技術債務堆積，以太坊如何用 RISC-V 重建技術架構，找到破局之道？

撰文：jaehaerys.eth

編譯：Glendon，Techub News

TL;DR

以太坊正在經歷自創世以來最重要的架構變革：用 RISC-V 替代以太坊虛擬機（EVM）。推動這一變化的根本原因是，在零知識證明（ZK）時代，EVM 已成爲最大瓶頸：

當前的 zkEVM 依賴解釋器執行，導致速度降低 50–800 倍；

預編譯合約（Precompiles）使協議變得過於復雜且風險增加；

256 位堆棧設計在證明中效率極低。

RISC-V 能解決這些問題：

極簡主義（約 47 條基礎指令）+ 成熟的 LLVM 生態（支持 Rust、C++、Go）；

已成事實上的 zkVM 標準（90% 項目採用）；

形式化 SAIL 規範（相對於模棱兩可的黃皮書），可以支持嚴格驗證；

硬件證明路徑（ASIC/FPGA）已在測試中（SP1、Nervos、Cartesi）。

遷移分三個階段：

RISC-V 作爲預編譯合約替代品（低風險測試）；

雙虛擬機時代：EVM + RISC-V 具有完全互操作性；

EVM 在 RISC-V 內部重新實現（類似 Rosetta 策略）。

生態系統影響：

Optimistic Rollups 不受影響；RISC-V 主網不會消除欺詐證明，現有證明程序可編譯適配 RISC-V（目前基於 MIPS）；遷移路徑：將當前防錯基礎設施擴展到目標 RISC-V，而非徹底重構；

ZK Rollup 將大幅受益（Polygon、zkSync、Scroll → 更便宜、更快、更簡單）；

開發者可直接在 L1 使用 Rust/Go/Python 庫；

用戶可獲得便宜約 100 倍的證明成本，從而邁向 Gigagas 級別（約 10k TPS）L1 之路。

最終，以太坊將從「智能合約虛擬機」進化爲一個最小的、可驗證的互聯網信任層，其終極目標是：「一切皆 ZK-Snark 化」。

以太坊正處於十字路口

以終極目標「一切皆 ZK-Snark 化」爲願景，以太坊如今正處於其創世以來最重要的架構演進的門檻上。這場討論已不再局限於漸進式升級，而是對其計算核心的根本性重構——即以太坊虛擬機（EVM）的替代。這一倡議是更宏大的「精簡以太坊」（Lean Ethereum）願景的基石，該願景旨在系統地簡化整個協議，將其分解爲三個核心組件：精簡共識（Lean Consensus）、精簡數據（Lean Data）和精簡執行（Lean Execution）。而精簡執行的核心問題在於：作爲智能合約革命引擎的 EVM，現在是否已成爲以太坊未來發展的主要瓶頸？

正如以太坊基金會的 Justin Drake 所言，以太坊的長期目標始終是「對一切進行 Snark 化」，這是一種能夠增強協議各層的強大工具。但長期以來，這個目標更像是「空中樓閣」，因爲實現它需要實時證明這一概念。而如今，隨着實時證明逐漸成爲現實，EVM 的理論低效性已轉化爲一個亟待解決的實際問題。

本分析將探討以太坊 L1 遷移至 RISC-V 指令集架構（ISA）的技術與戰略論據，這一舉措有望釋放前所未有的可擴展性、簡化協議結構，並使以太坊與可驗證計算的未來保持一致。

究竟發生了什麼變化？

在深入探討「爲什麼」之前，首先需要了解「是什麼」正在發生變化。

EVM 是以太坊智能合約的運行環境，是處理交易並更新區塊鏈狀態的「世界計算機」。多年來，其設計具有革命性，創造了無需許可的平台，並催生了整個 DeFi 和 NFT 生態系統。然而，這套近十年前的定制架構如今已積累了沉重的技術債務。

相比之下，RISC-V 並非產品，而是一種開放標準——一種免費的、通用的處理器設計「字母表」。正如 Jeremy Bruestle 在 Ethproofs 電話會議中所強調的，其關鍵原則使其成爲這一角色的不二之選：

