應用場景。

所有 RISC-V 實現都必須支持一個最小子集，即 RV32I 或 RV64I，這為軟硬件開發者提供了清晰的起點。

4.2 模塊化擴展設計

與傳統封閉 ISA 不同，RISC-V 採用模塊化架構，允許在基礎指令集之上選擇性添加各種功能模塊。 這些模塊以單字母命名，並可以通過組合構成完整的指令集配置。 例如，RV64IMAC 代表了一個 64 位架構，支持整數乘除（M）、原子操作（A）和壓縮指令（C）。

常見擴展包括：

M 擴展增加了對乘法與除法的硬件支持，尤其是對多精度整數運算有重要意義。 在區塊鏈場景中，如哈希計算、大整數操作等，都能從中獲益。

A 擴展提供原子讀 - 改 - 寫指令，如 LR/SC（Load-Reserved/Store-Conditional），是實現多線程同步與並發計算的關鍵。 在鏈上多核執行環境或可信執行環境中尤為重要。

F 擴展支持單精度浮點運算，D 擴展則支持雙精度。 這類擴展目前在主流區塊鏈虛擬機中使用不多，但在模擬經濟模型、鏈上科學計算等場景中存在潛在應用空間。

C 擴展允許將部分 32 位指令壓縮為 16 位形式，顯著提升代碼密度。 這對於存儲資源緊張的嵌入式設備、邊緣節點或輕節點區塊鏈終端具有重要意義。

V 擴展為 RISC-V 提供了向量處理能力，支持大規模並行數據操作，是密碼學、零知識證明（ZKP）等高強度計算任務的理想工具。 與 SIMD 相似，V 擴展在支持橢圓曲線運算、多哈希並行、SNARK/ZK-STARK 預處理等方面具有很大潛力。

4.3 自定義指令支持

RISC-V 的另一關鍵特性是。 用戶或企業可在保持標準 ISA 兼容的前提下，增加自己的自定義指令。 這種機制不僅利於專用硬件優化，也非常適合區塊鍊等領域中存在高頻特定算法調用的場景，例如：

• BLS 簽名驗證指令（定制化加速器）；

• SHA-256、Keccak 等哈希指令；

• 零知識證明電路預編譯指令集；

• 可證明計算（proof-carrying code）指令優化。

通過這種方式，開發者可以在不破壞生態統一的情況下，實現軟硬件協同加速。

4.4 指令集規範與版本控制

RISC-V 的標準由 RISC-V 國際組織製定與維護，採用模塊化版本控制機制。 每一個擴展模塊都有自己的獨立版本號，這有助於不同廠商和開發者在實現時保持兼容性。

當前主流版本為 2.x 系列，如 RV64GC v2.2（其中 G 表示通用指令集的組合，包括 IMAFD）。 這種結構不僅利於版本升級，也方便不同應用場景裁剪配置。

4.5 工具鏈與調試生態

得益於開源社區的活躍發展，RISC-V 擁有完備的工具鏈支持：

• 編譯器：GCC 與 LLVM/Clang 對 RISC-V 提供全面支持；

• 模擬器：Spike（官方 ISA 參考模型）、QEMU（用戶級與系統級仿真）、Renode（硬件級協同模擬）；

• 調試工具：GDB 支持 RISC-V 調試，OpenOCD 等也支持 JTAG 調試接口；

• 語言支持：Rust 編譯器亦已支持 RISC-V 平台，便於在鏈上構建安全可信的執行環境。

這些工具共同構成了構建 RISC-V 區塊鏈虛擬機或軟硬件協同平台的基礎設施。

小結

RISC-V 指令集以其，正逐步改變底層計算平台的格局。 對於追求安全性、確定性、靈活性與性能平衡的區塊鏈系統而言，RISC-V 提供了一種全新的可能：我們不僅可以為某類虛擬機設計定制指令集，還能讓硬件與區塊鏈系統深度融合，在無需授權的情況下完成創新探索。 這也許是區塊鏈計算範式演化的重要一步。

