技术债务堆积，以太坊如何用 RISC-V 重建技术架构，找到破局之道？

撰文：jaehaerys.eth

编译：Glendon，Techub News

TL;DR

以太坊正在经历自创世以来最重要的架构变革：用 RISC-V 替代以太坊虚拟机（EVM）。推动这一变化的根本原因是，在零知识证明（ZK）时代，EVM 已成为最大瓶颈：

当前的 zkEVM 依赖解释器执行，导致速度降低 50–800 倍；
预编译合约（Precompiles）使协议变得过于复杂且风险增加；
256 位堆栈设计在证明中效率极低。

RISC-V 能解决这些问题：

极简主义（约 47 条基础指令）+ 成熟的 LLVM 生态（支持 Rust、C++、Go）；
已成事实上的 zkVM 标准（90% 项目采用）；
形式化 SAIL 规范（相对于模棱两可的黄皮书），可以支持严格验证；
硬件证明路径（ASIC/FPGA）已在测试中（SP1、Nervos、Cartesi）。

迁移分三个阶段：

RISC-V 作为预编译合约替代品（低风险测试）；
双虚拟机时代：EVM + RISC-V 具有完全互操作性；
EVM 在 RISC-V 内部重新实现（类似 Rosetta 策略）。

生态系统影响：

Optimistic Rollups 不受影响；RISC-V 主网不会消除欺诈证明，现有证明程序可编译适配 RISC-V（目前基于 MIPS）；迁移路径：将当前防错基础设施扩展到目标 RISC-V，而非彻底重构；
ZK Rollup 将大幅受益（Polygon、zkSync、Scroll → 更便宜、更快、更简单）；
开发者可直接在 L1 使用 Rust/Go/Python 库；
用户可获得便宜约 100 倍的证明成本，从而迈向 Gigagas 级别（约 10k TPS）L1 之路。

最终，以太坊将从「智能合约虚拟机」进化为一个最小的、可验证的互联网信任层，其终极目标是：「一切皆 ZK-Snark 化」。

以太坊正处于十字路口

以终极目标「一切皆 ZK-Snark 化」为愿景，以太坊如今正处于其创世以来最重要的架构演进的门槛上。这场讨论已不再局限于渐进式升级，而是对其计算核心的根本性重构——即以太坊虚拟机（EVM）的替代。这一倡议是更宏大的「精简以太坊」（Lean Ethereum）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：精简共识（Lean Consensus）、精简数据（Lean Data）和精简执行（Lean Execution）。而精简执行的核心问题在于：作为智能合约革命引擎的 EVM，现在是否已成为以太坊未来发展的主要瓶颈？

正如以太坊基金会的 Justin Drake 所言，以太坊的长期目标始终是「对一切进行 Snark 化」，这是一种能够增强协议各层的强大工具。但长期以来，这个目标更像是「空中楼阁」，因为实现它需要实时证明这一概念。而如今，随着实时证明逐渐成为现实，EVM 的理论低效性已转化为一个亟待解决的实际问题。

本分析将探讨以太坊 L1 迁移至 RISC-V 指令集架构（ISA）的技术与战略论据，这一举措有望释放前所未有的可扩展性、简化协议结构，并使以太坊与可验证计算的未来保持一致。

究竟发生了什么变化？

在深入探讨「为什么」之前，首先需要了解「是什么」正在发生变化。

EVM 是以太坊智能合约的运行环境，是处理交易并更新区块链状态的「世界计算机」。多年来，其设计具有革命性，创造了无需许可的平台，并催生了整个 DeFi 和 NFT 生态系统。然而，这套近十年前的定制架构如今已积累了沉重的技术债务。

相比之下，RISC-V 并非产品，而是一种开放标准——一种免费的、通用的处理器设计「字母表」。正如 Jeremy Bruestle 在 Ethproofs 电话会议中所强调的，其关键原则使其成为这一角色的不二之选：