極簡主義：基礎指令集極其簡潔，僅包含約 40-47 條指令。Jeremy 形容其「幾乎是我們需要的超精簡通用機器的完美用例」。

模塊化：通過可選擴展添加更復雜的功能。這一點至關重要，因爲它允許一個簡單的核心，並可按需擴展，而不會將不必要的復雜性強加於基礎協議；

開放生態系統：它擁有龐大而成熟的工具鏈支持，包括 LLVM 編譯器，允許開發者使用 Rust、C++ 和 Go 等主流語言。正如 Justin Drake 所說：「編譯器相關的工具有很多，而且編譯器的構建極其困難……因此，擁有這些編譯器工具具有很大的價值。」RISC-V 讓以太坊能夠免費繼承這些現成的工具。

解釋器開銷問題

替換 EVM 的必要性並非源於單一缺陷，而源於一系列根本性限制，這些限制在零知識證明（ZK）原生未來的背景下，已變得無法忽視。這些問題涵蓋了 ZK 證明系統中嚴重的性能瓶頸，以及協議內部日益積累的復雜性所帶來的風險。

解釋器開銷問題

這一轉型最緊迫的驅動力是 EVM 在零知識證明系統中的固有低效性。隨着以太坊逐步轉向通過 ZK 證明驗證 L1 狀態的模型，證明器的性能將成爲最終的瓶頸。

問題出在當前 zkEVM 的工作原理上。它們並非直接對 EVM 進行零知識證明，而是對一個 EVM 的解釋器進行證明，而該解釋器本身又被編譯爲 RISC-V。Vitalik Buterin 一針見血地指出了這一核心問題：

「如果 zkVM 的實現方式是將 EVM 的執行編譯爲最終成爲 RISC-V 代碼的內容，那爲什麼不直接向智能合約開發者開放底層的 RISC-V？這樣可以完全減免整個外層虛擬機的開銷。」

這一額外的解釋層帶來了巨大的性能損失。根據估算，與證明原生程序相比，這一層可能導致 50 到 800 倍的性能下降。在優化其他瓶頸（如通過切換到 Poseidon 哈希算法）後，這部分「區塊執行」仍將消耗 80–90% 的證明時間，使 EVM 成爲擴展 L1 的最終且最頑固的障礙。倘若移除這一層，Vitalik 預測執行效率可能會提升 100 倍。

預編譯合約的債務陷阱

爲了解決 EVM 在特定密碼學操作中性能不足的問題，以太坊引入了預編譯合約——將專用函數直接硬編碼到協議中。雖然這在當時是一個務實的解決方案，但如今卻引發了 Vitalik Buterin 所稱的「災難性」局面：

「預編譯對我們來說是災難性的……它們極大地膨脹了以太坊的可信代碼庫……並且在共識失敗的邊緣，它們曾讓我們數次險些翻車。」

其復雜程度令人咋舌。Vitalik 通過對比單個預編譯合約（modexp）的包裝代碼與完整的 RISC-V 解釋器指出：預編譯的邏輯實際更爲復雜。新增預編譯需經歷緩慢且充滿政治博弈的硬分叉過程，這嚴重阻礙了依賴新型密碼學原語的應用創新。

因此，Vitalik 得出一個堅定的結論：「我實際上認爲，我們應當立即停止新增任何預編譯合約。」

以太坊的架構技術債務

EVM 的核心設計反映着過時的時代需求，但它已無法適配現代計算。EVM 選擇了 256 位架構用於處理密碼學值，對於智能合約中通常使用的 32 位或 64 位整數而言，這種架構效率極低。這種低效率的代價在零知識證明系統中尤其高昂。