五、RISC-V 生態與發展

指令集的生命力不止取決於其技術本身，更依賴於圍繞它所建立的生態系統。 RISC-V 作為一個相對“年輕”的指令集，自 2010 年正式提出以來，已在不到十五年的時間裡迅速發展出龐大的上下游體系。 本章將從芯片實現、開發工具鏈、操作系統與模擬器支持，以及國際政策四個方面，全面剖析 RISC-V 的生態與發展現狀。

5.1 芯片與 SoC 實現現狀

RISC-V 的最大成功之一在於其“落地速度”。 相較歷史悠久但封閉的 x86 和 ARM，RISC-V 以其模塊化、開源、易實現的特性，吸引了大量企業投身處理器設計，推動了從嵌入式 SoC 到通用處理器的快速演進。

目前在芯片與 SoC 領域的代表性廠商包括：

• SiFive（美國）：由 RISC-V 發起人之一 Krste Asanović 聯合創立，是目前最具代表性的 RISC-V 商業化公司。 已推出多款 64 位處理器 IP（如 U7、U8 系列）並參與高性能平台設計。

• StarFive（中國）：專注於開源 SoC 芯片和闆卡（如 VisionFive 系列），推動 RISC-V 在國產嵌入式開發板和邊緣 AI 場景中的普及。

• Alibaba T-Head（中國）：推出了多款玄鐵（XuanTie）系列處理器，廣泛部署於 IoT 與邊緣端應用，並開放部分 IP 實現，促進開發生態。

• Andes、Codasip、GreenWaves 等：活躍於 IoT、音頻識別、智能視覺等細分市場，展示了 RISC-V 的靈活適配能力。

此外，還有如 Esperanto（致力於千核 AI 加速器）、Tenstorrent、Vitesse、MetaX 等初創團隊也基於 RISC-V 構建高性能處理器甚至 GPU。 這樣的活躍程度，在 x86 和 ARM 的歷史中極為罕見。

