再见 EVM，你好 RISC-V

互联网阅读 164 2025-08-30 13:20:20

作者：0xjaehaerys，登链社区

引言

以太坊正准备进行自发布以来最重大的架构转变：用 RISC-V 替换 EVM。原因很简单——在 ZK 优先的未来，EVM 是瓶颈：

如今的 zkEVM 依赖于解释器 → 减速 50-800 倍，
预编译因复杂性和风险而使协议膨胀，
256 位栈设计在证明中效率极低。

RISC-V 解决了这个问题：

极简主义（约 47 条基本指令）成熟的 LLVM 生态系统（Rust、C 、Go），
已经是事实上的 zkVM 标准（10 个项目中的 9 个），
正式的 SAIL 规范（相对于不明确的黄皮书）→ 实现严格验证，
硬件证明路径（ASIC/FPGA）已经在测试中（SP1、Nervos、Cartesi）。

迁移分为 3 个阶段：

RISC-V 作为预编译替代品（低风险测试）。
双 VM 时代：EVM RISC-V，具有完全的互操作性。
在 RISC-V 内部重新实现 EVM（Rosetta 策略）。

生态系统影响：

Optimistic Rollup 崩溃（Arbitrum/OP 必须重建欺诈证明）。
ZK Rollup 大获全胜（Polygon、zkSync、Scroll → 更便宜、更快、更简单）。
开发者直接在 L1 上获得 Rust/Go/Python 库。
用户获得约 100 倍更便宜的证明 → 通往 Gigagas L1（约 1 万 TPS）的道路。

最终，以太坊从“智能合约 VM”演变为互联网的极简、可验证的信任层，其中“终点 = ZK-snark 一切”。

以太坊处于十字路口

终点包括…… ZK-snark 一切。” — @VitalikButerin ZK 终局是不可避免的，并且论点很简单：以太坊正在从零知识证明的基础上从头开始重建。这代表了协议的技术终点线 —— 重新架构

有了这个愿景作为终点线，以太坊现在正处于自发布以来最重大的架构演变的门槛。讨论不再是关于增量升级，而是对其计算核心的根本性重新架构：替换以太坊虚拟机 (EVM)。该倡议是更广泛的 “(Lean Ethereum)精益以太坊”愿景的基石，该愿景旨在系统地简化整个协议，将其分解为三个核心组件：精益共识、精益数据和精益执行。精益执行的核心在于一个关键问题：EVM（为智能合约革命提供动力的引擎）现在是否是以太坊未来的主要瓶颈？

正如以太坊基金会的 Justin Drake 所说，长期目标一直是“Snarkify 一切”，这是一个强大的工具，可以增强协议的每一层。长期以来，这有点像是“空中楼阁，因为我们特别需要的是实时证明的概念”。现在实时证明正在成为现实，EVM 的理论低效率已成为一个实际且紧迫的问题需要解决。

本分析探讨了将以太坊 L1 迁移到 RISC-V 指令集架构 (ISA) 的引人注目的技术和战略论据，此举有望释放前所未有的可扩展性、简化协议，并使以太坊与可验证计算的未来保持一致。

到底在改变什么？

在深入探讨“原因”之前，了解“什么”至关重要。

EVM 是以太坊上智能合约的运行时环境。它是处理交易并更新区块链状态的“世界计算机”。多年来，它的设计具有革命性，创建了一个无需许可的平台，催生了整个 DeFi 和 NFT 生态系统。然而，其定制的、近十年前的架构现在带来了巨大的技术负担。另一方面，RISC-V 不是产品，而是一个开放标准——一个免费且通用的“字母表”，用于设计处理器。正如 Jeremy Bruestle 在 Ethproofs 电话会议中强调的那样，它的关键原则使其非常适合这个角色：

极简主义：基本指令集非常简单，仅包含大约 40-47 条指令。用 Jeremy 的话说，这使得它“几乎非常适合我们拥有的超级简约通用机器的用例”。
模块化：通过可选扩展添加更复杂的功能。这至关重要，因为它允许一个简单的核心可以根据需要进行扩展，而无需将不必要的复杂性强加到基本协议中。
开放生态系统：它受到大量的、成熟的工具链的支持，包括 LLVM 编译器，这使开发人员可以使用 Rust、C 和 Go 等主流语言。正如 Justin Drake 提到的，“围绕编译器有很多工具，而编译器非常难以构建……因此拥有这种编译器工具链有很多价值”。 RISC-V 允许以太坊免费继承这项工作。

