一、引言

区块链作为一种新型的分布式计算平台，其底层并不仅仅是数据结构或加密算法，更是一种运行环境的革命。从智能合约的执行到跨链验证、从去中心化应用（DApp）到零知识证明（ZKP）的生成，一切链上行为最终都需要被一种形式的虚拟机（Virtual Machine, VM）解释与执行。而支撑虚拟机运行的底层，是一个通常被忽视却极其关键的部分：硬件指令集架构（Instruction Set Architecture, ISA）。

传统区块链系统中，我们习惯性地认为“虚拟机是软件问题”，它只与编程语言和运行时相关。以太坊的 EVM 就是一种为智能合约定制的堆栈式虚拟机，Polkadot 和 Near 等则使用了 WebAssembly（WASM）作为运行时标准。然而，随着区块链朝向更高性能、可验证性和可裁剪性的方向演进，一个不可忽视的趋势正在出现：硬件 ISA 正在重新成为链上执行模型设计的组成部分。

1.1 区块链与硬件指令集的关联

在传统操作系统中，指令集是操作系统与硬件之间的桥梁，抽象了处理器可以执行的操作。在区块链系统中，由于其“可验证执行”和“跨平台确定性”的特点，虚拟机的行为不仅要正确，还要可被证明、可被重现。这种需求反过来倒逼虚拟机的指令语义必须清晰、简洁且行为确定，而这些特征正是 RISC 架构设计初衷的一部分。

更重要的是，在零知识证明（ZKP）、可信执行环境（TEE）和链下执行证明（Off-chain Proof）等场景中，指令集架构往往需要“被建模进证明电路”中，这使得 ISA 的可验证性、结构简洁性、标准化与开源程度成为至关重要的特性。一个架构封闭、复杂模糊的 ISA 并不适合成为链上 VM 的长期基础。

1.2 虚拟机在区块链中的角色

在区块链系统中，虚拟机的作用可以理解为“去中心化世界的 CPU”。无论是部署在以太坊主网上的合约，还是运行在 Rollup、AppChain 上的 zkVM、MoveVM，背后都有一个共同的问题：如何在一个全局共识系统中确定代码的执行结果。

主要的虚拟机方案包括：

• EVM（Ethereum Virtual Machine）：专为以太坊设计的堆栈式 VM，操作简单，执行过程可追踪；
• WASM（WebAssembly）：通用、高性能虚拟机标准，受浏览器推动，现已被多个链采用；
• Move VM：源于 Libra 项目，强调资源控制和形式化验证；
• zkVM / RISC-V VM：将执行建模为 zk 电路或 ISA 执行模型，用于高效生成零知识证明；
• Solana BPF VM：基于 Berkeley Packet Filter 扩展而来的安全 VM。

这些虚拟机虽然各有架构差异，但都面临同一问题：如何在链上实现“性能、可验证性、跨平台一致性”的统一？在这个问题上，ISA 的角色愈发凸显，尤其是具备可裁剪性和开源属性的 ISA，比如 RISC-V。

1.3 为什么关注 RISC-V：开源、轻量、可扩展性

在众多 ISA 中，RISC-V 近年来迅速崛起，原因在于它解决了几个长期存在的问题：

• 开源且无需授权：避免专利壁垒和许可风险，适合开源链项目与公共技术栈；
• 指令精简、语义清晰：便于建模、形式化验证和电路转换；
• 模块化扩展设计：可以只选用最小子集（如 RV32I）构建 VM，也可扩展 SIMD、Crypto 等指令；
• 活跃的生态：GCC/LLVM 等编译器工具链已经全面支持，操作系统、模拟器与验证框架也逐步完善；
• 全球化中立：基金会迁出美国，受到包括中国、欧洲等多方欢迎，有利于构建国际通用计算基础。

对区块链而言，RISC-V 提供了一种低门槛、高可控性的执行平台，既能运行链上合约，也可以嵌入电路生成 zk 证明，或在可信硬件中执行敏感逻辑。

1.4 本文目标与结构简介

本文将系统地探讨 RISC-V 在区块链领域的应用潜力，尤其是在虚拟机架构、执行环境设计与可验证性计算方面的价值。我们将从以下几个部分展开：

1. 关于 RISC-V：简要介绍 RISC-V 的基本概念；
2. RISC-V 的历史：从学术起源到产业应用，回顾其发展历程；
3. RISC-V 指令集简介：分析其指令模块化设计与 VM 相关的子集；
4. RISC-V 生态与发展：探索其软硬件支持现状与社区生态；
5. 区块链虚拟机领域的应用：剖析主流 VM 如何或为何对接 RISC-V；
6. 指令集对虚拟机的影响：从实现复杂度、性能、电路生成等维度解析；
7. 以太坊 RISC-V 计划的后续影响：解读曾提出的以太坊 RISC-V 运行环境方案；
8. 总结与展望：归纳 RISC-V 作为未来链上执行平台的可能路径。

在技术快速演进、共识成本不断上升的今天，一个开源、通用且面向可验证计算的执行架构，或许正是区块链系统亟需的“新基建”。RISC-V 能否承担这一角色，本文将逐步展开论述。

二、关于 RISC-V

现代计算系统的核心，在于指令集架构（Instruction Set Architecture, ISA）如何定义软件与硬件之间的交互协议。RISC-V 正是在这样一个系统核心层级上进行重新设计与开放共享的一次重大工程。本章将深入剖析 RISC-V 的技术理念、与传统主流 ISA 的对比优势，以及其“开源 ISA”身份在产业层面的重要性。

2.1 RISC 的设计理念与简洁指令集优势

RISC-V 属于精简指令集（Reduced Instruction Set Computer, RISC）体系的代表作之一。RISC 的设计思想源于 1980 年代对复杂指令集（CISC）计算机的反思，其基本假设是：大多数程序只使用少量的简单指令，复杂的操作可以通过编译器优化组合完成。