5.2 開發工具鏈：GCC、LLVM、QEMU、Rust 支持

一個 ISA 的生命力，很大程度取決於其。 RISC-V 在這方面取得了長足進展：

• GCC 支持：自 2015 年起，GCC 官方即開始支持 RISC-V，當前已覆蓋 RV32/RV64 全線指令集與主流擴展；

• LLVM/Clang 支持：Google、SiFive 等推動下，LLVM 對 RISC-V 的支持持續增強，成為現代系統與區塊鏈項目的首選編譯器；

• QEMU 模擬器：支持 RISC-V 用戶態與系統態仿真，可快速驗證程序或 OS；

• Rust 支持：RISC-V 已被正式納入 Rust 編譯器後端，支持 no_std 模式與嵌入式開發，同時活躍社區已維護多個 HAL crate；

• 調試器支持：如 GDB、OpenOCD、J-Link 等已廣泛適配 RISC-V，支持斷點調試、寄存器監控等功能；

• 構建系統與 SDK：包括 PlatformIO、Yocto、Zephyr SDK 等均已支持 RISC-V，可直接構建嵌入式系統或定製鏡像。

以上工具的完備性，使得開發者可以無縫將 RISC-V 集成入已有工作流，這對區塊鏈系統遷移虛擬機或引導鏈上 WASM/zkVM 項目極為關鍵。

5.3 操作系統與模擬器支持

從裸機運行到全功能 OS，RISC-V 逐步建立起完整操作環境的支持體系：

• Linux 系統：主線內核自 2018 年起支持 RISC-V，當前已可構建通用發行版，如 Debian、Fedora、Arch Linux 等；

• 嵌入式 RTOS：包括 Zephyr、FreeRTOS、NuttX、RT-Thread 等均提供 RISC-V 移植版本，廣泛用於低功耗設備；

• 仿真與驗證工具：

• Spike：由 UC Berkeley 提供的黃金參考模擬器，支持 RV32/RV64 用戶態和特權態；

• FireSim：基於 FPGA 的開源全系統仿真平台，可運行 Linux 並進行微架構性能測試；

• Renode：支持多種架構的可編程仿真環境，適合構建虛擬區塊鏈測試網；

• gem5：已部分支持 RISC-V，適用於體系結構研究；

• Verilator：用於 RTL 驗證，適配 RISC-V 軟核如 PicoRV、VexRiscv 等。

這些模擬器和系統支持，為虛擬機開發、鏈上驗證邏輯、以及跨架構測試提供了良好支撐。

5.4 RISC-V 國際化與政策支持（尤其是中國）

作為一個開放的標準，RISC-V 得到了多國政府與行業組織的高度關注與支持：

• 國際組織 RISC-V International：註冊於瑞士，匯聚 300+ 成員，推動標準演進與跨國協作；

• 歐洲 RISC-V 戰略：歐盟將 RISC-V 視為“數字主權”戰略核心，資助多個高性能開源 SoC 項目；

• 美國 DARPA 與 NASA：支持基於 RISC-V 的可驗證芯片平台研究；

• 中國的政策傾斜與佈局：

• 工信部與地方政府推動“開源替代”；

• 高校與研究機構（如中科院、清華）積極加入 RISC-V 標準制定；

• 數十家國內企業（阿里、中科藍訊、平頭哥、兆易創新等）在芯片設計與 IP 生態上持續投入；

• 本土開發板（如 VisionFive、Milk-V）加速國產開發者生態形成；

• 中國 RISC-V 產業聯盟（CRVA）作為橋樑推動技術與商業結合。

可以說，中國已經成為 RISC-V 的全球發展重鎮，在數量和活躍度上均位居世界前列。

本章從芯片實現、工具鏈成熟度、操作系統支持，到全球政策與產業動態，全面展示了 RISC-V 的生態繁榮。 對區塊鏈系統而言，這種生態的完整性意味著：

六、區塊鏈虛擬機領域的應用

虛擬機是現代區塊鏈系統中的基礎設施，其作用類似於傳統操作系統中的運行時環境——負責執行智能合約、處理用戶提交的事務，並確保鏈上代碼的。 虛擬機的選擇與設計不僅決定了開發體驗，還深刻影響鏈的執行效率與擴展能力。