极简主义：基础指令集极其简洁，仅包含约 40-47 条指令。Jeremy 形容其「几乎是我们需要的超精简通用机器的完美用例」。
模块化：通过可选扩展添加更复杂的功能。这一点至关重要，因为它允许一个简单的核心，并可按需扩展，而不会将不必要的复杂性强加于基础协议；
开放生态系统：它拥有庞大而成熟的工具链支持，包括 LLVM 编译器，允许开发者使用 Rust、C++ 和 Go 等主流语言。正如 Justin Drake 所说：「编译器相关的工具有很多，而且编译器的构建极其困难……因此，拥有这些编译器工具具有很大的价值。」RISC-V 让以太坊能够免费继承这些现成的工具。

解释器开销问题

替换 EVM 的必要性并非源于单一缺陷，而源于一系列根本性限制，这些限制在零知识证明（ZK）原生未来的背景下，已变得无法忽视。这些问题涵盖了 ZK 证明系统中严重的性能瓶颈，以及协议内部日益积累的复杂性所带来的风险。

解释器开销问题

这一转型最紧迫的驱动力是 EVM 在零知识证明系统中的固有低效性。随着以太坊逐步转向通过 ZK 证明验证 L1 状态的模型，证明器的性能将成为最终的瓶颈。

问题出在当前 zkEVM 的工作原理上。它们并非直接对 EVM 进行零知识证明，而是对一个 EVM 的解释器进行证明，而该解释器本身又被编译为 RISC-V。Vitalik Buterin 一针见血地指出了这一核心问题：

「如果 zkVM 的实现方式是将 EVM 的执行编译为最终成为 RISC-V 代码的内容，那为什么不直接向智能合约开发者开放底层的 RISC-V？这样可以完全减免整个外层虚拟机的开销。」

这一额外的解释层带来了巨大的性能损失。根据估算，与证明原生程序相比，这一层可能导致 50 到 800 倍的性能下降。在优化其他瓶颈（如通过切换到 Poseidon 哈希算法）后，这部分「区块执行」仍将消耗 80–90% 的证明时间，使 EVM 成为扩展 L1 的最终且最顽固的障碍。倘若移除这一层，Vitalik 预测执行效率可能会提升 100 倍。

预编译合约的债务陷阱

为了解决 EVM 在特定密码学操作中性能不足的问题，以太坊引入了预编译合约——将专用函数直接硬编码到协议中。虽然这在当时是一个务实的解决方案，但如今却引发了 Vitalik Buterin 所称的「灾难性」局面：

「预编译对我们来说是灾难性的……它们极大地膨胀了以太坊的可信代码库……并且在共识失败的边缘，它们曾让我们数次险些翻车。」

其复杂程度令人咋舌。Vitalik 通过对比单个预编译合约（modexp）的包装代码与完整的 RISC-V 解释器指出：预编译的逻辑实际更为复杂。新增预编译需经历缓慢且充满政治博弈的硬分叉过程，这严重阻碍了依赖新型密码学原语的应用创新。

因此，Vitalik 得出一个坚定的结论：「我实际上认为，我们应当立即停止新增任何预编译合约。」

以太坊的架构技术债务

EVM 的核心设计反映着过时的时代需求，但它已无法适配现代计算。EVM 选择了 256 位架构用于处理密码学值，对于智能合约中通常使用的 32 位或 64 位整数而言，这种架构效率极低。这种低效率的代价在零知识证明系统中尤其高昂。