RISC 体系结构的核心理念包括：

• 固定长度指令：简化译码和执行逻辑，提高指令吞吐；
• 寄存器优先：大部分操作限定在寄存器间，内存访问最小化；
• 简洁语义，单周期执行：降低实现复杂度，有利于流水线和乱序执行；
• 编译器友好：将复杂指令转交给编译器组合完成，提高硬件通用性。

RISC-V 延续了上述 RISC 精神，并在此基础上进一步强调：

• 模块化设计：基础指令集（如 RV32I）可以独立使用，高级扩展如浮点、向量、压缩指令可以按需添加；
• 简洁且可形式化建模的语义：特别适合嵌入形式验证系统或零知识电路；
• 清晰的用户态与特权态划分：有助于构建多级安全环境和虚拟化支持；
• 跨平台一致性强：指令行为标准统一，避免了历史包袱和非文档化特性。

简言之，RISC-V 代表着一种“从零开始”的指令集重构尝试，以现代编译器、硬件工艺与系统需求为出发点，设计出更加开放、简洁、可验证的 ISA。

2.2 与 x86、ARM 等指令集的主要对比

RISC-V 的主要对手是当前市场上占主导地位的两种架构：x86 和 ARM。它们分别主导着桌面 / 服务器市场与移动 / 嵌入式市场。

从区块链视角看，RISC-V 在以下方面具备天然优势：

• 结构简洁，电路友好：非常适合 zkVM 等对执行建模有强需求的系统；
• 许可自由，无法律障碍：无需担心执行环境中的专利争议，适合全球部署；
• 可裁剪性强：可以只使用 RV32I 等极小指令集构建轻量级 VM；
• 实现容易：无论是用 Verilog 重建处理器，还是在软件中实现解释器，都较为简单。

x86 的复杂性与封闭性使其不适合被建模进链上环境；ARM 尽管技术先进，但授权限制严重，难以作为“链上通用计算标准”。RISC-V 则因其开放性、简洁性和适配性，成为链上执行平台的潜力选项。

2.3 开源 ISA 的产业意义

RISC-V 最具变革性的特质在于其“开放指令集”身份。与操作系统、编译器、数据库等领域已经发生的开源浪潮类似，ISA 层的开源正催生一场新一轮的硬件生态重构。

其产业意义可以从以下几个层面理解：

• 避免垄断，降低门槛：中小芯片厂商和国家级科研机构无需支付高额授权费，即可合法开发兼容处理器；
• 促进创新与差异化：允许企业根据业务需求裁剪或扩展 ISA，形成差异化竞争，而不是依赖通用标准产品；
• 供应链安全：对于关注自主可控的国家和企业，RISC-V 提供了一种更可控的软硬件基线；
• 软件与电路的统一设计：开源 ISA 有利于软硬件协同优化，特别是在高性能计算与可验证计算领域；
• 全球协作平台：RISC-V International 基金会汇聚了学术、商业和开源社群，是跨界协作的桥梁。

在区块链领域，这种开放架构的优势更加明显。链上虚拟机需要高度透明、可定制、可验证，而传统闭源架构难以满足这些需求。RISC-V 的出现，为构建“链上可信硬件接口”与“可证明的计算层”提供了底层支持。

本章介绍了 RISC-V 背后的设计理念、与主流 ISA 的差异，以及其开源身份的深远影响。在理解这些特性之后，我们将在下一章中继续追溯 RISC-V 的发展历史，了解其从学术起源到全球产业化的演进路径，为其如何在区块链领域落地提供更扎实的背景。

三、RISC-V 的历史

RISC-V 的诞生不是偶然，而是计算机体系结构发展数十年积累和反思的成果。它源自学术界的研究，却迅速走向了产业应用的前沿。在区块链等新兴领域，RISC-V 的“可自由实现、可裁剪设计”正逐步显现出深远影响。为了更好地理解它为何适合区块链虚拟机以及可信计算，我们需要从它的起源谈起。

3.1 加州大学伯克利的起源背景

RISC-V 项目最早起源于 2010 年，由加州大学伯克利分校（UC Berkeley）计算机科学系发起。它并不是第一个“RISC”架构——事实上，RISC（精简指令集计算）这个概念本身就是 1980 年代初期由伯克利和斯坦福的研究者联合推动的，当时的目标是通过精简指令以提升流水线效率和实现成本。早期著名的 RISC 架构包括 SPARC、MIPS 和 PowerPC。

然而，这些早期架构虽然在学术界广泛研究，却普遍面临“许可限制”、架构封闭和商业化失败等问题。进入 21 世纪，处理器架构逐渐被 ARM 与 x86 双寡头垄断，导致学术界在教学和研究中难以使用一个真正开放、现代、可扩展的指令集。

RISC-V 就是在这样的背景下诞生的：它从头设计，目标是成为一个开放、模块化、长期维护的通用 ISA，既适合教学，也能服务产业。其命名中的“V”代表的是“第五代 Berkeley RISC 设计”。

3.2 RISC-V 基金会与开源运动

随着学术界对 RISC-V 的兴趣升温，越来越多的实验室、研究人员和工程师开始参与相关工具链和处理器实现的开发。为协调标准演进并推动产业化，RISC-V 基金会（RISC-V Foundation）于 2015 年正式成立，初期成员包括 Google、NVIDIA、Western Digital、IBM、SiFive、Berkeley 等。

基金会明确 RISC-V 的架构规范将永久开放、无需授权、可自由实现，这在商业世界引发了巨大的关注。它成为处理器领域罕见的“开源基础设施”，与 Linux、LLVM、OpenCL 等类似，为企业提供可控且避免专利锁定的选择。

2019 年，由于对美国出口管制政策的担忧，RISC-V 基金会将总部从美国迁至瑞士，体现其对中立性和全球开放合作的承诺。此举也进一步增强了其在国际社会中的可信度和影响力。

RISC-V 的开源浪潮也带动了大量开源核心（如 Rocket、BOOM、PicoRV、CV32E40P）与 SoC 项目（如 OpenPiton、OpenTitan、CHIPS Alliance），涵盖从嵌入式微控制器到数据中心级别的处理器实现。

