技术债压顶，以太坊选择用 RISC-V “推倒重来”

作者：jaehaerys.eth

编译：深潮TechFlow

摘要

以太坊正准备迎来自诞生以来最重要的架构转型：将 EVM 替换为 RISC-V。

原因很简单——在一个以零知识（ZK）为核心的未来，EVM已经成为性能瓶颈：

• 当前 zkEVM 依赖解释器，导致 50–800 倍的性能减慢；

• 预编译模块让协议变得复杂且风险增加；

• 256 位堆栈设计在生成证明时效率极低。

RISC-V 的解决方案：

• 极简设计（约 47 个基础指令）+ 成熟的 LLVM 生态系统（支持 Rust、C++、Go 等语言）；

• 已成为事实上的 zkVM 标准（90% 的项目采用）；

• 具备正式的 SAIL 规范（相比模糊的黄皮书）→ 实现严格验证；

• 硬件证明路径（ASICs/FPGAs）已在测试中（SP1、Nervos、Cartesi 等）。

迁移过程分为三个阶段：

1. 将 RISC-V 作为预编译模块替换（低风险测试）；

2. 双虚拟机时代：EVM 与 RISC-V 并存并完全互操作；

3. 在 RISC-V 内重新实现 EVM（Rosetta 策略）。

生态系统影响：

• 乐观型 Rollup（如 Arbitrum 和 Optimism）需重建欺诈证明机制；

• 零知识型 Rollup（如 Polygon、zkSync、Scroll）将获得巨大优势 → 更便宜、更快、更简单；

• 开发者可直接在 L1 层使用 Rust、Go 和 Python 等语言库；

• 用户将享受约 100 倍更低成本的证明 → 通往 Gigagas L1（约 10,000 TPS）。

最终，以太坊将从一个“智能合约虚拟机”进化为互联网的极简、可验证信任层，其终极目标是“让一切都被 ZK-Snark 化”。

以太坊的十字路口

Vitalik Buterin 曾说过：“终点包括……让一切都被 ZK-Snark 化。”

零知识证明（ZK）的终局已不可避免，而其核心论点很简单：以太坊正从零开始，以零知识证明为基础重塑自身。这标志着协议的技术终点——通过对 L1 的重构，达成其最终形态，由核心开发团队（如 Succinct）提供支持的高性能 zkVM 驱动。

以此愿景为终点，以太坊正处于自诞生以来最重要的架构转型关口。这次讨论已不再是关于逐步升级，而是对其计算核心进行全面重构——替换以太坊虚拟机（EVM）。这一举措是更广泛的“精简以太坊”（Lean Ethereum）愿景的基石。

精简以太坊（Lean Ethereum）愿景旨在系统性简化整个协议，将其拆分为三个核心模块：精简共识（Lean Consensus）、精简数据（Lean Data）和精简执行（Lean Execution）。而在精简执行的核心问题中，最关键的一点是：作为推动智能合约革命的引擎，EVM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“让一切都被 Snark 化”（Snarkify everything），这是一种能够增强协议各层的强大工具。然而，长期以来，这个目标更像是“遥不可及的蓝图”，因为实现它需要实时证明（real-time proving）的概念。而现在，随着实时证明逐渐成为现实，EVM 的理论低效已转化为一个亟待解决的实际问题。

本文将深入分析将以太坊 L1 迁移至 RISC-V 指令集架构（ISA）的技术和战略论点。这一举措不仅有望释放前所未有的可扩展性，还将简化协议结构，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？

在探讨“为什么”之前，首先需要明确“什么”正在发生变化。

EVM（以太坊虚拟机）是以太坊智能合约的运行环境，被称为处理交易并更新区块链状态的“世界计算机”。多年来，它的设计堪称革命性，为去中心化金融（DeFi）和NFT生态系统的诞生奠定了基础。然而，这套近十年前的定制架构如今已积累了大量技术债务。

相比之下，RISC-V 并非一个产品，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 会议上所强调的，它的关键原则使其成为这一角色的绝佳选择：

• 极简主义：RISC-V 的基础指令集极其简单，仅包含约40到47条指令。正如 Jeremy 所言，这使它“几乎完美适用于我们所需的超级简约通用机器的用例”。

• 模块化设计：更复杂的功能通过可选扩展来添加。这一特性至关重要，因为它允许核心保持简单，同时根据需求扩展功能，而不会将不必要的复杂性强加到基础协议中。

• 开放生态系统：RISC-V 拥有庞大且成熟的工具链支持，包括 LLVM 编译器，使开发者能够使用主流编程语言，如 Rust、C++ 和 Go。正如 Justin Drake 所提到的：“围绕编译器的工具非常丰富，而编译器的构建极其困难……因此拥有这些编译器工具链的价值极高。”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