正如 Vitalik 所解释的：「当使用较小的数字时，每个数字实际上不会节省任何资源，而复杂性则会增加 2 到 4 倍。」

除此之外，EVM 的堆栈架构效率低于 RISC-V 和现代 CPU 的寄存器架构。它需要更多指令才能执行相同的操作，同时也使编译器优化变得更加复杂。

这些综合因素包括 ZK 证明的性能瓶颈、预编译的复杂性以及过时的架构选择，共同为以太坊超越 EVM 构成了一个令人信服且紧迫的理由。

RISC-V 蓝图：建立更坚实的基础

RISC-V 的优势不仅源于 EVM 的不足，更在于其设计哲学与生俱来的内在优势。它的架构提供了一个稳健、简单且可验证的基础，非常适合以太坊这样高风险的环境。

开放标准为何优于定制设计

与需要从零开始构建整个软件生态的定制化指令集架构（ISA）不同，RISC-V 是一个成熟的开放标准，能够提供三大关键优势：

成熟的生态系统

通过采用 RISC-V，以太坊充分借助了数十年来计算机科学领域的集体进步。正如 Justin Drake 所解释的，这为以太坊提供了直接使用世界级工具的途径：「有一个基础设施组件叫 LLVM，它是一套编译器工具链，允许开发者将高级编程语言编译到各种后端。RISC-V 是受其支持的后端之一。所以如果你支持 RISC-V，就可以自动支持所有 LLVM 支持的高级语言。」

这极大降低了数百万熟悉 Rust、C 和 Go 等语言的开发者的进入门槛。

极简主义的设计哲学

RISC-V 的极简主义是刻意为之的特性，而非局限性。其基础指令集仅包含约 47 条指令，使虚拟机的核心极度简洁。这种简洁性对于安全性而言是一个巨大的优势，因为更小的可信代码库更容易进行审计和形式化验证。

ZK 领域的事实标准

更重要的是，zkVM 生态系统已经做出了自主选择。正如 Justin Drake 所强调的，从 Ethproofs 数据中可以看到一个清晰的趋势：「RISC-V 是 zkVM 后端的领先 ISA。」

在 10 个能够证明以太坊区块的 zkVM 中，已有 9 个选择了 RISC-V 作为目标架构。这一市场趋同释放了一种强有力的信号：以太坊采用 RISC-V 并非是在进行投机性尝试，而是在跟随一个经过市场验证的标准。

为信任而设计，不止于执行

除了生态系统之外，RISC-V 的内部架构也特别适合构建安全且可验证的系统。

首先，RISC-V 有一个正式的、机器可读的规范，称为 SAIL。这比以太坊虚拟机（EVM）的规范有了巨大的改进，后者主要以文档（黄皮书）的形式存在，可能存在歧义。而 SAIL 规范提供了「黄金标准」，能够提供对协议正确性至关重要的数学证明，而这对保护价值巨大的协议至关重要。正如以太坊基金会（EF）的 Alex Hicks 在 Ethproofs 电话会议上指出的那样，这使得 zkVM 电路能够直接「根据官方 RISC-V 规范」进行验证。

其次，RISC-V 包含一个特权架构，这一特性经常被忽视，但对安全性至关重要。它定义了不同的操作级别，主要包括用户模式（用于不可信应用，如智能合约）和监管模式（用于可信的「执行内核」）。

在 RISC-V 的模型中，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。这种机制构建了一个由硬件强制执行的安全边界，比纯粹基于软件的 EVM 沙盒模型更加更加稳健且易于验证。

Vitalik 的愿景

这一转型被设想为一个循序渐进、多阶段的过程，以确保系统的稳定性和向后兼容性。Vitalik Buterin 概述的这一方法旨在实现渐进式发展，而非革命性变革。

第一步：预编译替换

初始阶段采取最保守的方式，引入新虚拟机（VM）的有限功能。正如 Vitalik 所建议的，「我们可以从有限的场景开始使用新虚拟机，例如替换预编译功能。」这将涉及暂停新的 EVM 预编译功能，取而代之的是通过白名单批准的 RISC-V 程序实现所需功能。这种方法允许新虚拟机能够在低风险环境下在主网中进行实战测试，同时通过以太坊客户端充当两种执行环境之间的中介。

