摘要：在區(qū)塊鏈上，虛擬機就是智能合約的運行環(huán)境，是一個可以完全對外隔離的完整計算機體系。區(qū)塊鏈通過虛擬機來調(diào)用和執(zhí)行智能合約，并要求所有節(jié)點都達成一致。

秘猿科技使命是用技術(shù)創(chuàng)造信任，為價值網(wǎng)絡(luò)提供基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)。為了實現(xiàn)這個使命，我們?nèi)陙韴猿殖跣?，步步為營打造加密經(jīng)濟網(wǎng)絡(luò)。我們想要讓互聯(lián)網(wǎng)回歸到本源，用區(qū)塊鏈技術(shù)，去構(gòu)造更美好的社會，因此我們設(shè)計了 CKB 底層公鏈。我們自己造輪子，開創(chuàng)性設(shè)計了獨一無二的 CKB 模型，以及用 RISC-V 打造的 CKB-VM 虛擬機。本文就將談?wù)?CKB-VM 虛擬機的誕生。

秘猿科技區(qū)塊鏈小課堂第 22 期

區(qū)塊鏈的出現(xiàn)使得智能合約得到了更好的實現(xiàn)和發(fā)展，而區(qū)塊鏈和智能合約之間，還存在著一個重要的角色： 虛擬機（Virtual Machine） 。

虛擬機的概念在上個世紀六十年代就被提出來，而到九十年代才開始流行。當(dāng)時的網(wǎng)絡(luò)跨越了眾多不同的操作系統(tǒng)、瀏覽器，如果開發(fā)者想要制作一個應(yīng)用，就需要去適配所有不同的操作系統(tǒng)。大家知道現(xiàn)在 App 開發(fā)就分為安卓和蘋果系統(tǒng)，而當(dāng)時局面更加復(fù)雜。恰好 Java 程序語言開始流行，Java 構(gòu)建的虛擬機能夠讓程序只需要寫一次，依托 Java 虛擬機就能夠在多個平臺上運行，所以當(dāng)時提出的口號就是： 一處編譯、到處運行 。

我們知道比特幣是沒有虛擬機的，因為比特幣就是把一段數(shù)字（也就是「比特幣」）從地址 A 轉(zhuǎn)移到地址 B，而以太坊則提出，區(qū)塊鏈上執(zhí)行的為什么不能是一套代碼，能夠?qū)崿F(xiàn)更多復(fù)雜多樣的東西？這就是我們所說的智能合約平臺，所有節(jié)點運行一樣的合約代碼得到完全一樣的結(jié)果。

在區(qū)塊鏈上，虛擬機就是智能合約的運行環(huán)境，是一個可以完全對外隔離的完整計算機體系。區(qū)塊鏈通過虛擬機來調(diào)用和執(zhí)行智能合約，并要求所有節(jié)點都達成一致。而節(jié)點用的是不同的系統(tǒng)，有些機器是 64 位的，有些是 32 位的，傳統(tǒng)的 Java 虛擬機容忍計算結(jié)果有少量的差異，但是在區(qū)塊鏈上所有結(jié)果必須一樣，因此，一個新的、適用于區(qū)塊鏈的虛擬機是必不可少的。

每個區(qū)塊鏈項目的虛擬機設(shè)計，都會有自身的藝術(shù)追求，在追求眾多的特性同時做不同層次上的取舍。在做了大量的研究之后，我們認為理想中的區(qū)塊鏈虛擬機應(yīng)該是這樣的：

運行時有足夠的 確定性 ，在調(diào)用同樣的智能合約輸入時，應(yīng)該返回相同的輸出結(jié)果，輸出結(jié)果不依賴于時間、運行環(huán)境等外部的條件；