3.3 标准化进展：从基础到扩展模块

RISC-V 的架构规范设计非常注重“最小起步”与“可组合性”，其标准演进围绕以下几个层次：

• 基础整数指令集：RV32I 与 RV64I，包含逻辑、算术、跳转、加载 / 存储等核心指令；
• 标准扩展模块：M（乘除）、A（原子操作）、F/D（浮点）、C（压缩）、V（向量）等；
• 特定领域扩展：如 T（可信执行）、P（信号处理 DSP）、Zks（零知识加速）等正在制定中；
• 特权级规范：包括 Machine/Supervisor/User 三个特权级定义，支持操作系统与虚拟化；
• 调试与二进制接口：如调试协议、ABI、函数调用约定等。

这种将 ISA 拆分为多个独立模块、分别版本管理并允许灵活组合的方式，为各类软硬件系统提供了高度自由。开发者可以根据目标平台裁剪所需功能，极大降低了芯片设计复杂度，也利于软硬件协同演化。

在区块链系统中，尤其是在资源受限或执行路径可审计的 VM 架构中，这种“从指令层精确控制系统能力”的能力显得尤为重要。

3.4 企业与学术界的采用情况

自 2018 年起，RISC-V 的产业化应用进入快速增长阶段。目前已有上百家公司和机构采用或试验 RISC-V 架构，包括但不限于：

• 处理器初创公司：如 SiFive、Tenstorrent、Esperanto、StarFive，聚焦高性能与低功耗；
• 传统半导体公司：如 Intel（投资 RISC-V 初创）、Qualcomm、Samsung、Microchip；
• 存储与嵌入式领域：Western Digital 宣布未来大部分芯片基于 RISC-V；ESP32-C 系列也转向 RISC-V；
• 操作系统与工具链支持：Linux、Zephyr、FreeRTOS、Rust、GCC、LLVM 等全面支持；
• 高校与研究机构：MIT、清华、浙大、ETH Zurich、IIT 等广泛用于教学与实验；

尤其在中国，RISC-V 得到国家政策和产业链的大力推动，涌现出如阿里平头哥、中科院、中微公司等多个相关项目。其架构开放的优势被视为可摆脱国外 IP 依赖的战略选择。

在区块链领域，越来越多团队也在尝试构建基于 RISC-V 的虚拟机或链上执行环境，例如：

• ZKWasm + RISC-V：将 zkVM 编译为 RISC-V 目标架构，利用其 ISA 可组合性压缩电路复杂度；
• 以太坊 EVM Object Format (EOF) 与 RISC-V：讨论将 EVM 字节码转换为 RISC-V IR 以提升效率；
• OpenZKP + RISC-V：通过将 RISC-V 编译路径嵌入 ZKP 电路，提升证明与验证性能。

小结

RISC-V 的历史是一段从学术萌芽走向全球产业革命的旅程。它不仅是对封闭体系结构的一次挑战，更是一场开源思维在计算平台领域的胜利。对于区块链系统而言，RISC-V 不只是一个处理器架构，它可能是一种未来可信计算、开放虚拟机、链上执行模型的底层基石。

四、RISC-V 指令集简介

RISC-V 作为一套开源指令集架构（ISA），其最核心的特性之一便是简洁性与模块化设计。这一特性不仅使其在学术与工业界迅速流行，也使其具备天然的灵活性和适应性，尤其适用于高度定制化的场景，比如区块链虚拟机。在这一章中，我们将系统地介绍 RISC-V 指令集的组成、扩展模块、自定义机制及其对区块链领域的潜在价值。

4.1 基础指令集（RV32I / RV64I）

RISC-V 的设计从一个最小可用的基础开始，这就是所谓的 RV32I 和 RV64I，分别对应 32 位和 64 位整数架构的基本指令集。“I”代表 Integer，即整数操作指令集，涵盖了程序执行的基本构建块：算术运算、逻辑操作、条件分支、内存访问和跳转等。

RV32I 包含大约 47 条基础指令，这些指令采用固定长度编码，通常为 32 位，这种定长格式使得指令解码逻辑简单，硬件实现成本低廉。而 RV64I 则在此基础上扩展了对 64 位整数的支持，适用于性能更强、内存寻址空间更大的应用场景。

所有 RISC-V 实现都必须支持一个最小子集，即 RV32I 或 RV64I，这为软硬件开发者提供了清晰的起点。

4.2 模块化扩展设计

与传统封闭 ISA 不同，RISC-V 采用模块化架构，允许在基础指令集之上选择性添加各种功能模块。这些模块以单字母命名，并可以通过组合构成完整的指令集配置。例如，RV64IMAC 代表了一个 64 位架构，支持整数乘除（M）、原子操作（A）和压缩指令（C）。

常见扩展包括：

M 扩展（整数乘除法）

M 扩展增加了对乘法与除法的硬件支持，尤其是对多精度整数运算有重要意义。在区块链场景中，如哈希计算、大整数操作等，都能从中获益。

A 扩展（原子操作）

A 扩展提供原子读 - 改 - 写指令，如 LR/SC（Load-Reserved/Store-Conditional），是实现多线程同步与并发计算的关键。在链上多核执行环境或可信执行环境中尤为重要。

F / D 扩展（浮点运算）

F 扩展支持单精度浮点运算，D 扩展则支持双精度。这类扩展目前在主流区块链虚拟机中使用不多，但在模拟经济模型、链上科学计算等场景中存在潜在应用空间。

C 扩展（压缩指令）

C 扩展允许将部分 32 位指令压缩为 16 位形式，显著提升代码密度。这对于存储资源紧张的嵌入式设备、边缘节点或轻节点区块链终端具有重要意义。

V 扩展（向量计算）

V 扩展为 RISC-V 提供了向量处理能力，支持大规模并行数据操作，是密码学、零知识证明（ZKP）等高强度计算任务的理想工具。与 SIMD 相似，V 扩展在支持椭圆曲线运算、多哈希并行、SNARK/ZK-STARK 预处理等方面具有很大潜力。