推动替换EVM的原因并非某个单一缺陷，而是多个根本性限制的汇合，这些问题在以零知识证明为核心的未来背景下已无法忽视。这些限制包括零知识证明系统中的性能瓶颈，以及协议内部积累的日益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，证明者性能成为最大的瓶颈。

问题出在当前 zkEVM 的工作方式上。它们并非直接对 EVM 进行零知识证明，而是对 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 直言不讳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，那为什么不直接将底层的 RISC-V 暴露给智能合约开发者？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。估算表明，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”仍会占据所有证明时间的 80-90%，使 EVM 成为扩展 L1 的最终且最棘手的障碍。通过移除这一层，Vitalik 预计执行效率可能会提升 100 倍。

技术债务陷阱

为了弥补 EVM 在特定密码学操作中的性能不足，以太坊引入了预编译合约——直接硬编码到协议中的专用功能。虽然这一解决方案在当时显得务实，但如今却引发了 Vitalik Buterin 所称的“糟糕”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……并且它们曾导致我们几次几乎发生共识失败的严重问题。”

这种复杂性令人震惊。Vitalik 举例说明，单个预编译合约（如 modexp）的包装代码比整个 RISC-V 解释器还要复杂，而预编译的逻辑实际上更为繁琐。添加新的预编译合约需要通过缓慢且充满政治争议的硬分叉过程，这严重阻碍了需要新密码学原语的应用创新。对此，Vitalik得出了明确的结论：

“我认为我们应该从今天开始停止添加任何新的预编译合约。”

以太坊的架构技术债务

EVM 的核心设计反映了过去时代的优先级，但它已不适用于现代计算需求。 EVM 选择了 256 位架构以处理密码学值，但对于智能合约中通常使用的 32 位或 64 位整数来说，这种架构效率极低。这种低效在 ZK 系统中尤为昂贵。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，而复杂性则会增加两到四倍。”

除此之外，EVM 的堆栈架构比 RISC-V 和现代 CPU 的寄存器架构效率更低。它需要更多指令才能完成相同的操作，同时也使编译器优化更加复杂。

这些问题——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——共同构成了一个令人信服且紧迫的理由：以太坊必须超越 EVM，迎接更适合未来的技术架构。

RISC-V蓝图：以更强基础重塑以太坊未来

RISC-V的优势不仅在于EVM的不足，更在于其设计哲学的内在强大。其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。

为什么开放标准优于定制设计？

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，具备以下三大关键优势：

成熟的生态系统

通过采用RISC-V，以太坊能够借助计算机科学领域数十年的集体进步。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机会：

“有一个基础设施组件叫LLVM，它是一套编译器工具链，允许你将高级编程语言编译为多种后端目标之一。其中一个支持的后端就是RISC-V。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。”

这极大降低了开发门槛，使数百万熟悉Rust、C++和Go等语言的开发者能够轻松上手。

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，使虚拟机的核心保持极度简洁。这种简洁性在安全性方面具有显著优势，因为更小的可信代码库更容易进行审计和形式化验证。

零知识证明领域的事实标准 更重要的是，zkVM生态系统已经做出了选择。正如Justin Drake指出，从Ethproofs数据中可以看到一个清晰的趋势：

“RISC-V是zkVM后端的领先指令集架构（ISA）。”

在能够证明以太坊区块的十个zkVM中，已有九个选择了RISC-V作为目标架构。这一市场趋同释放了强有力的信号：以太坊通过采用RISC-V并非在进行投机性尝试，而是与一个已经过实际验证并被构建其零知识未来的项目所认可的标准保持一致。

为信任而生，不仅仅是执行

除了广泛的生态系统，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拥有一个正式化、机器可读的规范——SAIL。这相比于EVM的规范（主要以文字形式存在的《黄皮书》），是一个巨大的进步。《黄皮书》存在一定的模糊性，而SAIL规范提供了“黄金标准”，能够支持关键的数学正确性证明，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会议上提到的，这使得 zkVM 电路能够直接“与官方 RISC-V 规范进行验证”。 其次，RISC-V包含一个特权架构，这是一个常被忽视但对安全性至关重要的特性。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）和监督模式（用于可信的“执行内核”）。Cartesi的Diego对此进行了深入解释：

“操作系统本身必须保护自己免受其他代码的影响。它需要将不同的程序运行彼此隔离，而所有这些机制都是 RISC-V 标准的一部分。”

在RISC-V的架构中，运行在用户模式（User Mode）下的智能合约无法直接访问区块链的状态。相反，它需要通过一个特殊的ECALL（环境调用）指令向运行在监督模式（Supervisor Mode）中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EVM纯粹依赖软件沙盒的模型更加稳健且易于验证。