本章將圍繞區塊鏈平台對虛擬機的需求、當前主流虛擬機架構，逐步引出 RISC-V 在該領域中扮演的新角色，並對一些具有代表性的先行實踐進行具體分析。

6.1 區塊鏈平台對虛擬機的要求

與傳統計算平台不同，區塊鏈虛擬機運行在一個的執行環境中。 這種背景決定了區塊鏈對虛擬機的需求具有以下幾個突出特點：

• 確定性（Determinism）：在任意節點上，給定相同輸入必須產生相同輸出，確保共識一致性；

• 安全性（Security）：能夠防止惡意合約濫用系統資源，避免緩衝區溢出、無限循環等攻擊手段；

• 資源計量（Gas System）：支持精細的資源消耗計量，用於限制執行時間、內存使用等；

• 性能與可擴展性：需要在不犧牲確定性的前提下，盡可能提升執行效率，支持更複雜的業務邏輯；

• 可審計性與可驗證性：支持鏈上或鏈下的執行溯源，便於審計與裁決。

虛擬機的底層設計（包括其所採用的指令集）直接決定了這些特性的實現成本與能力邊界。

6.2 當前主流虛擬機介紹

在實際區塊鏈平台中，目前主流虛擬機體系包括：

• 以太坊的原生虛擬機，基於 256 位棧式架構；

• 優點：簡潔、成熟、工俱生態完善；

• 缺點：性能較差，指令語義與現代 CPU 不匹配，不利於並行執行與優化。

• 由 W3C 提出，最初用於瀏覽器，現在成為多鏈平台的新寵；

• 代表平台：Polkadot、NEAR、Cosmos（CosmWasm）等；

• 優點：接近現代硬件，指令精細、性能好；

• 缺點：非專為鏈上場景設計，資源計量和沙盒隔離需額外實現。

• Libra/Diem（現 aptos/Sui）提出的資源導向型語言及其虛擬機；

• 特點：基於線性類型系統，實現資源不可複制與轉移安全；

• 面向高安全智能資產邏輯，但適配鏈上執行環境仍需進一步優化。

除此之外，還有如 Solana 的 BPF VM、FuelVM、zkVM 等，分別聚焦於高性能或零知識證明場景。 但這些虛擬機的一個共性問題在於，它們大多。

這就引出一個新問題：如果將一個輕量、可驗證的真實指令集直接用於構建鏈上虛擬機，會帶來什麼新可能？

6.3 RISC-V 在虛擬機中的角色：宿主平台 or 客體架構？

RISC-V 的引入，為區塊鏈虛擬機架構設計提供了兩個不同但互補的切入點：

• 即區塊鏈節點本身運行在 RISC-V 處理器上（如 RISC-V SBC），虛擬機繼續使用如 evm/WASM；

• 好處在於可用於部署輕量節點、離線錢包設備或可信執行環境（TEE）；

• 典型場景如硬件錢包、IoT 鍊網終端等。

• 將 RISC-V 作為虛擬機執行環境的目標 ISA，即智能合約編譯為 RISC-V 指令，運行在鏈上；

• 這種設計可以直接復用現有編譯器鏈（如 GCC、LLVM），簡化多語言合約部署；

• 通過限制指令集、引入 gas 模型和沙箱機制，實現確定性與安全性。

後者正是近年來最受關注的創新方向，它將“硬件級別的指令集”引入虛擬執行環境，模糊了軟件 VM 與真實 CPU 之間的邊界。

6.4 使用 RISC-V 作為區塊鏈 VM 指令集的先例

以下項目是當前已將 RISC-V 實際用於區塊鏈虛擬機或鏈上執行模型中的代表：

• 開創性地引入“RISC-V Linux 虛擬機”作為智能合約執行環境；

• 開發者可使用標準 Linux 工具鏈編寫合約，極大提升編程自由度；

• VM 實現基於 RISC-V 用戶態模擬，並結合鏈上驗證機制，確保確定性。

• 提出構建“RISC-V 零知識虛擬機”作為 zk-rollup 的執行引擎；

• 通過將合約邏輯編譯為 RISC-V 指令，再生成 STARK 證明，實現高性能鏈下執行 + 鏈上驗證；

• 優勢在於硬件接近度、跨語言編譯兼容性與可驗證性。

• 雖非完全基於 RISC-V，但運行在基於 ckb-VM 的底層，其原始 VM 設計受到 RISC-V 啟發；

• 提供 EVM 兼容支持，結合 RISC-V 風格資源模型，實現與 Nervos LAYER1 的無縫整合。

• 去中心化計算平台，支持多種任務運行架構；

• 新版本考慮將 RISC-V 作為運行時標準化 ISA，以提升任務可移植性與輕量性；

• 尤其適用於異構設備（如移動端、嵌入式設備）參與計算任務。

這些項目的共識是：

RISC-V 在區塊鏈虛擬機中的嶄露頭角，不是對傳統架構的盲目替代，而是一種重新思考“可信計算”的契機。 在接下來的章節中，我們將更深入分析 RISC-V 指令集本身如何影響虛擬機的實現與性能，並從以太坊視角看待 RISC-V 的戰略意義與未來可能。