解释器开销问题

替换 EVM 的必要性不是由单一缺陷驱动的，而是由一系列基本限制共同造成的，在 ZK 原生未来的背景下，这些限制已变得无法忽视。这些问题包括 ZK 证明系统中的严重性能瓶颈，以及协议本身内部危险复杂性的累积。

解释器开销问题

这种转变最紧迫的驱动因素是 EVM 在零知识证明系统中的固有低效率。随着以太坊转向由 ZK 证明验证 L1 状态的模型，证明者性能成为最终的瓶颈。

“虚拟机不必复杂。” — @VitalikButerin
对于大多数人来说，围绕 Vitalik 的“长期 L1 执行层提案：用 RISC-V 替换 EVM”的议论听起来像是黑魔法。但如果它实际上更简单，并且影响到每个人呢？

问题在于当前 zkEVM 的工作方式。它们不直接证明 EVM。相反，它们证明 EVM 的解释器本身被编译为 RISC-V。Vitalik Buterin 直接解释了这个根本问题：

“……如果 zkVM 的实现方式是采用 EVM 执行并将其编译成最终变成 RISC-V 代码的东西，那么为什么不直接向智能合约开发者公开底层的 RISC-V 呢？这样你就可以完全消除整个虚拟机的外部层开销。”

这额外的解释层带来了巨大的性能损失。估计表明，与证明原生程序相比，这会导致 50-800 倍的减速。在优化哈希等其他瓶颈（例如，通过切换到 Poseidon）之后，此“区块执行”部分将消耗所有证明时间的 80-90%，从而使 EVM 成为扩展 L1 的最终也是最强大的障碍。通过消除这一层，Vitalik 估计执行效率可能会提高 100 倍。

关于从长远来看用 RISC-V 替换 EVM 的新 @VitalikButerin 博客文章。我非常喜欢以太坊执行层的这个方向。如今，像 SP1 这样的 RISC-V zkVM 显然是“ZK-ifying”以太坊的最终解决方案，并且正在迅速成为事实上的解决方案

预编译债务陷阱

为了解决 EVM 在特定加密操作中的糟糕性能，以太坊引入了预编译合约——直接硬编码到协议中的专用函数。虽然当时这是一个务实的解决方案，但这导致了 Vitalik Buterin 称之为“可怕”的局面：

“预编译对我们来说很糟糕……它们极大地膨胀了以太坊的可信代码库……它们对我们在共识失败方面最严重的险些失误负有责任。”

复杂性令人震惊。Vitalik 通过将单个预编译 modexp 的包装器代码与整个 RISC-V 解释器进行比较来说明了这一点——观察到预编译的逻辑实际上要复杂得多。添加新的预编译需要一个缓慢且在政治上充满争议的硬分叉过程，这扼杀了需要新加密原语的应用程序的创新。这导致 Vitalik 得出一个坚定的结论：

“我实际上认为我们应该从今天开始暂停任何新的预编译。”

以太坊的架构技术债务

EVM 的核心设计反映了一个逝去时代的优先事项，并且不适合现代计算。

256 位架构是为处理加密值而选择的，对于大多数智能合约操作来说效率极低，这些操作通常使用 32 位或 64 位整数。这种低效率在 ZK 系统中尤其昂贵。正如 Vitalik 解释的那样：

“当你使用较小的数字时，你实际上并没有从每个单独的数字中获得任何节省，并且复杂性会增加大约两到四倍。”

此外，其基于堆栈的架构不如 RISC-V 和现代 CPU 的基于寄存器的模型高效。它需要更多的指令来执行相同的操作，并使编译器优化复杂化。

这些综合因素——ZK 证明瓶颈、预编译的复杂性和过时的架构选择——为以太坊超越 EVM 创造了一个引人注目且紧迫的理由。

RISC-V 蓝图——建立在更坚实的基础上

VitalikButerin 简化 L1

采用 RISC-V 的理由不仅仅是 EVM 的缺点；而是关于 RISC-V 设计理念的内在优势。它的架构提供了一个强大、简单且可验证的基础，非常适合像以太坊这样的高风险环境。