4.3 自定义指令支持

RISC-V 的另一关键特性是开放可扩展性。用户或企业可在保持标准 ISA 兼容的前提下，增加自己的自定义指令。这种机制不仅利于专用硬件优化，也非常适合区块链等领域中存在高频特定算法调用的场景，例如：

• BLS 签名验证指令（定制化加速器）；
• SHA-256、Keccak 等哈希指令；
• 零知识证明电路预编译指令集；
• 可证明计算（proof-carrying code）指令优化。

通过这种方式，开发者可以在不破坏生态统一的情况下，实现软硬件协同加速。

4.4 指令集规范与版本控制

RISC-V 的标准由 RISC-V 国际组织制定与维护，采用模块化版本控制机制。每一个扩展模块都有自己的独立版本号，这有助于不同厂商和开发者在实现时保持兼容性。

当前主流版本为 2.x 系列，如 RV64GC v2.2（其中 G 表示通用指令集的组合，包括 IMAFD）。这种结构不仅利于版本升级，也方便不同应用场景裁剪配置。

4.5 工具链与调试生态

得益于开源社区的活跃发展，RISC-V 拥有完备的工具链支持：

• 编译器：GCC 与 LLVM/Clang 对 RISC-V 提供全面支持；
• 模拟器：Spike（官方 ISA 参考模型）、QEMU（用户级与系统级仿真）、Renode（硬件级协同模拟）；
• 调试工具：GDB 支持 RISC-V 调试，OpenOCD 等也支持 JTAG 调试接口；
• 语言支持：Rust 编译器亦已支持 RISC-V 平台，便于在链上构建安全可信的执行环境。

这些工具共同构成了构建 RISC-V 区块链虚拟机或软硬件协同平台的基础设施。

小结

RISC-V 指令集以其简洁性、模块化、可扩展性与开源许可，正逐步改变底层计算平台的格局。对于追求安全性、确定性、灵活性与性能平衡的区块链系统而言，RISC-V 提供了一种全新的可能：我们不仅可以为某类虚拟机设计定制指令集，还能让硬件与区块链系统深度融合，在无需授权的情况下完成创新探索。这也许是区块链计算范式演化的重要一步。

五、RISC-V 生态与发展

指令集的生命力不止取决于其技术本身，更依赖于围绕它所建立的生态系统。RISC-V 作为一个相对“年轻”的指令集，自 2010 年正式提出以来，已在不到十五年的时间里迅速发展出庞大的上下游体系。本章将从芯片实现、开发工具链、操作系统与模拟器支持，以及国际政策四个方面，全面剖析 RISC-V 的生态与发展现状。

5.1 芯片与 SoC 实现现状

RISC-V 的最大成功之一在于其“落地速度”。相较历史悠久但封闭的 x86 和 ARM，RISC-V 以其模块化、开源、易实现的特性，吸引了大量企业投身处理器设计，推动了从嵌入式 SoC 到通用处理器的快速演进。

目前在芯片与 SoC 领域的代表性厂商包括：

• SiFive（美国）：由 RISC-V 发起人之一 Krste Asanović 联合创立，是目前最具代表性的 RISC-V 商业化公司。已推出多款 64 位处理器 IP（如 U7、U8 系列）并参与高性能平台设计。
• StarFive（中国）：专注于开源 SoC 芯片和板卡（如 VisionFive 系列），推动 RISC-V 在国产嵌入式开发板和边缘 AI 场景中的普及。
• Alibaba T-Head（中国）：推出了多款玄铁（XuanTie）系列处理器，广泛部署于 IoT 与边缘端应用，并开放部分 IP 实现，促进开发生态。
• Andes、Codasip、GreenWaves 等：活跃于 IoT、音频识别、智能视觉等细分市场，展示了 RISC-V 的灵活适配能力。

此外，还有如 Esperanto（致力于千核 AI 加速器）、Tenstorrent、Vitesse、MetaX 等初创团队也基于 RISC-V 构建高性能处理器甚至 GPU。这样的活跃程度，在 x86 和 ARM 的历史中极为罕见。

5.2 开发工具链：GCC、LLVM、QEMU、Rust 支持

一个 ISA 的生命力，很大程度取决于其工具链支持是否完整。RISC-V 在这方面取得了长足进展：

• GCC 支持：自 2015 年起，GCC 官方即开始支持 RISC-V，当前已覆盖 RV32/RV64 全线指令集与主流扩展；
• LLVM/Clang 支持：Google、SiFive 等推动下，LLVM 对 RISC-V 的支持持续增强，成为现代系统与区块链项目的首选编译器；
• QEMU 模拟器：支持 RISC-V 用户态与系统态仿真，可快速验证程序或 OS；
• Rust 支持：RISC-V 已被正式纳入 Rust 编译器后端，支持 no_std 模式与嵌入式开发，同时活跃社区已维护多个 HAL crate；
• 调试器支持：如 GDB、OpenOCD、J-Link 等已广泛适配 RISC-V，支持断点调试、寄存器监控等功能；
• 构建系统与 SDK：包括 PlatformIO、Yocto、Zephyr SDK 等均已支持 RISC-V，可直接构建嵌入式系统或定制镜像。

以上工具的完备性，使得开发者可以无缝将 RISC-V 集成入已有工作流，这对区块链系统迁移虚拟机或引导链上 WASM/zkVM 项目极为关键。

5.3 操作系统与模拟器支持

从裸机运行到全功能 OS，RISC-V 逐步建立起完整操作环境的支持体系：

• Linux 系统：主线内核自 2018 年起支持 RISC-V，当前已可构建通用发行版，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，广泛用于低功耗设备；
• 仿真与验证工具：
• Spike：由 UC Berkeley 提供的黄金参考模拟器，支持 RV32/RV64 用户态和特权态；
• FireSim：基于 FPGA 的开源全系统仿真平台，可运行 Linux 并进行微架构性能测试；
• Renode：支持多种架构的可编程仿真环境，适合构建虚拟区块链测试网；
• gem5：已部分支持 RISC-V，适用于体系结构研究；
• Verilator：用于 RTL 验证，适配 RISC-V 软核如 PicoRV、VexRiscv 等。