七、指令集對虛擬機的影響

虛擬機的底層執行模型離不開指令集的支持。 指令集不僅決定了合約的運行效率，也深刻影響著虛擬機的乃至生態可持續性。 在區塊鏈這樣對的環境中，指令集的選擇尤為關鍵。

本章將圍繞四個核心維度，探討不同類型的指令集如何影響虛擬機的設計與部署，並進一步評估 RISC-V 在這些方面的獨特優勢。

7.1 實現難度：自定義 vs 通用架構

在虛擬機設計中，一種做法是，如以太坊的 EVM；另一種是複用已有的通用 ISA，例如 WASM、RISC-V。

•優勢：結構簡潔，專為區塊鏈場景定制（如 EVM 的 256 位字操作）；

•劣勢：無法復用現有編譯器 / 工具鏈，生態封閉，維護成本高；

•調試難度高：缺乏現成的調試器、模擬器與性能分析工具。

• 可直接復用成熟工具鏈（如 LLVM、GCC、GDB、QEMU）；

• 編譯器多語言支持廣泛（C、C++、Rust、Go、Zig）；

• 更容易引入標準沙箱策略與操作系統級別隔離。

RISC-V 屬於開放通用 ISA，其極簡設計使得其，在保持工具鏈成熟的同時，降低了實現和維護難度。

7.2 性能表現：加速執行 vs 解碼複雜度

指令集的結構決定了解碼與執行的效率，進而影響整個 VM 的運行性能。

• EVM 由於設計為字節碼棧機，執行模型簡單但難以優化，現代處理器難以高效執行其 256 位堆棧操作；

• WASM 則更接近寄存器架構，能充分利用現代 CPU 的流水線與 SIMD 指令，執行效率高；

• RISC-V 在設計之初就強調流水線友好與低開銷的解碼路徑，其易於快速解析、翻譯或 JIT 編譯，適合高性能場景；

• 若將合約直接編譯為 RISC-V 指令，可顯著提升執行效率，並允許使用原生硬件加速（如 FPGA/ASIC）。

此外，RISC-V 提供的，允許在保證兼容性的前提下進一步提升性能表現。

7.3 可擴展性：模塊化指令集對支持新特性的幫助

虛擬機架構的另一個重要問題是——能否在未來無痛支持新語言、新類型系統或新資源模型。

RISC-V 的核心優勢之一是其，基礎指令集（RV32I/RV64I）之外，允許標準化擴展（如 M/A/F/D/V 擴展）或自定義指令：

• 區塊鏈平台可基於 RV32I 構建極簡 VM，僅啟用必要指令，減少攻擊面；

• 對於特定場景（如 zkVM、AI 計算），可引入硬件向量擴展或自定義算術指令，形成特化 VM；

• 自定義指令的使用配合 gas 機制，仍可保持資源可計量性與確定性。

相比之下，EVM/WASM 的擴展更依賴於，成本高、兼容性弱。

7.4 安全性與可驗證性：確定性執行與 sandboxing 策略

安全性在區塊鏈 VM 中是第一要義，而這一點也與指令集的特性緊密相關。

：區塊鏈要求任意節點在相同輸入下得到一致輸出，任何依賴平台、時間或硬件狀態的行為都可能破壞共識。

• EVM 本質上是確定性的，但受限於平台（JIT、浮點、時間調用）後常引入非確定性風險；

• WASM 在原生設計中允許非確定行為（如 NaN 表示、線程），需額外限制；

• RISC-V 若作為合約執行 ISA，可通過明確限制浮點 / 系統指令集、強制運行於沙箱中，天然具備可確定性控制能力。

• RISC-V 的規範透明、簡潔性強，易於與；

• 諸如 Cartesi、Sonic 等項目基於 RISC-V 構建虛擬機，能夠在鏈下執行並鏈上生成可驗證證明；

• 這為“可證明執行”開闢了新路徑：智能合約不僅運行結果可信，其執行過程也可被零知識驗證。

綜上，RISC-V 的“”和“”使其在安全性與審計方面更具優勢。

小結：

一個合適的指令集可以極大提升虛擬機的設計空間與執行效率。 RISC-V 作為開放、簡潔、可定制的通用 ISA，在區塊鏈虛擬機架構中具備高度適配性。 它不僅降低實現成本，還能通過模塊化支持未來擴展，通過可驗證執行提升鏈上可信性，正在成為一類新型 VM 架構的潛在核心。