为什么开放标准优于定制设计

与需要从头开始构建整个软件生态系统的定制 ISA 不同，RISC-V 是一个成熟的开放标准。这提供了三个关键优势：

成熟的生态系统。通过采用 RISC-V，以太坊可以利用计算机科学领域数十年的集体进步。正如 Justin Drake 解释的那样，这提供了对世界一流工具的即时访问：

“有一个名为 LLVM 的基础设施组件，它是一个编译器工具链，允许你采用高级编程语言并将其编译为各种后端。RISC-V 是受支持的后端之一。因此，如果你支持 RISC-V，你将自动支持 LLVM 启用的所有高级语言。”

这大大降低了数百万精通 Rust、C 和 Go 等语言的开发人员的入门门槛。

设计上的简单性。RISC-V 的极简主义是一种刻意的特性，而不是一种限制。基本指令只有约 47 条，虚拟机的核心仍然非常简单。这种简单性对于安全性来说是一个巨大的优势，因为更小的可信代码库更容易审计和形式化验证。
ZK 领域的实际标准化。至关重要的是，zkVM 生态系统已经做出了选择。正如 Justin Drake 强调的那样，Ethproofs 的数据中出现了一种清晰的模式：

“RISC-V 是 zkVM 后端的领先 ISA。”

在能够证明以太坊区块的十个 zkVM 中，九个已经以 RISC-V 为目标。这种市场融合是一个强烈的信号；通过采用 RISC-V，以太坊不是在进行投机性押注，而是与已经通过构建其 ZK 未来的项目进行过实战测试和验证的标准保持一致。

为信任而设计，而不仅仅是执行

除了其生态系统之外，RISC-V 的内部架构非常适合构建安全且可验证的系统。

首先，它有一个正式的、机器可读的规范，称为 SAIL。这是对 EVM 规范的巨大改进，EVM 规范主要以散文文档（黄皮书）的形式存在，这可能会产生歧义。SAIL 规范充当“黄金标准”，可以实现对于保护巨大价值的协议必不可少的正确性数学证明。正如 EF 的 Alex Hicks 在 Ethproofs 电话会议中指出的那样，这允许直接“根据官方 RISC-V 规范”验证 zkVM 电路。

其次，RISC-V 包括一个特权架构，这是一个经常被忽视但对安全至关重要的功能。它定义了不同的操作级别，主要是用户模式（用于不受信任的应用程序，如智能合约）和监管模式（用于受信任的“执行内核”）。Cartesi 的 Diego 解释了它的重要性：

“操作系统本身必须保护自己免受其他代码的侵害。它需要保持不同的程序彼此分离运行，并且所有这些机制都是 RISC-V 标准的一部分。”

在此模型中，在用户模式下运行的智能合约无法直接访问区块链的状态。相反，它必须通过特殊的 ECALL（环境调用）指令向在监管模式下运行的可信内核发出请求。这创建了一个硬件强制的安全边界——比 EVM 的纯软件沙盒模型更强大且更可验证的模型。

Vitalik 的愿景

过渡被设想为一个渐进的、多阶段的过程，以确保稳定性和向后兼容性。Vitalik Buterin 概述的这种方法旨在实现进化，而不是革命。

第 1 步：预编译替换。第一个、最保守的步骤是以有限的容量引入新的 VM。正如 Vitalik 建议的那样，“我们首先在有限的情况下使用新的 VM。例如，替换预编译”。这将涉及暂停新的 EVM 预编译，而是将任何所需的功能实现为白名单 RISC-V 程序。这允许新的 VM 在低风险环境中在主网上进行实战测试。）接口，其中以太坊客户端充当两个执行环境之间的中介。
第 2 步：双 VM 共存。下一个阶段将“使这个新的 VM 直接可供用户使用”。可以使用一个标志来部署合约，该标志指示其字节码是 EVM 还是 RISC-V。关键特性是确保无缝互操作性：“两种类型的合约都能够相互调用”。这将通过系统调用（ECALL）来实现。
第 3 步：作为模拟合约的 EVM（“Rosetta”策略）。最终目标是实现最终的协议简化。在这个阶段，“我们使 EVM 成为新 VM 内部的实现”。规范 EVM 将成为在原生 RISC-V L1 上运行的经过形式化验证的智能合约。这确保了对旧应用程序的永久支持，同时允许客户端开发人员仅维护一个最小的执行引擎。