運行時有足夠的 安全性 ，虛擬機的執(zhí)行不會對平臺本身帶來負面影響；

對更新足夠的 靈活 ，讓區(qū)塊鏈不用通過硬分叉，就可以實現(xiàn)加密算法的升級或新增（回想一下以太坊硬分叉升級的痛苦）；

信息足夠的透明，可以讓虛擬機上運行的智能合約充分發(fā)揮虛擬機的潛力；

費用機制足夠的 合理 ，能夠確保虛擬機運行時資源消耗的計算方式更加合理準確；

可以 支持不同的語言編譯 ，讓開發(fā)者能夠自由地開發(fā)，將最新的科技運用其中。

在設(shè)計 Nervos CKB 虛擬機之前，我們發(fā)現(xiàn)很多區(qū)塊鏈項目都不是用真實的 CPU 指令集來構(gòu)造自己的虛擬機的，他們更多的是選擇了 WASM 來構(gòu)造自己的虛擬機。

而我們更傾向于采用真實的 CPU 指令集來構(gòu)造自己的虛擬機，因為在任何精巧復(fù)雜的虛擬機的最底層，都需要將操作轉(zhuǎn)變?yōu)樵嫉膮R編指令來執(zhí)行對 CPU 的操作。另外，采用真實 CPU 指令集就不會在設(shè)計層面引入一些語義約束，束縛虛擬機的靈活性。

做一個不恰當(dāng)?shù)谋扔?，操?CPU 需要有一套語言體系，使用真實的 CPU 指令集就如同能直接用這套語言體系和 CPU「說話」，那就非常方便。否則，就好像先說中文，再轉(zhuǎn)換為英文，不論多完美的翻譯水平，都會有一定的偏差和束縛。

通過真實的 CPU 指令集，虛擬機可以根據(jù)需要增加任意類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或算法，可以最大限度的讓開發(fā)者寫出任何滿足要求的合約。于是我們決定大膽的嘗試使用真實的 CPU 指令集來構(gòu)造自己的虛擬機 CKB-VM。

在 CPU 指令集的選擇中，我們選擇了精簡的開源指令集 RISC-V。RISC-V 可以滿足從低功耗小型微處理器，到高性能數(shù)據(jù)中心（DC）處理器的實現(xiàn)要求，并且有著透明性、精簡性、模塊化、支持的廣泛性和成熟性的特點。這些特性都和 CKB-VM 的設(shè)計需求完美契合。那么 RISC-V 又是什么呢？

RISC-V 是一個清晰、簡約、開源的 CPU 指令集架構(gòu)，誕生于美國加州大學(xué)伯克利分校。

2010 年，由于其他商業(yè)閉源指令集的局限性，該校的一個研究團隊在啟動一個新項目時，從零開始設(shè)計了一套全新的開源指令集。這套全新的指令集有著大量的寄存器和透明的指令執(zhí)行速度，能夠幫助編譯器和匯編語言程序員將實際的重要問題轉(zhuǎn)換為適當(dāng)、高效的代碼，并且只包含了不到 50 條指令 。這套指令集就是 RISC-V。

架構(gòu)師們在設(shè)計 RISC-V 時，就是希望 RISC-V 在所有的計算設(shè)備上都能夠有效工作。自 2010 年被發(fā)明以來，RISC-V 簡潔的設(shè)計贏得了業(yè)界和學(xué)界的廣泛支持，并且獲得了社區(qū)的喜愛。

RISC-V 指令集的發(fā)展主要由 RISC-V 基金會以及社區(qū)推動。RISC-V 基金會創(chuàng)立于 2015 年，是一家非營利組織，也是首個開放、協(xié)作的軟硬件創(chuàng)新者社區(qū)。

RISC-V 基金會目前已經(jīng)有超過 235 家成員，包括谷歌、高通、蘋果、IBM、特斯拉、華為等企業(yè)。成員可以參與制定并使用 RISC-V 指令集規(guī)范，并且參與相關(guān)軟、硬件生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。