这些模拟器和系统支持，为虚拟机开发、链上验证逻辑、以及跨架构测试提供了良好支撑。

5.4 RISC-V 国际化与政策支持（尤其是中国）

作为一个开放的标准，RISC-V 得到了多国政府与行业组织的高度关注与支持：

• 国际组织 RISC-V International：注册于瑞士，汇聚 300+ 成员，推动标准演进与跨国协作；
• 欧洲 RISC-V 战略：欧盟将 RISC-V 视为“数字主权”战略核心，资助多个高性能开源 SoC 项目；
• 美国 DARPA 与 NASA：支持基于 RISC-V 的可验证芯片平台研究；
• 中国的政策倾斜与布局：

• 工信部与地方政府推动“开源替代”；

• 高校与研究机构（如中科院、清华）积极加入 RISC-V 标准制定；

• 数十家国内企业（阿里、中科蓝讯、平头哥、兆易创新等）在芯片设计与 IP 生态上持续投入；

• 本土开发板（如 VisionFive、Milk-V）加速国产开发者生态形成；

• 中国 RISC-V 产业联盟（CRVA）作为桥梁推动技术与商业结合。

可以说，中国已经成为 RISC-V 的全球发展重镇，在数量和活跃度上均位居世界前列。

本章从芯片实现、工具链成熟度、操作系统支持，到全球政策与产业动态，全面展示了 RISC-V 的生态繁荣。对区块链系统而言，这种生态的完整性意味着：链上虚拟机可以借助现有的软硬件生态迅速实现落地，而非“从零到一”地孤军奋战。

六、区块链虚拟机领域的应用

虚拟机是现代区块链系统中的基础设施，其作用类似于传统操作系统中的运行时环境——负责执行智能合约、处理用户提交的事务，并确保链上代码的可验证性、确定性与安全性。虚拟机的选择与设计不仅决定了开发体验，还深刻影响链的执行效率与扩展能力。

本章将围绕区块链平台对虚拟机的需求、当前主流虚拟机架构，逐步引出 RISC-V 在该领域中扮演的新角色，并对一些具有代表性的先行实践进行具体分析。

6.1 区块链平台对虚拟机的要求

与传统计算平台不同，区块链虚拟机运行在一个分布式、去信任、可审计的执行环境中。这种背景决定了区块链对虚拟机的需求具有以下几个突出特点：

• 确定性（Determinism）：在任意节点上，给定相同输入必须产生相同输出，确保共识一致性；
• 安全性（Security）：能够防止恶意合约滥用系统资源，避免缓冲区溢出、无限循环等攻击手段；
• 资源计量（Gas System）：支持精细的资源消耗计量，用于限制执行时间、内存使用等；
• 性能与可扩展性：需要在不牺牲确定性的前提下，尽可能提升执行效率，支持更复杂的业务逻辑；
• 可审计性与可验证性：支持链上或链下的执行溯源，便于审计与裁决。

虚拟机的底层设计（包括其所采用的指令集）直接决定了这些特性的实现成本与能力边界。

6.2 当前主流虚拟机介绍

在实际区块链平台中，目前主流虚拟机体系包括：

1.EVM（Ethereum Virtual Machine）

• 以太坊的原生虚拟机，基于 256 位栈式架构；

• 优点：简洁、成熟、工具生态完善；

• 缺点：性能较差，指令语义与现代 CPU 不匹配，不利于并行执行与优化。

2.WASM（WebAssembly）

• 由 W3C 提出，最初用于浏览器，现在成为多链平台的新宠；

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

• 优点：接近现代硬件，指令精细、性能好；

• 缺点：非专为链上场景设计，资源计量和沙盒隔离需额外实现。

3.Move VM

• Libra/Diem（现 Aptos/Sui）提出的资源导向型语言及其虚拟机；

• 特点：基于线性类型系统，实现资源不可复制与转移安全；

• 面向高安全智能资产逻辑，但适配链上执行环境仍需进一步优化。

除此之外，还有如 Solana 的 BPF VM、FuelVM、zkVM 等，分别聚焦于高性能或零知识证明场景。但这些虚拟机的一个共性问题在于，它们大多不直接面向底层硬件 ISA 进行设计或绑定。