Vitalik的愿景

这一转型被设想为一个渐进的、多阶段的过程，以确保系统的稳定性和向后兼容性。正如以太坊创始人Vitalik Buterin所阐述的，这种方法旨在实现一种“演化式”的发展，而非彻底的“革命性”变革。

第一步：预编译替代

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 Buterin所建议的：“我们可以从有限的场景开始使用新VM，例如替代预编译功能。”具体来说，这将暂停新增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VM在主网中以低风险环境进行实战测试，同时通过以太坊客户端充当两种执行环境间的中介。

第二步：双虚拟机共存

下一阶段将“让新VM直接对用户开放”。智能合约可以通过标记来指示其字节码是EVM还是RISC-V。关键特性是实现无缝的互操作性：“两种类型的合约能够相互调用。”这一功能将通过系统调用（ECALL）实现，使两种虚拟机能够在同一生态系统中协作。

第三步：EVM作为模拟合约（"Rosetta" 策略）

最终目标是实现协议的极简化。在这一阶段，“我们将EVM作为新VM中的一种实现。”规范化的EVM将成为运行在原生RISC-V L1上的经过形式验证的智能合约。这不仅确保了对旧版应用的永久支持，同时允许客户端开发者仅维护一个简化的执行引擎，从而显著降低复杂性和维护成本。

生态系统的涟漪效应

从EVM向RISC-V的过渡不仅仅是核心协议的变革，它将对整个以太坊生态系统产生深远影响。这一转型不仅会重塑开发者体验，还将根本性地改变Layer-2解决方案的竞争格局，并解锁新的经济验证模式。

Rollup的重新定位：Optimistic 与 ZK 的对决

在L1层采用RISC-V执行层将对两种主要类型的Rollup产生截然不同的影响。

Optimistic Rollup（如Arbitrum、Optimism）面临架构挑战。它们的安全模型依赖于通过L1 EVM重新执行有争议的交易来解决欺诈证明。如果L1的EVM被替换，这一模型将彻底瓦解。这些项目将面临艰难选择：要么进行大规模的工程改造，设计一个针对新L1 VM的欺诈证明系统，要么完全脱离以太坊的安全模型。

相比之下，ZK Rollup将获得巨大的战略优势。绝大多数ZK Rollup已经将RISC-V作为其内部指令集架构（ISA）。一个“讲同一种语言”的L1将使其能够实现更紧密、更高效的整合。Justin Drake提出了“原生Rollup”的未来愿景：L2实际上成为L1自身执行环境的专业化实例，利用L1的内置VM实现无缝结算。这种对齐将带来以下变化：

技术栈简化：L2团队将不再需要在内部的RISC-V执行环境与EVM之间构建复杂的桥接机制。

工具和代码复用：针对L1 RISC-V环境开发的编译器、调试器和形式化验证工具可以直接被L2使用，大幅降低开发成本。

经济激励对齐：L1的Gas费用将更准确地反映出基于RISC-V的ZK验证实际成本，从而形成更合理的经济模型。

开发者与用户的新纪元

对以太坊开发者而言，这一转型将是渐进的，而非破坏性的。

对于开发者，他们将能够接触到更广泛、更成熟的软件开发生态。正如Vitalik Buterin所指出，开发者将“能够用Rust编写合约，同时这些选项可以共存”。与此同时，他预测“Solidity和Vyper仍会因其在智能合约逻辑上的优雅设计而长期受欢迎”。通过LLVM工具链使用主流编程语言及其庞大的库资源，这种转变将是革命性的。Vitalik将其比喻为一种“NodeJS式体验”，开发者可以用同一种语言编写链上代码和链下代码，实现开发的一体化。

对用户而言，这一转型最终将为用户带来更低成本、更高性能的网络体验。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甚至更少。这直接转化为更低的L1费用和L2结算费用。这种经济可行性将解锁“Gigagas L1”的愿景，目标实现约10,000 TPS的性能，为未来更复杂、更高价值的链上应用铺平道路。

Succinct Labs与SP1：在当下构建证明未来

以太坊正在蓄势待发。“扩展L1，扩展块”是EF协议集群内的战略紧迫任务。预计未来6至12个月将实现显著的性能提升。

https://blog.ethereum.org/2025/07/31/lean-ethereum

像Succinct Labs这样的团队已经在实践中展示了 RISC-V 的理论优势，他们的工作成为验证这一提案的有力案例。

Succinct Labs 开发的SP1是一款基于 RISC-V 的高性能、开源 zkVM，它验证了新的架构方法的可行性。SP1采用“预编译中心化”（precompile-centric）的哲学，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 将诸如 Keccak 哈希等密集型操作卸载到专门设计、手动优化的 ZK 电路中，并通过标准的 ECALL 指令调用。这种方法结合了定制硬件的性能与软件的灵活性，为开发者提供了更高效且可扩展的解决方案。