八、以太坊 RISC-V 計劃的後續影響

以太坊作為全球最具影響力的智能合約平台之一，其虛擬機架構始終是技術演進的核心議題。 從早期的 EVM 到 eWASM 再到當前 Layer 2 的多樣探索，以太坊社區始終在追求更高的性能、更強的安全性以及更廣泛的語言支持。 在這一過程中，，被納入了多個項目的實驗路徑中。

本章將回顧以太坊社區在虛擬機方面的演化嘗試，特別是其中與 RISC-V 相關的實踐與啟示。

8.1 ewasm 與早期 RISC-V 虛擬機實驗

在 2018 年左右，以太坊基金會發起了項目，試圖以 WASM 替代 EVM，實現更強的語言支持與更高效的執行。 然而 ewasm 最終未能完全取代 EVM，其主要難點在於：

•，需大量限制；

• 安全沙箱模型過於復雜，增大節點執行和驗證負擔；

• 對區塊鏈虛擬機的 gas 模型兼容性不佳。

在 ewasm 實驗過程中，曾有開發者提出了使用 RISC-V 作為虛擬機底層 ISA 的設想。 其理由在於：

• RISC-V ISA 更適合“確定性執行”模型；

• 便於靜態分析和 gas 計量；

• 開放架構有助於構建輕量、專用 VM。

雖然這些早期設想未被主線採納，但為後續 Layer 2 和可驗證計算項目提供了靈感。

8.2 Rollup 技術中的結合探索

隨著 Layer 2 技術的興起，以太坊生態出現了兩個主要方向：和。 這兩者都在鏈下執行智能合約邏輯，僅將結果和證明提交到主鏈，大幅降低成本。

RISC-V 在 Rollup 場景中的作用主要體現在：

：使用 RISC-V 模擬合約執行過程，並在鏈上驗證爭議執行（如 Cartesi）；

•：將 RISC-V 程序轉換為證明電路，生成 STARK/SNARK 證明，提升合約可驗證性（如 RISC Zero）；

這類設計具有共通點：以，且具備形式化建模與零知識驗證能力。

8.3 Cartesi Machine 的設計與部署

Cartesi 是以太坊生態中最具代表性的 RISC-V VM 項目。 其核心是名為 Cartesi Machine 的執行環境，採用精確模擬的 RISC-V 架構，通過鏈下執行 + 鏈上驗證方式達成性能與安全的平衡。

Cartesi 的主要特點包括：

•完整的 Linux 系統支持：支持 Rust、C、C++ 等原生開發，開發體驗優於傳統合約開發；

•確定性執行機制：對 Linux 調用、文件系統等進行沙箱控制，確保任意節點執行結果一致；

•交互式欺詐證明：通過鏈上驗證 RISC-V 步驟模擬，保障安全性；

•已部署多個 DApp，包括遊戲、數據市場、AI 推理服務等。

Cartesi 不只是一個 VM，更是一個將通用計算環境與區塊鏈環境結合的“Layer 2 操作系統”探索。

8.4 對以太坊及 Layer 2 技術演進的啟示

以 RISC-V 為代表的開放 ISA，在 Rollup 和可驗證計算中釋放出了巨大的潛力：

•從合約語言走向計算架構抽象：不再局限於 SOLidity/EVM，而是以硬件指令為基礎進行 VM 構建；

•可驗證計算模型的推廣：鏈下運行、鏈上驗證的模式，天然適合使用精確定義的指令集；

•降低鏈上成本與復雜性：通過通用 RISC-V 工具鏈開發，鏈上只需驗證或調度關鍵步驟；

•促進“應用特定鏈（AppChain）”的異構化發展：每條鏈可定制其 VM，而共享通用驗證層。

更長遠來看，以太坊生態對 RISC-V 的探索也促使我們重新思考智能合約平台的底層設計：

小結：

RISC-V 在以太坊及 Layer 2 場景中的應用展示了其在確定性計算、可驗證性、開發體驗上的獨特優勢。 儘管它尚未成為主鏈標準，但正在多個子系統與項目中發揮關鍵作用，影響未來虛擬機與區塊鏈系統的構建思路。

