当区块链遇见 RISC-V

区块链的出现使得智能合约得到了更好的实现和发展，而区块链和智能合约之间，还存在着一个重要的角色：虚拟机(Virtual Machine)。

虚拟机的概念在上个世纪六十年代就被提出来，而到九十年代才开始流行。当时的网络跨越了众多不同的操作系统、浏览器，如果开发者想要制作一个应用，就需要去适配所有不同的操作系统。大家知道现在 App 开发就分为安卓和苹果系统，而当时局面更加复杂。恰好 Java 程序语言开始流行，Java 构建的虚拟机能够让程序只需要写一次，依托 Java 虚拟机就能够在多个平台上运行，所以当时提出的口号就是：一处编译、到处运行。

我们知道比特币是没有虚拟机的，因为比特币就是把一段数字(也就是「比特币」)从地址 A 转移到地址 B，而以太坊则提出，区块链上执行的为什么不能是一套代码，能够实现更多复杂多样的东西?这就是我们所说的智能合约平台，所有节点运行一样的合约代码得到完全一样的结果。

在区块链上，虚拟机就是智能合约的运行环境，是一个可以完全对外隔离的完整计算机体系。区块链通过虚拟机来调用和执行智能合约，并要求所有节点都达成一致。而节点用的是不同的系统，有些机器是 64 位的，有些是 32 位的，传统的 Java 虚拟机容忍计算结果有少量的差异，但是在区块链上所有结果必须一样，因此，一个新的、适用于区块链的虚拟机是必不可少的。

理想中的区块链虚拟机

每个区块链项目的虚拟机设计，都会有自身的艺术追求，在追求众多的特性同时做不同层次上的取舍。在做了大量的研究之后，我们认为理想中的区块链虚拟机应该是这样的：

· 运行时有足够的确定性，在调用同样的智能合约输入时，应该返回相同的输出结果，输出结果不依赖于时间、运行环境等外部的条件;

· 运行时有足够的安全性，虚拟机的执行不会对平台本身带来负面影响;

· 对更新足够的灵活，让区块链不用通过硬分叉，就可以实现加密算法的升级或新增(回想一下以太坊硬分叉升级的痛苦);

· 信息足够的透明，可以让虚拟机上运行的智能合约充分发挥虚拟机的潜力;

· 费用机制足够的合理，能够确保虚拟机运行时资源消耗的计算方式更加合理准确;

· 可以支持不同的语言编译，让开发者能够自由地开发，将最新的科技运用其中。

在设计 Nervos CKB 虚拟机之前，我们发现很多区块链项目都不是用真实的 CPU 指令集来构造自己的虚拟机的，他们更多的是选择了 WASM 来构造自己的虚拟机。

而我们更倾向于采用真实的 CPU 指令集来构造自己的虚拟机，因为在任何精巧复杂的虚拟机的最底层，都需要将操作转变为原始的汇编指令来执行对 CPU 的操作。另外，采用真实 CPU 指令集就不会在设计层面引入一些语义约束，束缚虚拟机的灵活性。

做一个不恰当的比喻，操作 CPU 需要有一套语言体系，使用真实的 CPU 指令集就如同能直接用这套语言体系和 CPU「说话」，那就非常方便。否则，就好像先说中文，再转换为英文，不论多完美的翻译水平，都会有一定的偏差和束缚。

通过真实的 CPU 指令集，虚拟机可以根据需要增加任意类型的数据结构或算法，可以最大限度的让开发者写出任何满足要求的合约。于是我们决定大胆的尝试使用真实的 CPU 指令集来构造自己的虚拟机 CKB-VM。

在 CPU 指令集的选择中，我们选择了精简的开源指令集 RISC-V。RISC-V 可以满足从低功耗小型微处理器，到高性能数据中心(DC)处理器的实现要求，并且有着透明性、精简性、模块化、支持的广泛性和成熟性的特点。这些特性都和 CKB-VM 的设计需求完美契合。那么 RISC-V 又是什么呢?

RISC-V

RISC-V 是一个清晰、简约、开源的 CPU 指令集架构，诞生于美国加州大学伯克利分校。

2010 年，由于其他商业闭源指令集的局限性，该校的一个研究团队在启动一个新项目时，从零开始设计了一套全新的开源指令集。这套全新的指令集有着大量的寄存器和透明的指令执行速度，能够帮助编译器和汇编语言程序员将实际的重要问题转换为适当、高效的代码，并且只包含了不到 50 条指令。这套指令集就是 RISC-V。

架构师们在设计 RISC-V 时，就是希望 RISC-V 在所有的计算设备上都能够有效工作。自 2010 年被发明以来，RISC-V 简洁的设计赢得了业界和学界的广泛支持，并且获得了社区的喜爱。

RISC-V 基金会

RISC-V 指令集的发展主要由 RISC-V 基金会以及社区推动。RISC-V 基金会创立于 2015 年，是一家非营利组织，也是首个开放、协作的软硬件创新者社区。