Succinct Labs 的实际影响已经显现。他们的 OP Succinct 产品利用 SP1 为Optimistic Rollups 赋予零知识证明能力（ZK-ify）。正如 Succinct 联合创始人Uma Roy 所解释的：

“使用 OP Stack 的 Rollup，不再需要等待七天才能完成最终确认和提现……现在只需一小时即可完成确认。这种速度提升非常棒。”

这一突破解决了整个 OP Stack 生态系统的关键痛点。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，展示了未来可验证计算的可行经济模式。他们的工作不仅是一个概念验证，更是一个切实可行的未来蓝图，正如本文所描述的那样。

以太坊如何降低风险

RISC-V的一大优势在于，它使形式化验证的圣杯——通过数学证明系统的正确性——成为可实现的目标。EVM的规范以自然语言编写于Yellow Paper中，难以形式化。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”。

这为更强的安全性铺平了道路。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，为区块链安全性开辟了新的高度。

转型的主要风险

尽管RISC-V架构的L1具有诸多优势，但它也带来了新的复杂挑战。

Gas计量问题

为通用指令集架构（ISA）创建一个确定性且公平的Gas模型是一个尚未解决的难题。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未命中，从而以极低的Gas费用造成高资源消耗。这种问题对网络稳定性和经济模型提出了严峻挑战。

工具链安全与“可复现构建”问题

这是转型过程中最重要且常被低估的风险。安全模型从依赖链上虚拟机转向依赖链下编译器（如LLVM），而这些编译器复杂度极高且已知包含漏洞。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公开的源代码完全一致，即“可复现构建”问题，也极为困难。构建环境中的微小差异可能导致生成不同的二进制文件，从而影响透明性与信任。这些问题对开发者和用户的安全性提出了严峻考验。

缓解策略

前进的道路需要多层次的防御策略。

分阶段推广

采用逐步、多阶段的过渡计划是应对风险的核心策略。通过首先将RISC-V引入作为预编译替代方案，然后在双虚拟机环境中运行，社区可以在低风险的环境中积累操作经验并建立信心，避免任何不可逆的变更。这种渐进式方法为技术转型提供了稳定的基础。

全面审计：模糊测试与形式化验证

尽管形式化验证是最终目标，但它必须与持续的、高强度测试相结合。正如Diligence Security的Valentine在Ethproofs电话会议中展示的那样，他们的Argus模糊测试工具已经发现了领先zkVM中11个关键的健全性与完整性漏洞。这表明，即使是设计最完善的系统，也可能存在只有通过严格的对抗性测试才能发现的漏洞。模糊测试与形式化验证的结合为系统安全性提供了更强的保障。

标准化

为避免生态系统的碎片化，社区需统一采用单一、标准化的RISC-V配置。这可能会是RV64GC与兼容Linux的ABI组合，因为这一组合在主流编程语言和工具中拥有最广泛的支持，能够最大化新生态系统的优势。标准化不仅能提升开发者的效率，还能为生态系统的长期发展奠定坚实基础。

以太坊的可验证未来

以RISC-V取代以太坊虚拟机（EVM）的提议不仅仅是一次渐进式升级，而是对以太坊执行层的根本性重构。这一雄心勃勃的愿景旨在解决深层次的扩展性瓶颈、简化协议复杂性，并将平台与通用计算领域的更广泛生态对齐。尽管这一转型面临巨大的技术和社会挑战，其长期战略收益足以为这项大胆的努力提供正当性。

此次转型聚焦于一系列核心权衡：

• ZK原生架构带来的巨大性能提升与对向后兼容性的迫切需求之间的平衡；

• 简化协议带来的安全性优势与EVM庞大的网络效应惯性之间的权衡；

• 通用生态系统的强大能力与依赖复杂第三方工具链的风险之间的选择。

最终，这种架构转型将是实现“精简执行”（Lean Execution）承诺的关键，也是“精简以太坊”（Lean Ethereum）愿景的重要组成部分。它将以太坊的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与数据可用性层，专为支持可验证计算的广阔宇宙而设计。

正如Vitalik Buterin所言，“终点是……为一切提供 ZK-snark。”

像Ethproofs这样的项目为这一转型提供了客观数据和协作平台，而Succinct Labs团队通过其SP1 zkVM的实际应用，则为这一未来提供了可操作的蓝图。通过拥抱RISC-V，以太坊不仅解决了自身的扩展性瓶颈，还将自身定位为下一代互联网的基础信任层——由哈希和签名之后的第三大密码学原语SNARK驱动。

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