九、挑戰與未來展望

RISC-V 在區塊鏈領域的潛力已經顯現，但其真正的廣泛應用仍面臨著諸多挑戰。 如何克服這些挑戰，並推動 RISC-V 與區塊鏈技術的深度融合，將是未來幾年技術發展的關鍵方向。 與此同時，RISC-V 在未來的鏈上計算範式中，特別是在與零知識證明、去中心化和開源芯片的結合上，展現出了獨特的前景。

本章將討論 RISC-V 在區塊鏈領域面臨的挑戰，並展望其未來的技術趨勢與可能的應用場景。

9.1 與現有生態的兼容問題（EVM/WASM vs RISC-V）

現有的區塊鏈生態，尤其是以太坊，已經深度嵌入了 EVM 和 WASM 作為智能合約執行環境。 雖然這些技術具有良好的生態支持與兼容性，但它們也面臨性能瓶頸、擴展性限制和安全性挑戰。 因此，引入像 RISC-V 這樣的全新指令集，勢必會引發兼容性問題：

EVM 和 WASM 已經擁有成熟的開發者工具鏈、調試器、IDE 等資源，而 RISC-V 雖然有強大的工具鏈支持（如 GCC、LLVM），但要在現有區塊鏈開發流程中快速落地，還需要克服語言支持、編譯工具鍊等多方面的技術難題。

現有區塊鏈上的智能合約通常是針對 EVM 或 WASM 進行優化的，如何將這些合約遷移到 RISC-V 指令集架構中，避免重寫大量合約代碼或影響兼容性，是一個必鬚麵對的問題。

為了保證鏈上應用的過渡，可能需要在區塊鍊網絡中同時支持多種虛擬機（如 EVM、WASM 和 RISC-V），這將增加節點的複雜度與維護成本。

這些挑戰要求社區在開發過程中逐步過渡，平衡兼容性和創新，確保生態的平穩過渡。

9.2 性能 vs 安全 vs 去中心化之間的平衡

區塊鏈技術的核心特性之一就是，這要求系統具備高容錯性與透明性。 而在此基礎上，如何平衡是一個至關重要的問題。

•：現代區塊鏈系統中的交易吞吐量和每秒執行事務（TPS）通常受到虛擬機執行效率的製約。 RISC-V 提供了輕量、可擴展的架構，能夠優化虛擬機的執行速度，但，例如採用硬件加速的 VM 實現可能會導致對少數高性能硬件供應商的依賴。

•：在 RISC-V 中引入專用指令集或硬件加速模塊可以提升性能，但會使得區塊鏈節點的安全性和驗證複雜度增加。 例如，在設計虛擬機時，如何確保硬件加速不會引入未被驗證的漏洞，或者如何保證安全的沙箱隔離，以防止通過 RISC-V 的擴展指令導致潛在的攻擊面。

•：硬件加速、定制芯片的加入可能會推動區塊鍊網絡的中心化風險，尤其是在對於特定硬件（如專用 RISC-V 芯片）高度依賴的情況下，如何保證去中心化的核心理念不受威脅，是區塊鏈技術發展中必須考慮的問題。

因此，，確保高效且安全的同時，保持去中心化的特性，是未來 RISC-V 在區塊鏈應用中需要解決的重要挑戰。

9.3 開源芯片 + 區塊鏈的融合趨勢

隨著區塊鏈技術的不斷發展，硬件和軟件的深度融合成為未來技術的一個重要趨勢。 RISC-V 作為一項開源指令集，正引領著這一變革。

RISC-V 作為開源的指令集架構，不僅為學術界提供了研究平台，也為硬件廠商提供了設計靈活、定制化的機會。 越來越多的硬件製造商（如 SiFive、StarFive）開始推出基於 RISC-V 的開源芯片，這些芯片不僅能夠在物聯網、智能終端等領域找到應用，也將在區塊鏈領域發揮重要作用。