这就引出一个新问题：如果将一个轻量、可验证的真实指令集直接用于构建链上虚拟机，会带来什么新可能？

6.3 RISC-V 在虚拟机中的角色：宿主平台 or 客体架构？

RISC-V 的引入，为区块链虚拟机架构设计提供了两个不同但互补的切入点：

1.作为宿主平台（Host ISA）

• 即区块链节点本身运行在 RISC-V 处理器上（如 RISC-V SBC），虚拟机继续使用如 EVM/WASM；

• 好处在于可用于部署轻量节点、离线钱包设备或可信执行环境（TEE）；

• 典型场景如硬件钱包、IoT 链网终端等。

2.作为客体架构（Guest ISA）

• 将 RISC-V 作为虚拟机执行环境的目标 ISA，即智能合约编译为 RISC-V 指令，运行在链上；

• 这种设计可以直接复用现有编译器链（如 GCC、LLVM），简化多语言合约部署；

• 通过限制指令集、引入 gas 模型和沙箱机制，实现确定性与安全性。

后者正是近年来最受关注的创新方向，它将“硬件级别的指令集”引入虚拟执行环境，模糊了软件 VM 与真实 CPU 之间的边界。

6.4 使用 RISC-V 作为区块链 VM 指令集的先例

以下项目是当前已将 RISC-V 实际用于区块链虚拟机或链上执行模型中的代表：

1.Cartesi

• 开创性地引入“RISC-V Linux 虚拟机”作为智能合约执行环境；

• 开发者可使用标准 Linux 工具链编写合约，极大提升编程自由度；

• VM 实现基于 RISC-V 用户态模拟，并结合链上验证机制，确保确定性。

2.Sonic（由 Fuel Labs 提出）

• 提出构建“RISC-V 零知识虚拟机”作为 zk-rollup 的执行引擎；

• 通过将合约逻辑编译为 RISC-V 指令，再生成 STARK 证明，实现高性能链下执行 + 链上验证；

• 优势在于硬件接近度、跨语言编译兼容性与可验证性。

3.Polyjuice（Godwoken）

• 虽非完全基于 RISC-V，但运行在基于 CKB-VM 的底层，其原始 VM 设计受到 RISC-V 启发；

• 提供 EVM 兼容支持，结合 RISC-V 风格资源模型，实现与 Nervos Layer1 的无缝整合。

4.Golem

• 去中心化计算平台，支持多种任务运行架构；

• 新版本考虑将 RISC-V 作为运行时标准化 ISA，以提升任务可移植性与轻量性；

• 尤其适用于异构设备（如移动端、嵌入式设备）参与计算任务。

这些项目的共识是：RISC-V 带来的开源、模块化和可验证特性，非常适合链上运行环境这一高安全、高限制的场景。

RISC-V 在区块链虚拟机中的崭露头角，不是对传统架构的盲目替代，而是一种重新思考“可信计算”的契机。在接下来的章节中，我们将更深入分析 RISC-V 指令集本身如何影响虚拟机的实现与性能，并从以太坊视角看待 RISC-V 的战略意义与未来可能。

七、指令集对虚拟机的影响

虚拟机的底层执行模型离不开指令集的支持。指令集不仅决定了合约的运行效率，也深刻影响着虚拟机的实现复杂度、扩展能力、执行安全性乃至生态可持续性。在区块链这样对确定性与资源管理极为敏感的环境中，指令集的选择尤为关键。

本章将围绕四个核心维度，探讨不同类型的指令集如何影响虚拟机的设计与部署，并进一步评估 RISC-V 在这些方面的独特优势。

7.1 实现难度：自定义 vs 通用架构

在虚拟机设计中，一种做法是完全自定义指令集，如以太坊的 EVM；另一种是复用已有的通用 ISA，例如 WASM、RISC-V。

自定义指令集的优劣：

•优势：结构简洁，专为区块链场景定制（如 EVM 的 256 位字操作）；

•劣势：无法复用现有编译器 / 工具链，生态封闭，维护成本高；

•调试难度高：缺乏现成的调试器、模拟器与性能分析工具。

通用指令集的优势则在于：

• 可直接复用成熟工具链（如 LLVM、GCC、GDB、QEMU）；

• 编译器多语言支持广泛（C、C++、Rust、Go、Zig）；

• 更容易引入标准沙箱策略与操作系统级别隔离。

RISC-V 属于开放通用 ISA，其极简设计使得其比传统 x86/ARM 更适合嵌入虚拟机体系中，在保持工具链成熟的同时，降低了实现和维护难度。

7.2 性能表现：加速执行 vs 解码复杂度

指令集的结构决定了解码与执行的效率，进而影响整个 VM 的运行性能。

• EVM 由于设计为字节码栈机，执行模型简单但难以优化，现代处理器难以高效执行其 256 位堆栈操作；

• WASM 则更接近寄存器架构，能充分利用现代 CPU 的流水线与 SIMD 指令，执行效率高；

• RISC-V 在设计之初就强调流水线友好与低开销的解码路径，其定长指令（大多为 32 位）易于快速解析、翻译或 JIT 编译，适合高性能场景；

• 若将合约直接编译为 RISC-V 指令，可显著提升执行效率，并允许使用原生硬件加速（如 FPGA/ASIC）。

此外，RISC-V 提供的可选扩展（如向量指令、压缩指令），允许在保证兼容性的前提下进一步提升性能表现。

7.3 可扩展性：模块化指令集对支持新特性的帮助

虚拟机架构的另一个重要问题是可扩展性——能否在未来无痛支持新语言、新类型系统或新资源模型。

RISC-V 的核心优势之一是其模块化设计，基础指令集（RV32I/RV64I）之外，允许标准化扩展（如 M/A/F/D/V 扩展）或自定义指令：

• 区块链平台可基于 RV32I 构建极简 VM，仅启用必要指令，减少攻击面；

• 对于特定场景（如 zkVM、AI 计算），可引入硬件向量扩展或自定义算术指令，形成特化 VM；

• 自定义指令的使用配合 gas 机制，仍可保持资源可计量性与确定性。

相比之下，EVM/WASM 的扩展更依赖于字节码层的改造或版本切换，成本高、兼容性弱。

7.4 安全性与可验证性：确定性执行与 sandboxing 策略

安全性在区块链 VM 中是第一要义，而这一点也与指令集的特性紧密相关。

确定性：区块链要求任意节点在相同输入下得到一致输出，任何依赖平台、时间或硬件状态的行为都可能破坏共识。

• EVM 本质上是确定性的，但受限于平台（JIT、浮点、时间调用）后常引入非确定性风险；

• WASM 在原生设计中允许非确定行为（如 NaN 表示、线程），需额外限制；

• RISC-V 若作为合约执行 ISA，可通过明确限制浮点 / 系统指令集、强制运行于沙箱中，天然具备可确定性控制能力。

沙箱隔离与形式验证：

• RISC-V 的规范透明、简洁性强，易于形式化建模与验证执行路径；

• 诸如 Cartesi、Sonic 等项目基于 RISC-V 构建虚拟机，能够在链下执行并链上生成可验证证明；

• 这为“可证明执行”开辟了新路径：智能合约不仅运行结果可信，其执行过程也可被零知识验证。

综上，RISC-V 的“透明性”和“可控性”使其在安全性与审计方面更具优势。

小结：

一个合适的指令集可以极大提升虚拟机的设计空间与执行效率。RISC-V 作为开放、简洁、可定制的通用 ISA，在区块链虚拟机架构中具备高度适配性。它不仅降低实现成本，还能通过模块化支持未来扩展，通过可验证执行提升链上可信性，正在成为一类新型 VM 架构的潜在核心。