整个生态系统的连锁反应

拟议的从 EVM 到 RISC-V 的过渡远远超出了核心协议，对整个以太坊生态系统产生了深远的连锁反应。它有望重塑开发人员的体验，从根本上改变 Layer-2 解决方案的竞争格局，并为证明解锁新的经济模型。

Rollup 重新调整：Optimistic vs. ZK

L1 上执行层转移到 RISC-V 将对两种主要的 Rollup 类别产生深远且不同的影响。

Optimistic Rollup（Arbitrum、Optimism）面临着根本的架构挑战。它们的安全性模型基于通过在 L1 EVM 上重新执行有争议的交易来解决欺诈证明的能力。如果 L1 EVM 被替换，则整个模型都会崩溃。这些项目将面临一个严峻的选择：进行大量的工程工作以设计一个针对新的 L1 VM 的新欺诈证明系统，或者完全脱离以太坊的安全模型。

相比之下，ZK Rollup 获得了巨大的战略优势。绝大多数已经 converging 在 RISC-V 上作为其内部 ISA。一种说同一种母语的 L1 将能够实现更紧密和更高效的集成。Justin Drake 描述了一个“原生 rollup”的未来，其中 L2 本质上是 L1 自身执行环境的一个专门实例，使用规定的 L1 VM 进行无缝结算。这种对齐将：

简化技术堆栈：L2 团队不再需要弥合其内部 RISC-V 执行和 EVM 之间复杂的差距。
启用工具和代码重用：为 L1 RISC-V 环境开发的编译器、调试器和形式验证工具可以直接被 L2 重用。
调整经济激励：L1 gas 成本将更准确地反映 ZK 证明 RISC-V 执行的实际成本，从而创建更合理的经济模型。

开发者和用户的新时代

对于那些在以太坊上构建的人来说，过渡有望是进化式的，而不是破坏性的。

对于开发者来说，关键好处是能够访问更广泛、更成熟的软件开发世界。正如 Vitalik Buterin 指出的那样，开发者将“能够用 Rust 编写合约，并且这两种选择将开始彼此共存。”与此同时，他预测“由于 Solidity 和 Vyper 对于智能合约逻辑的优雅性，它们将在很长一段时间内继续流行”。通过 LLVM 工具链使用主流语言及其庞大的库的能力是一种变革性的转变。它打开了通往他所描述的“NodeJS 类型的体验，你基本上使用相同的语言来编写链上代码以及编写链下代码”的大门。
对于用户来说，最终的回报是更便宜、功能更强大的网络。预计证明成本将降低约 100 倍——从每笔交易几美元降至几美分——这直接转化为 L1 和 L2 结算的更低费用。这种经济可行性解锁了“Gigagas L1”愿景，目标是在 L1 上实现约 10,000 TPS，从而实现更复杂、更高价值的链上应用程序的未来。

ETH zkEVM-L1 100 倍扩展：以太坊揭示了其 10M TPS 的路线图,实时 ZK 证明如何释放以太坊的 Teragas 愿景执行

Succinct Labs 和 SP1：证明未来，就在今天

RISC-V 的理论优势已经通过 Succinct Labs 等团队的实践得到了证明。他们的工作是整个提案的有力案例研究。

Succinct 的 SP1 是一个基于 RISC-V 构建的高性能开源 zkVM，它验证了新的架构方法。它的“以预编译为中心”的理念完美地说明了如何解决 EVM 的加密瓶颈。SP1 没有依赖于缓慢的、硬编码的预编译，而是将 Keccak 哈希等密集型操作分流到通过标准 ECALL 指令调用的经过专门优化的 ZK 电路。这提供了自定义硬件的性能和软件的灵活性。

@SuccinctLabs SP1 Hypercube 实时以太坊证明就在这里。

实际影响已经可见。OP Succinct 产品使用 SP1 来“ZK-ify”Optimistic Rollup。正如 Succinct 的联合创始人 Uma Roy 解释的那样：

“你的 OP Stack rollup，不再需要等待七天才能完成最终性和提款……现在实现了一小时的最终性。它的最终性更快，这太棒了。”

这解决了整个 OP Stack 生态系统的一个主要痛点。此外，Succinct 的基础设施——Succinct Prover Network——被设计为一个用于证明生成的去中心化市场，展示了可验证计算的未来可行经济模型。他们的工作不仅仅是一个概念验证；它是本文中描述的未来的一个可行蓝图。