第二步：双虚拟机共存

下一阶段将「直接向用户开放新虚拟机」。智能合约部署时可以添加一个标志，来指示其字节码是 EVM 还是 RISC-V。关键特性是确保无缝的互操作性：「两种类型的合约将能够相互调用」。这将通过系统调用（ECALL）实现，以太坊客户端充当执行环境的中介。

第三步：EVM 作为模拟合约（「Rosetta」策略）

最终目标是实现协议的终极简化。在此阶段，「我们将 EVM 实现为新虚拟机的一种实现」。规范的 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。这不仅确保了对旧版应用程序的永久支持，同时允许客户端开发者仅维护单一精简执行引擎。

整个生态系统的连锁反应

从 EVM 到 RISC-V 的过渡计划远不止核心协议，它将对整个以太坊生态系统产生深远的影响，有望重塑开发者体验，从根本上改变 Layer-2 解决方案的竞争格局，并开启新的证明经济模型。

Rollup 格局重构：Optimistic 与 ZK 的路径分野

转向 L1 上的 RISC-V 执行层将对两种主要类型的 Rollups 产生截然不同的影响。

Optimistic Rollups（如 Arbitrum、Optimism）的安全模型依赖于在 Layer-1 上重新执行有争议交易来解决欺诈证明。即使以太坊 Layer-1 迁移到 RISC-V，这些系统也不会发生根本性变化。正如 Optimism 的一位联合创始人所解释的那样：「如果我们将以太坊迁移到 RISC-V，Optimistic 链也不会中断。你只需将 RISC-V 虚拟机编译到证明程序中即可。也无需使用 Asterisc。现有的基于 MIPS 的证明系统同样不会中断——你只需将 RISC-V 虚拟机编译到 MIPS 中即可。」

这意味着防欺诈模型仍然完好无损。调整是技术性的：将新的 RISC-V 虚拟机编译到现有基础架构中，而不是从头开始重新设计系统。剩下的挑战是工程细节，例如 Gas 计量、效率和成本。

相比之下，ZK Rollups 将获得巨大的战略优势。绝大多数 ZK Rollups 已经将 RISC-V 作为其内部 ISA。使用相同原生语言的 L1 可以实现更紧密、更高效的整合。Justin Drake 描述了「原生 Rollups」的未来愿景，其中 L2 本质上是 L1 自身执行环境的一个特化实例，使用内置的 L1 VM 实现无缝结算。这种整合将带来以下变化：

简化技术堆栈：消除 L2 内部 RISC-V 执行与 EVM 间的复杂桥接；
实现工具和代码重用：为 L1 RISC-V 环境开发的编译器、调试器和形式化验证工具可由 L2 直接使用，以降低开发成本。
协调经济激励：L1 的 Gas 费用将更准确地反映 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

对以太坊生态开发者而言，这种转变将是渐进的，而不是颠覆性的。

对于开发者而言，关键优势在于他们能够进入更广阔、更成熟的软件开发世界。正如 Vitalik Buterin 所指出的，开发者将「能够用 Rust 编写合约，并且这两种语言将开始共存」。同时，他预测「Solidity 和 Vyper 将在很长一段时间内持续流行」，因为它们拥有设计优雅的智能合约逻辑。能够通过 LLVM 工具链使用主流语言及其丰富的库，这种转变将是革命性的。Vitalik 将其描述为一种「类似 Node.JS 的体验」，在这种体验中，开发者基本上可以使用同一种语言来编写链上代码和链下代码。

对于用户而言，最终的回报是更经济、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分钱——这将直接转化为更低的 Layer-1 和 Layer-2 结算费用。这种经济可行性将开启「Gigagas L1」愿景，目标是在 L1 上实现约 10000 TPS 的性能，从而为未来更复杂、更高价值的链上应用提供支持。