正如 Vitalik 所解釋的：「當使用較小的數字時，每個數字實際上不會節省任何資源，而復雜性則會增加 2 到 4 倍。」

除此之外，EVM 的堆棧架構效率低於 RISC-V 和現代 CPU 的寄存器架構。它需要更多指令才能執行相同的操作，同時也使編譯器優化變得更加復雜。

這些綜合因素包括 ZK 證明的性能瓶頸、預編譯的復雜性以及過時的架構選擇，共同爲以太坊超越 EVM 構成了一個令人信服且緊迫的理由。

RISC-V 藍圖：建立更堅實的基礎

RISC-V 的優勢不僅源於 EVM 的不足，更在於其設計哲學與生俱來的內在優勢。它的架構提供了一個穩健、簡單且可驗證的基礎，非常適合以太坊這樣高風險的環境。

開放標準爲何優於定制設計

與需要從零開始構建整個軟件生態的定制化指令集架構（ISA）不同，RISC-V 是一個成熟的開放標準，能夠提供三大關鍵優勢：

成熟的生態系統

通過採用 RISC-V，以太坊充分借助了數十年來計算機科學領域的集體進步。正如 Justin Drake 所解釋的，這爲以太坊提供了直接使用世界級工具的途徑：「有一個基礎設施組件叫 LLVM，它是一套編譯器工具鏈，允許開發者將高級編程語言編譯到各種後端。RISC-V 是受其支持的後端之一。所以如果你支持 RISC-V，就可以自動支持所有 LLVM 支持的高級語言。」

這極大降低了數百萬熟悉 Rust、C 和 Go 等語言的開發者的進入門檻。

極簡主義的設計哲學

RISC-V 的極簡主義是刻意爲之的特性，而非局限性。其基礎指令集僅包含約 47 條指令，使虛擬機的核心極度簡潔。這種簡潔性對於安全性而言是一個巨大的優勢，因爲更小的可信代碼庫更容易進行審計和形式化驗證。

ZK 領域的事實標準

更重要的是，zkVM 生態系統已經做出了自主選擇。正如 Justin Drake 所強調的，從 Ethproofs 數據中可以看到一個清晰的趨勢：「RISC-V 是 zkVM 後端的領先 ISA。」

在 10 個能夠證明以太坊區塊的 zkVM 中，已有 9 個選擇了 RISC-V 作爲目標架構。這一市場趨同釋放了一種強有力的信號：以太坊採用 RISC-V 並非是在進行投機性嘗試，而是在跟隨一個經過市場驗證的標準。

爲信任而設計，不止於執行

除了生態系統之外，RISC-V 的內部架構也特別適合構建安全且可驗證的系統。

首先，RISC-V 有一個正式的、機器可讀的規範，稱爲 SAIL。這比以太坊虛擬機（EVM）的規範有了巨大的改進，後者主要以文檔（黃皮書）的形式存在，可能存在歧義。而 SAIL 規範提供了「黃金標準」，能夠提供對協議正確性至關重要的數學證明，而這對保護價值巨大的協議至關重要。正如以太坊基金會（EF）的 Alex Hicks 在 Ethproofs 電話會議上指出的那樣，這使得 zkVM 電路能夠直接「根據官方 RISC-V 規範」進行驗證。

其次，RISC-V 包含一個特權架構，這一特性經常被忽視，但對安全性至關重要。它定義了不同的操作級別，主要包括用戶模式（用於不可信應用，如智能合約）和監管模式（用於可信的「執行內核」）。

在 RISC-V 的模型中，在用戶模式下運行的智能合約無法直接訪問區塊鏈的狀態。相反，它必須通過特殊的 ECALL（環境調用）指令向在監管模式下運行的可信內核發出請求。這種機制構建了一個由硬件強制執行的安全邊界，比純粹基於軟件的 EVM 沙盒模型更加更加穩健且易於驗證。

Vitalik 的願景

這一轉型被設想爲一個循序漸進、多階段的過程，以確保系統的穩定性和向後兼容性。Vitalik Buterin 概述的這一方法旨在實現漸進式發展，而非革命性變革。

第一步：預編譯替換

初始階段採取最保守的方式，引入新虛擬機（VM）的有限功能。正如 Vitalik 所建議的，「我們可以從有限的場景開始使用新虛擬機，例如替換預編譯功能。」這將涉及暫停新的 EVM 預編譯功能，取而代之的是通過白名單批準的 RISC-V 程序實現所需功能。這種方法允許新虛擬機能夠在低風險環境下在主網中進行實戰測試，同時通過以太坊客戶端充當兩種執行環境之間的中介。

第二步：雙虛擬機共存

下一階段將「直接向用戶開放新虛擬機」。智能合約部署時可以添加一個標志，來指示其字節碼是 EVM 還是 RISC-V。關鍵特性是確保無縫的互操作性：「兩種類型的合約將能夠相互調用」。這將通過系統調用（ECALL）實現，以太坊客戶端充當執行環境的中介。