在未來，區塊鍊網絡可能會與專用的開源硬件設備相結合，形成專用的區塊鏈節點或挖礦設備。 這種硬件與軟件的融合能夠提高區塊鍊網絡的效率，並降低硬件開發的壁壘，使得更多的參與者能夠低成本地加入到區塊鏈生態中。

9.4 零知識證明中的潛力（ZK-RISC-V？）

是區塊鏈技術中增強隱私性和可擴展性的關鍵技術。 它能夠在不暴露具體數據的情況下，證明某些計算結果的正確性，這對隱私保護型應用（如隱私幣、隱私智能合約）至關重要。

RISC-V 在零知識證明中的潛力主要體現在以下方面：

•精確控制計算過程：RISC-V 的指令集簡單而高效，適合用於構建可驗證的零知識證明電路，特別是當 RISC-V 被用於構建 ZK-RISC-V 電路時，可以通過硬件支持加速證明生成與驗證。

•降低計算資源消耗：傳統的零知識證明通常需要大量的計算資源，而 RISC-V 可以通過簡化指令集和專用硬件的支持，提高證明過程的效率，降低其在區塊鍊網絡中的計算負擔。

•ZK-RISC-V 電路的可組合性：通過將 RISC-V 的指令集與零知識證明技術結合，可以開發出可組合的 ZK-RISC-V 電路，使得更多複雜的應用場景（如跨鏈交易、隱私保護智能合約等）成為可能。

因此，作為區塊鏈與零知識證明結合的一種新的嘗試，有望成為未來去中心化金融（DeFi）和隱私保護領域的重要技術支撐。

9.5 對未來鏈上計算範式的影響

RISC-V 的出現與發展，可能會推動的變革：

•從虛擬機到硬件支持：RISC-V 的開放性和硬件友好性為區塊鏈提供了一個全新的計算架構，不僅限於虛擬機模擬，更能夠結合硬件資源，形成專門的計算網絡。

•去中心化硬件的普及：區塊鏈的去中心化理念可能會推動硬件也向去中心化方向發展，未來可能出現更多開源硬件項目參與區塊鏈生態建設，這將大大降低區塊鏈應用的門檻和成本。

•智能合約與硬件結合的新時代：智能合約的執行不再局限於傳統虛擬機，而是可以直接通過硬件加速執行，結合 RISC-V 等指令集的優勢，提升執行效率和安全性。

未來，RISC-V 在區塊鏈中的應用可能不僅僅局限於智能合約執行，甚至可能成為整個區塊鏈生態基礎設施的一部分，推動更高效、靈活、安全的鏈上計算。

小結：

RISC-V 的引入，雖然面臨著與現有生態兼容、性能與安全平衡等方面的挑戰，但它也為未來的區塊鏈技術提供了無限可能。 隨著硬件和區塊鏈的進一步融合，RISC-V 或許能夠在未來的區塊鏈應用中扮演更加重要的角色，特別是在零知識證明與專用硬件領域的潛力無窮。 面對這些挑戰和機遇，RISC-V 不僅能夠提升區塊鏈的性能與安全性，還可能改變整個鏈上計算的範式。

至此，我們的討論覆蓋了 RISC-V 在區塊鏈領域的應用與未來展望，展現了其作為一個創新技術在加密貨幣、智能合約、Layer 2 解決方案等領域的巨大潛力。

引用鏈接

[1]關於長期 L1 執行層的提案全文，提出用 RISC-V 取代 EVM（以太坊虛擬機）:https://d.foresightnews.pro/article/detail/82938

[2]AwesOMe ZKVM:https://github.com/rkdud007/awesome-zkvm

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本文章旨在對 RISC-V 及其在區塊鏈領域的應用進行技術層面的科普與探討，不構成任何投資建議。 文中提及的區塊鏈相關項目、技術或產品，均請讀者自行查閱資料並做出獨立判斷，作者僅為信息整理者與觀點表達者，恕不承擔因使用本文內容而產生的任何後果。