由于精簡、開源的設(shè)計，RISC-V 在一些學(xué)術(shù)機構(gòu)中大受歡迎，如加州大學(xué)伯克利分校、麻省理工學(xué)院、普林斯頓大學(xué)、中科院計算所等。除此之外，一些政府機構(gòu)，如印度政府、上海市經(jīng)濟信息委等，也大力支持基于 RISC-V 的項目開發(fā)。

RISC-V 是一個非常年輕的指令集，那么在此之前，主要的指令集都有哪些呢？

在 PC 時代，x86 是不可動搖的霸主，x86 是 CISC（Complex Instruction Set Computer，復(fù)雜指令集），和 RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集）不同，CISC 指令集會隨著發(fā)展不斷增多。這樣會使得成本不斷上升，性能和功耗也會受到影響。而且，CISC 指令集長度、執(zhí)行時間都不固定，很難找出一條高效率的通用設(shè)計道路來完成指令的執(zhí)行。

智能手機普及之后，ARM 成了移動端的寵兒。ARM 是精簡指令集（RISC）有著低功耗和低成本的特性，但是，因為要保持向后兼容性，ARM 需要保留許多過時的定義，導(dǎo)致指令集冗余嚴重，這使得 ARM 架構(gòu)文檔的復(fù)雜度越來越高。

在 x86 和 ARM 壟斷的當(dāng)下，RISC-V 為市場帶來了新的生機：

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，x86 與 ARM 的架構(gòu)文檔已經(jīng)長達數(shù)千頁，幾乎需要花掉一個工程師近一個月的閱讀時間，而閱讀 RISC-V 文檔只需要花費 1-2 天的時間。

這是因為 RISC-V 只將那些最常使用的指令集挑選出來，然后為其進行專門優(yōu)化，至于不常用的指令，則可以用幾個基礎(chǔ)指令組合的方式完成，這樣就可以大大提高效率。

舉個例子，如果我們用的是 x86，那么就必須買下一整個超市，才能享受自身需的物品；而 RISC-V 是一家可以單買的超市，顧客們只需要挑選自己所需的物品，并為此付費即可。

ARM 和 x86 都是閉源項目，且授權(quán)條款極其苛刻：英特爾不允許除 AMD 和 VIA 之外的任何一家公司使用 x86 指令集；想要獲得 ARM 指令集的授權(quán)可能需要花費上千萬美元的授權(quán)費，并且會受到而且授權(quán)到期后，需要重新談判授權(quán)事宜。

RISC-V 是一個真正意義上的開源項目，被稱為硬件領(lǐng)域的 Linux。事實上，發(fā)明 RISC-V 的 David Patterson 教授、Krste Asanovic 教授、Andrew Waterman 和 Yunsup Lee 的初衷就是希望 「 Instruction Sets Want to be Free 」，全世界任何公司、大學(xué)、研究機構(gòu)與個人都可以開發(fā)兼容 RISC-V 指令集的處理器，都可以融入到基于 RISC-V 構(gòu)建的軟硬件生態(tài)系統(tǒng)。

RISC-V 使用的是 BSD License 開源協(xié)議，BSD 開源協(xié)議允許使用者修改和重新發(fā)布開源代碼，也允許基于開源代碼開發(fā)商業(yè)軟件發(fā)布和銷售。

當(dāng)區(qū)塊鏈遇見 RISC-V

RISC-V 在很多科技領(lǐng)域都得到了運用，目前，也開始在區(qū)塊鏈領(lǐng)域逐漸的得以發(fā)展。作為僅在 CPU 上驗證過的指令集架構(gòu)， 將 RISC-V 應(yīng)用在區(qū)塊鏈領(lǐng)域的確是一個大膽的嘗試 ，因為它在區(qū)塊鏈項目上打造的是虛擬機，而非處理器硬件。

我們不確定這樣的嘗試能否成功，但是我們有理由相信， 基于開源的 RISC-V 打造的虛擬機，可以很好的縮短硬件和軟件行業(yè)的距離，并且?guī)砀S富的開發(fā)生態(tài)。