第三步：EVM 作爲模擬合約（「Rosetta」策略）

最終目標是實現協議的終極簡化。在此階段，「我們將 EVM 實現爲新虛擬機的一種實現」。規範的 EVM 將成爲在原生 RISC-V L1 上運行的經過形式化驗證的智能合約。這不僅確保了對舊版應用程序的永久支持，同時允許客戶端開發者僅維護單一精簡執行引擎。

整個生態系統的連鎖反應

從 EVM 到 RISC-V 的過渡計劃遠不止核心協議，它將對整個以太坊生態系統產生深遠的影響，有望重塑開發者體驗，從根本上改變 Layer-2 解決方案的競爭格局，並開啓新的證明經濟模型。

Rollup 格局重構：Optimistic 與 ZK 的路徑分野

轉向 L1 上的 RISC-V 執行層將對兩種主要類型的 Rollups 產生截然不同的影響。

Optimistic Rollups（如 Arbitrum、Optimism）的安全模型依賴於在 Layer-1 上重新執行有爭議交易來解決欺詐證明。即使以太坊 Layer-1 遷移到 RISC-V，這些系統也不會發生根本性變化。正如 Optimism 的一位聯合創始人所解釋的那樣：「如果我們將以太坊遷移到 RISC-V，Optimistic 鏈也不會中斷。你只需將 RISC-V 虛擬機編譯到證明程序中即可。也無需使用 Asterisc。現有的基於 MIPS 的證明系統同樣不會中斷——你只需將 RISC-V 虛擬機編譯到 MIPS 中即可。」

這意味着防欺詐模型仍然完好無損。調整是技術性的：將新的 RISC-V 虛擬機編譯到現有基礎架構中，而不是從頭開始重新設計系統。剩下的挑戰是工程細節，例如 Gas 計量、效率和成本。

相比之下，ZK Rollups 將獲得巨大的戰略優勢。絕大多數 ZK Rollups 已經將 RISC-V 作爲其內部 ISA。使用相同原生語言的 L1 可以實現更緊密、更高效的整合。Justin Drake 描述了「原生 Rollups」的未來願景，其中 L2 本質上是 L1 自身執行環境的一個特化實例，使用內置的 L1 VM 實現無縫結算。這種整合將帶來以下變化：

簡化技術堆棧：消除 L2 內部 RISC-V 執行與 EVM 間的復雜橋接；

實現工具和代碼重用：爲 L1 RISC-V 環境開發的編譯器、調試器和形式化驗證工具可由 L2 直接使用，以降低開發成本。

協調經濟激勵：L1 的 Gas 費用將更準確地反映 ZK 證明 RISC-V 執行的實際成本，從而創建更合理的經濟模型。

開發者和用戶的新時代

對以太坊生態開發者而言，這種轉變將是漸進的，而不是顛覆性的。

對於開發者而言，關鍵優勢在於他們能夠進入更廣闊、更成熟的軟件開發世界。正如 Vitalik Buterin 所指出的，開發者將「能夠用 Rust 編寫合約，並且這兩種語言將開始共存」。同時，他預測「Solidity 和 Vyper 將在很長一段時間內持續流行」，因爲它們擁有設計優雅的智能合約邏輯。能夠通過 LLVM 工具鏈使用主流語言及其豐富的庫，這種轉變將是革命性的。Vitalik 將其描述爲一種「類似 Node.JS 的體驗」，在這種體驗中，開發者基本上可以使用同一種語言來編寫鏈上代碼和鏈下代碼。

對於用戶而言，最終的回報是更經濟、更強大的網路。預計證明成本將降低約 100 倍——從每筆交易幾美元降至幾分錢——這將直接轉化爲更低的 Layer-1 和 Layer-2 結算費用。這種經濟可行性將開啓「Gigagas L1」願景，目標是在 L1 上實現約 10000 TPS 的性能，從而爲未來更復雜、更高價值的鏈上應用提供支持。