八、以太坊 RISC-V 计划的后续影响

以太坊作为全球最具影响力的智能合约平台之一，其虚拟机架构始终是技术演进的核心议题。从早期的 EVM 到 eWASM 再到当前 Layer 2 的多样探索，以太坊社区始终在追求更高的性能、更强的安全性以及更广泛的语言支持。在这一过程中，RISC-V 作为一套开放、可验证、模块化的指令集体系，被纳入了多个项目的实验路径中。

本章将回顾以太坊社区在虚拟机方面的演化尝试，特别是其中与 RISC-V 相关的实践与启示。

8.1 ewasm 与早期 RISC-V 虚拟机实验

在 2018 年左右，以太坊基金会发起了 ewasm（Ethereum flavored WebAssembly）项目，试图以 WASM 替代 EVM，实现更强的语言支持与更高效的执行。然而 ewasm 最终未能完全取代 EVM，其主要难点在于：

•WASM 本身并非为确定性环境设计，需大量限制；

• 安全沙箱模型过于复杂，增大节点执行和验证负担；

• 对区块链虚拟机的 gas 模型兼容性不佳。

在 ewasm 实验过程中，曾有开发者提出了使用 RISC-V 作为虚拟机底层 ISA 的设想。其理由在于：

• RISC-V ISA 更适合“确定性执行”模型；

• 便于静态分析和 gas 计量；

• 开放架构有助于构建轻量、专用 VM。

虽然这些早期设想未被主线采纳，但为后续 Layer 2 和可验证计算项目提供了灵感。

8.2 Rollup 技术中的结合探索

随着 Layer 2 技术的兴起，以太坊生态出现了两个主要方向：Optimistic Rollup（乐观汇总）和 ZK Rollup（零知识汇总）。这两者都在链下执行智能合约逻辑，仅将结果和证明提交到主链，大幅降低成本。

RISC-V 在 Rollup 场景中的作用主要体现在：

•Optimistic Rollup 中的欺诈证明：使用 RISC-V 模拟合约执行过程，并在链上验证争议执行（如 Cartesi）；

•ZK Rollup 中的电路生成：将 RISC-V 程序转换为证明电路，生成 STARK/SNARK 证明，提升合约可验证性（如 RISC Zero）；

这类设计具有共通点：以 RISC-V 为统一指令层，桥接链上链下执行，且具备形式化建模与零知识验证能力。

8.3 Cartesi Machine 的设计与部署

Cartesi 是以太坊生态中最具代表性的 RISC-V VM 项目。其核心是名为 Cartesi Machine 的执行环境，采用精确模拟的 RISC-V 架构，通过链下执行 + 链上验证方式达成性能与安全的平衡。

Cartesi 的主要特点包括：

•完整的 Linux 系统支持：支持 Rust、C、C++ 等原生开发，开发体验优于传统合约开发；

•确定性执行机制：对 Linux 调用、文件系统等进行沙箱控制，确保任意节点执行结果一致；

•交互式欺诈证明：通过链上验证 RISC-V 步骤模拟，保障安全性；

•已部署多个 DApp，包括游戏、数据市场、AI 推理服务等。

Cartesi 不只是一个 VM，更是一个将通用计算环境与区块链环境结合的“Layer 2 操作系统”探索。

8.4 对以太坊及 Layer 2 技术演进的启示

以 RISC-V 为代表的开放 ISA，在 Rollup 和可验证计算中释放出了巨大的潜力：

•从合约语言走向计算架构抽象：不再局限于 Solidity/EVM，而是以硬件指令为基础进行 VM 构建；

•可验证计算模型的推广：链下运行、链上验证的模式，天然适合使用精确定义的指令集；

•降低链上成本与复杂性：通过通用 RISC-V 工具链开发，链上只需验证或调度关键步骤；

•促进“应用特定链（AppChain）”的异构化发展：每条链可定制其 VM，而共享通用验证层。

更长远来看，以太坊生态对 RISC-V 的探索也促使我们重新思考智能合约平台的底层设计：是不是可以构建一个“指令集即平台”的新范式？

小结：

RISC-V 在以太坊及 Layer 2 场景中的应用展示了其在确定性计算、可验证性、开发体验上的独特优势。尽管它尚未成为主链标准，但正在多个子系统与项目中发挥关键作用，影响未来虚拟机与区块链系统的构建思路。

九、挑战与未来展望

RISC-V 在区块链领域的潜力已经显现，但其真正的广泛应用仍面临着诸多挑战。如何克服这些挑战，并推动 RISC-V 与区块链技术的深度融合，将是未来几年技术发展的关键方向。与此同时，RISC-V 在未来的链上计算范式中，特别是在与零知识证明、去中心化和开源芯片的结合上，展现出了独特的前景。

本章将讨论 RISC-V 在区块链领域面临的挑战，并展望其未来的技术趋势与可能的应用场景。

9.1 与现有生态的兼容问题（EVM/WASM vs RISC-V）

现有的区块链生态，尤其是以太坊，已经深度嵌入了 EVM 和 WASM 作为智能合约执行环境。虽然这些技术具有良好的生态支持与兼容性，但它们也面临性能瓶颈、扩展性限制和安全性挑战。因此，引入像 RISC-V 这样的全新指令集，势必会引发兼容性问题：

•语言与工具链的转变：EVM 和 WASM 已经拥有成熟的开发者工具链、调试器、IDE 等资源，而 RISC-V 虽然有强大的工具链支持（如 GCC、LLVM），但要在现有区块链开发流程中快速落地，还需要克服语言支持、编译工具链等多方面的技术难题。

•智能合约迁移：现有区块链上的智能合约通常是针对 EVM 或 WASM 进行优化的，如何将这些合约迁移到 RISC-V 指令集架构中，避免重写大量合约代码或影响兼容性，是一个必须面对的问题。