以太坊如何降低风险

RISC-V 的一个关键优势在于，它使形式验证（通过数学方式证明系统的正确性）这一圣杯成为一个可以实现的目标。EVM 在黄皮书中以自然语言指定，因此很难形式化。相比之下，RISC-V 具有官方的、机器可读的 SAIL 规范，该规范为其行为提供了一个明确的“黄金参考”。

这为实现更强的安全性提供了清晰的途径。正如以太坊基金会的 Alex Hicks 指出的那样，正式“根据提取到 Lean 中的官方 RISC-V 规范验证 zkVM RISC-V 电路”的工作已经在进行中。这是一个巨大的进步，将信任从容易出错的人工实现转移到可验证的数学证明。

过渡的主要风险

尽管 RISC-V 具有优势，但基于 RISC-V 的 L1 引入了新的且令人生畏的挑战。

Gas 计量。为通用 ISA 创建确定性且公平的 gas 模型是最难解决的问题之一。一个简单的指令计数很容易受到拒绝-服务攻击（例如，攻击者可以制作一个重复错过缓存的程序，从而以非常低的 gas 费用导致高资源使用率）。
工具链安全和可重现构建问题。这可能是最重要且未被充分认识的风险。安全模型从信任链上 VM 转移到信任每个开发人员使用的链下编译器（例如 LLVM）。这些编译器非常复杂，并且已知包含 bug。攻击者可能会利用编译器 bug 从看似良性的源代码生成恶意字节码。此外，确保链上编译后的二进制文件与特定的公共源代码完全对应（“可重现构建”问题）非常困难，因为构建环境中的微小差异可能会产生不同的二进制文件。

缓解策略

前进的道路需要一个多层防御策略。

分阶段推出。渐进式、多阶段的过渡计划是主要的风险缓解策略。通过首先将 RISC-V 作为预编译替换引入，然后在双 VM 环境中引入，社区可以在做出任何不可逆转的更改之前获得运营经验并建立对低风险环境的信心。
全面审计：模糊测试和形式化方法。虽然形式验证提供了最终目标，但它必须辅以持续的、积极的测试。正如 Diligence Security 的 Valentine 在 Ethproofs 电话会议中演示的那样，他们的 Argus 模糊测试器已经发现了领先的 zkVM 中的 11 个关键可靠性和完整性 bug。这证明即使是设计最完善的系统也存在漏洞，这些漏洞只能通过严格的对抗性测试才能发现。
标准化。为了避免生态系统碎片化，社区converging在单一标准 RISC-V 配置文件上至关重要。这很可能是带有 Linux 兼容 ABI 的 RV64GC，因为这种组合提供了主流语言和工具最广泛的支持，从而最大限度地提高了新生态系统的好处。

可验证未来的曙光

用 RISC-V 替换以太坊虚拟机的提案代表了对网络未来的一个关键且大胆的愿景。它不仅仅是一个增量升级，而是以太坊执行层的根本性重新架构，旨在解决根深蒂固的可扩展性瓶颈、简化协议复杂性，并将平台与更广泛的通用计算世界保持一致。虽然这条道路充满了巨大的技术和社会挑战，但长期战略利益足以证明这项雄心勃勃的尝试是合理的。

过渡取决于一组核心权衡：ZK 原生架构的巨大性能提升与向后兼容性的关键需求；更简单协议的安全性优势与 EVM 庞大网络效应的惯性；以及通用生态系统的力量与依赖复杂第三方工具链的风险。

最终，这种架构转变是实现更广泛的“精益以太坊”愿景的“精益执行”承诺的关键。它将 L1 从一个简单的智能合约平台转变为一个高效且安全的结算和数据可用性层，专门用于支持可验证计算的领域。旅程是漫长的，但方向是明确的。正如 Vitalik Buterin 所说，最终目标是：

“终点包括…… ZK-snark 一切。”

Ethproofs 等举措提供了客观数据和协作论坛，这是驾驭这条道路所必需的，而 Succinct Labs 等团队及其 SP1 zkVM 的实际实施则为这个未来是什么样子提供了一个可行的蓝图。通过拥抱 RISC-V，以太坊不仅解决了自身的可扩展性瓶颈；它还在将自己定位为下一代互联网的基础信任层，该层由哈希和签名之后的第三个伟大的加密原语提供支持：SNARK。

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