Succinct Labs 与 SP1：证明未来就在当下

RISC-V 的理论优势已由 Succinct Labs 等团队付诸实践，他们的工作成果为整个提案提供了强有力的案例研究。

Succinct Labs 开发的 SP1 是一款基于 RISC-V 构建的高性能、开源 zkVM，它验证了新的架构方法的可行性。其采用「预编译中心化」设计理念，完美解决了 EVM 的密码学瓶颈问题。与传统依赖缓慢、硬编码的预编译方式不同，SP1 将 Keccak 哈希等密集型操作卸载到通过标准的 ECALL 指令调用，且专门设计、手动优化的 ZK 电路中。这既能提供定制硬件的性能，又兼具软件的灵活性。

该团队的实践影响已清晰显现，他们的 OP Succinct 产品利用 SP1 实现 Optimistic Rollup 的「ZK 化」（ZK-ify）。正如 Succinct 联合创始人 Uma Roy 所解释的：

「你的 OP Stack Rollup 无需等待 7 天才能完成最终确认和提现……现在只需 1 小时即可完成。这大幅提升最终确认速度，真是太棒了。」

这解决了整个 OP Stack 生态系统的一个关键痛点。此外，Succinct 的基础设施「Succinct Prover Network」，被设计为一个去中心化的证明生成市场，为可验证计算的未来展示了一个可行的经济模型。他们的工作不仅仅是一个概念验证，更是一个本文所描述的可行的未来蓝图。

以太坊如何降低风险

RISC-V 的一个关键优势在于，它使形式化验证的终极目标——通过数学证明系统的正确性——成为一个可实现的目标。EVM 的规范以自然语言编写于黄皮书（Yellow Paper）中，形式化难度极高。而 RISC-V 则拥有官方的、机器可读的 SAIL 规范，为其行为提供了明确的「黄金参考」。

这为更强的安全性开辟了一条清晰的道路。正如以太坊基金会的 Alex Hicks 所指出，目前已经在进行将「zkVM RISC-V 电路与官方 RISC-V 规范提取到 Lean 中进行形式化验证」的工作。这是一个里程碑式的进展，将信任从容易出错的人类实现转移到可验证的数学证明上，从而实现安全性方面的突破。

转型的主要风险

尽管 RISC-V 架构的 L1 具有诸多优势，但它也将面临新的复杂挑战。

Gas 计量问题：为通用 ISA 创建一个确定性且公平的 Gas 模型是最难解决的难题之一。简单的指令计数方法容易受到拒绝服务攻击的威胁。例如，攻击者可以设计一个程序反复触发缓存的程序，从而以极低的 Gas 费用实现高资源占用。

工具链安全与「可重现构建」问题：这或许是转型过程中最重要且被低估的风险。安全模型从信任链上虚拟机转向信任每个开发者使用的链下编译器（例如 LLVM），而这些编译器极其复杂，且已知包含漏洞。攻击者可能利用编译器漏洞，将看似无害的源代码转化为恶意字节码。此外，确保链上的编译后二进制文件与特定的公开源代码完全一致，即「可重现构建」问题，要实现也极为困难，因为构建环境中的细微差异都可能产生不同的二进制文件。

缓解策略

前进的道路需要多层次的防御策略。

分阶段推出：循序渐进、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 作为预编译替代方案引入，然后在双虚拟机环境中进行部署，社区可以在任何不可逆转的变更发生之前，在低风险环境中积累运营经验并建立信心。

全面审计：模糊测试与形式化验证。虽然形式化验证是最终目标，但它必须辅以持续、高强度的测试。正如 Diligence Security 的 Valentine 在 Ethproofs 电话会议上所展示的那样，他们的 Argus 模糊测试器已经在领先的 zkVM 中发现了 11 个关键的健全性和完整性漏洞。这证明，即使是设计最完善的系统也存在漏洞，只有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，社区必须统一采用单一、标准化的 RISC-V 配置文件。这很可能是 RV64 GC 和 Linux 兼容的 ABI 组合，因为这种组合能够提供来自主流语言和工具的最广泛支持，从而最大限度地发挥新生态系统的优势。