•多层次支持：为了保证链上应用的过渡，可能需要在区块链网络中同时支持多种虚拟机（如 EVM、WASM 和 RISC-V），这将增加节点的复杂度与维护成本。

这些挑战要求社区在开发过程中逐步过渡，平衡兼容性和创新，确保生态的平稳过渡。

9.2 性能 vs 安全 vs 去中心化之间的平衡

区块链技术的核心特性之一就是去中心化，这要求系统具备高容错性与透明性。而在此基础上，如何平衡性能与安全是一个至关重要的问题。

•性能与去中心化的矛盾：现代区块链系统中的交易吞吐量和每秒执行事务（TPS）通常受到虚拟机执行效率的制约。RISC-V 提供了轻量、可扩展的架构，能够优化虚拟机的执行速度，但性能提升可能会影响去中心化程度，例如采用硬件加速的 VM 实现可能会导致对少数高性能硬件供应商的依赖。

•安全与性能的权衡：在 RISC-V 中引入专用指令集或硬件加速模块可以提升性能，但会使得区块链节点的安全性和验证复杂度增加。例如，在设计虚拟机时，如何确保硬件加速不会引入未被验证的漏洞，或者如何保证安全的沙箱隔离，以防止通过 RISC-V 的扩展指令导致潜在的攻击面。

•去中心化与硬件依赖：硬件加速、定制芯片的加入可能会推动区块链网络的中心化风险，尤其是在对于特定硬件（如专用 RISC-V 芯片）高度依赖的情况下，如何保证去中心化的核心理念不受威胁，是区块链技术发展中必须考虑的问题。

因此，平衡这三者的关系，确保高效且安全的同时，保持去中心化的特性，是未来 RISC-V 在区块链应用中需要解决的重要挑战。

9.3 开源芯片 + 区块链的融合趋势

随着区块链技术的不断发展，硬件和软件的深度融合成为未来技术的一个重要趋势。RISC-V 作为一项开源指令集，正引领着这一变革。

•开源芯片的普及：RISC-V 作为开源的指令集架构，不仅为学术界提供了研究平台，也为硬件厂商提供了设计灵活、定制化的机会。越来越多的硬件制造商（如 SiFive、StarFive）开始推出基于 RISC-V 的开源芯片，这些芯片不仅能够在物联网、智能终端等领域找到应用，也将在区块链领域发挥重要作用。

•区块链与专用硬件结合：在未来，区块链网络可能会与专用的开源硬件设备相结合，形成专用的区块链节点或挖矿设备。这种硬件与软件的融合能够提高区块链网络的效率，并降低硬件开发的壁垒，使得更多的参与者能够低成本地加入到区块链生态中。

9.4 零知识证明中的潜力（ZK-RISC-V？）

零知识证明（ZK Proofs）是区块链技术中增强隐私性和可扩展性的关键技术。它能够在不暴露具体数据的情况下，证明某些计算结果的正确性，这对隐私保护型应用（如隐私币、隐私智能合约）至关重要。

RISC-V 在零知识证明中的潜力主要体现在以下方面：

•精确控制计算过程：RISC-V 的指令集简单而高效，适合用于构建可验证的零知识证明电路，特别是当 RISC-V 被用于构建 ZK-RISC-V 电路时，可以通过硬件支持加速证明生成与验证。

•降低计算资源消耗：传统的零知识证明通常需要大量的计算资源，而 RISC-V 可以通过简化指令集和专用硬件的支持，提高证明过程的效率，降低其在区块链网络中的计算负担。

•ZK-RISC-V 电路的可组合性：通过将 RISC-V 的指令集与零知识证明技术结合，可以开发出可组合的 ZK-RISC-V 电路，使得更多复杂的应用场景（如跨链交易、隐私保护智能合约等）成为可能。

因此，ZK-RISC-V 作为区块链与零知识证明结合的一种新的尝试，有望成为未来去中心化金融（DeFi）和隐私保护领域的重要技术支撑。

9.5 对未来链上计算范式的影响

RISC-V 的出现与发展，可能会推动链上计算范式的变革：

•从虚拟机到硬件支持：RISC-V 的开放性和硬件友好性为区块链提供了一个全新的计算架构，不仅限于虚拟机模拟，更能够结合硬件资源，形成专门的计算网络。

•去中心化硬件的普及：区块链的去中心化理念可能会推动硬件也向去中心化方向发展，未来可能出现更多开源硬件项目参与区块链生态建设，这将大大降低区块链应用的门槛和成本。

•智能合约与硬件结合的新时代：智能合约的执行不再局限于传统虚拟机，而是可以直接通过硬件加速执行，结合 RISC-V 等指令集的优势，提升执行效率和安全性。

未来，RISC-V 在区块链中的应用可能不仅仅局限于智能合约执行，甚至可能成为整个区块链生态基础设施的一部分，推动更高效、灵活、安全的链上计算。

小结：

RISC-V 的引入，虽然面临着与现有生态兼容、性能与安全平衡等方面的挑战，但它也为未来的区块链技术提供了无限可能。随着硬件和区块链的进一步融合，RISC-V 或许能够在未来的区块链应用中扮演更加重要的角色，特别是在零知识证明与专用硬件领域的潜力无穷。面对这些挑战和机遇，RISC-V 不仅能够提升区块链的性能与安全性，还可能改变整个链上计算的范式。

至此，我们的讨论覆盖了 RISC-V 在区块链领域的应用与未来展望，展现了其作为一个创新技术在加密货币、智能合约、Layer 2 解决方案等领域的巨大潜力。

引用链接

[1]关于长期 L1 执行层的提案全文，提出用 RISC-V 取代 EVM（以太坊虚拟机）:https://d.foresightnews.pro/article/detail/82938

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

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本文章旨在对 RISC-V 及其在区块链领域的应用进行技术层面的科普与探讨，不构成任何投资建议。文中提及的区块链相关项目、技术或产品，均请读者自行查阅资料并做出独立判断，作者仅为信息整理者与观点表达者，恕不承担因使用本文内容而产生的任何后果。