Succinct Labs 與 SP1：證明未來就在當下

RISC-V 的理論優勢已由 Succinct Labs 等團隊付諸實踐，他們的工作成果爲整個提案提供了強有力的案例研究。

Succinct Labs 開發的 SP1 是一款基於 RISC-V 構建的高性能、開源 zkVM，它驗證了新的架構方法的可行性。其採用「預編譯中心化」設計理念，完美解決了 EVM 的密碼學瓶頸問題。與傳統依賴緩慢、硬編碼的預編譯方式不同，SP1 將 Keccak 哈希等密集型操作卸載到通過標準的 ECALL 指令調用，且專門設計、手動優化的 ZK 電路中。這既能提供定制硬件的性能，又兼具軟件的靈活性。

該團隊的實踐影響已清晰顯現，他們的 OP Succinct 產品利用 SP1 實現 Optimistic Rollup 的「ZK 化」（ZK-ify）。正如 Succinct 聯合創始人 Uma Roy 所解釋的：

「你的 OP Stack Rollup 無需等待 7 天才能完成最終確認和提現……現在只需 1 小時即可完成。這大幅提升最終確認速度，真是太棒了。」

這解決了整個 OP Stack 生態系統的一個關鍵痛點。此外，Succinct 的基礎設施「Succinct Prover Network」，被設計爲一個去中心化的證明生成市場，爲可驗證計算的未來展示了一個可行的經濟模型。他們的工作不僅僅是一個概念驗證，更是一個本文所描述的可行的未來藍圖。

以太坊如何降低風險

RISC-V 的一個關鍵優勢在於，它使形式化驗證的終極目標——通過數學證明系統的正確性——成爲一個可實現的目標。EVM 的規範以自然語言編寫於黃皮書（Yellow Paper）中，形式化難度極高。而 RISC-V 則擁有官方的、機器可讀的 SAIL 規範，爲其行爲提供了明確的「黃金參考」。

這爲更強的安全性開闢了一條清晰的道路。正如以太坊基金會的 Alex Hicks 所指出，目前已經在進行將「zkVM RISC-V 電路與官方 RISC-V 規範提取到 Lean 中進行形式化驗證」的工作。這是一個裏程碑式的進展，將信任從容易出錯的人類實現轉移到可驗證的數學證明上，從而實現安全性方面的突破。

轉型的主要風險

盡管 RISC-V 架構的 L1 具有諸多優勢，但它也將面臨新的復雜挑戰。

Gas 計量問題：爲通用 ISA 創建一個確定性且公平的 Gas 模型是最難解決的難題之一。簡單的指令計數方法容易受到拒絕服務攻擊的威脅。例如，攻擊者可以設計一個程序反復觸發緩存的程序，從而以極低的 Gas 費用實現高資源佔用。

工具鏈安全與「可重現構建」問題：這或許是轉型過程中最重要且被低估的風險。安全模型從信任鏈上虛擬機轉向信任每個開發者使用的鏈下編譯器（例如 LLVM），而這些編譯器極其復雜，且已知包含漏洞。攻擊者可能利用編譯器漏洞，將看似無害的原始碼轉化爲惡意字節碼。此外，確保鏈上的編譯後二進制文件與特定的公開源代碼完全一致，即「可重現構建」問題，要實現也極爲困難，因爲構建環境中的細微差異都可能產生不同的二進制文件。

緩解策略

前進的道路需要多層次的防御策略。

分階段推出：循序漸進、多階段的過渡計劃是主要的風險緩解策略。通過首先將 RISC-V 作爲預編譯替代方案引入，然後在雙虛擬機環境中進行部署，社區可以在任何不可逆轉的變更發生之前，在低風險環境中積累運營經驗並建立信心。

全面審計：模糊測試與形式化驗證。雖然形式化驗證是最終目標，但它必須輔以持續、高強度的測試。正如 Diligence Security 的 Valentine 在 Ethproofs 電話會議上所展示的那樣，他們的 Argus 模糊測試器已經在領先的 zkVM 中發現了 11 個關鍵的健全性和完整性漏洞。這證明，即使是設計最完善的系統也存在漏洞，只有通過嚴格的對抗性測試才能發現。

標準化：爲了避免生態系統碎片化，社區必須統一採用單一、標準化的 RISC-V 配置文件。這很可能是 RV64 GC 和 Linux 兼容的 ABI 組合，因爲這種組合能夠提供來自主流語言和工具的最廣泛支持，從而最大限度地發揮新生態系統的優勢。