Vitalik 激進新文：執行層擴容 “不破不立”，EVM 未來必須被迭代

理想的區塊鏈應追求更極致的精簡，執行層若想要實現突破，必須進行根本性的變革。

原文：Long-term L1 execution layer proposal: replace the EVM with RISC-V

作者：vitalik.eth

編譯：Azuma，Odaily 星球日報

在這篇文章中，我將提出一個關於以太坊執行層未來的激進想法，其宏大程度與共識層的 Beam Chain 計劃不相上下。該計劃的目標是大幅提升以太坊執行層的效率，解決主要的擴展瓶頸之一，同時也能極大簡化執行層的複雜性 —— 事實上，這可能是實現簡化的唯一途徑。

本文的核心觀點是，用 RISC-V 取代 EVM 作為智能合約的虛擬機語言。

重要說明：

• 賬戶、跨合約調用、存儲等概念將完全保留。這些抽象機制運作良好且開發者已習慣使用。類似 SLOAD、SSTORE、BALANCE、CALL 等操作碼將成為 RISC-V 的系統調用。
• 開發者仍可選擇 Solidity 或 Vyper。雖然理論上可用 Rust 編寫智能合約，但預計大部分開發者會繼續使用 Solidity（或 Vyper），這些語言將通過適配 RISC-V 作為後端編譯目標 —— 這是因為 Rust 編寫的智能合約可讀性較差，而 Solidity 和 Vyper 更易理解。開發體驗幾乎不會改變，開發者可能完全感受不到差異。
• 新舊合約將實現雙向互操作。傳統 EVM 合約將繼續運行，並能與新型 RISC-V 合約完全交互。具體實現方式後文將詳述。
• 已有先例可循：Nervos CKB VM 本質上就是基於 RISC-V 的實現。

為何需要這種變革？

短期內，以太坊 Layer 1 擴容的主要瓶頸將通過即將推出的 EIP（如區塊等級訪問列表、延遲執行、分佈式歷史存儲以及 EIP-4444）得到解決；中期內，我們將通過無狀態性和 ZK-EVM 來解決更多問題；但長期來看，限制以太坊 Layer 1 擴容的主要因素將變為：

1. 數據可用性採樣與歷史存儲協議的穩定性；
2. 維持區塊生產市場競爭性的需求；
3. ZK-EVM 的證明能力。

本文將論證，用 RISC-V 替代 ZK-EVM 能突破第 2 點及第 3 點中的關鍵瓶頸。

以下是 Succinct ZK-EVM 用於證明 EVM 執行層各環節所需的週期數統計表：

四個主要耗時環節為：“deserialize_inputs”（數據反序列化）、“initialize_witness_db”（見證數據庫初始化）、“state_root_computation”（狀態根計算）和 “block_execution”（區塊執行）。

“見證數據庫初始化” 和 “狀態根計算” 都與狀態樹有關，而 “數據反序列化” 指的是將區塊和見證數據轉換為內部表示的過程。因此，實際上超過 50% 的時間與見證數據的大小有關。

通過將當前的 “keccak 16-ary Merkle patricia tree”（keccak 十六叉 Merkle Patricia 樹）替換為使用證明友好型哈希函數的 “binary tree”（二叉樹），這些環節可以得到大幅優化。如果我們使用 “Poseidon”，我們可以在筆記本電腦上每秒證明 200 萬次哈希（相比之下，keccak 為每秒約 15000 次哈希）。除了 “Poseidon” 之外還有許多其他選擇。總的來說，有機會大幅削減這些環節的耗時。此外，我們還可以通過去除 “accrue_logs_bloom” 來進一步簡化流程。

現在只剩下了 “區塊執行”，它大約佔用了目前證明週期的一半。如果我們想將總體證明效率提高 100 倍，就必須至少將 EVM 證明效率提高 50 倍。現有兩種路徑：一是嘗試創建更高效的 EVM 實現，以減少證明週期；二是直接讓開發者使用 ZK-EVM  底層已採用的 RISC-V  虛擬機。

部分數據顯示，特定場景下效率提升可超 100  倍：

實踐中，剩餘證明時間將主要消耗於預編譯合約（precompiles）。若將 RISC-V 設為主虛擬機，gas 費用機制將反映實際的證明耗時，經濟壓力將促使開發者減少使用高成本的預編譯。儘管實際收益可能不及理論值，但預期仍將非常顯著。

值得注意的是，常規 EVM 執行中也存在類似的 “EVM” 與 “其他環節” 50/50 的耗時分配，我們直觀地認為，移除 EVM 作為 “中間層” 應能獲得相近幅度的效率提升。

實現方法

有多種方法可以實現上述提案。

破壞性最低的方法是支持兩種虛擬機，允許合約選用任一種虛擬機編寫。兩種類型的合約都可以訪問相同的功能：持久存儲（SLOAD/SSTORE）、ETH 餘額管理、發起和接收調用等。EVM 與 RISC-V 合約可自由互調：從 RISC-V 視角調用 EVM 合約將被視為攜帶特殊參數的系統調用（syscall），而接收調用的 EVM  合約則將其解析為普通 CALL 指令。

更激進的方案會將現有 EVM 合約轉換為調用 RISC-V 編寫的 EVM 解釋器合約來執行其原有的 EVM 代碼。具體而言，假設某 EVM 合約包含代碼 C，且 EVM 解釋器位於地址 X，則該合約將被替換為頂層邏輯：當外部以調用參數 D 發起調用時，該邏輯會向 X 發送（C, D）請求，等待返回值並轉發。若 EVM 解釋器自身需要調用合約以執行 CALL、SLOAD 或 SSTORE 等操作，合約將直接響應。

折中方案則是在第二種方案基礎上，通過協議層明確支持"虛擬機解釋器"概念 —— 即要求解釋器邏輯必須用 RISC-V 編寫。EVM 將作為首個官方解釋器，未來可能引入其他類型（例如 Move 語言解釋器）。

第二和第三種方案的核心優勢在於大幅簡化執行層規範。考慮到即使像移除 SELFDESTRUCT 這類漸進式簡化都困難重重，此類變革可能是實現簡化的唯一現實途徑。Tinygrad 項目嚴格規定代碼量永不超 1 萬行，理想的區塊鏈基礎層應追求更極致的精簡。Beam Chain 計劃為以太坊共識層的簡化指明方向，而執行層要實現類似突破，或許唯有通過此類根本性變革。

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