不用 WASM，咱们从头造轮子！采用 RISC-V 设计的区块链虚拟机 CKB-VM 诞生记

秘猿科技使命是用 技术创造信任，为价值网络提供基础设施和服务。为了实现这个使命，咱们三年来坚持初心，步步为营打造加密经济网络。咱们想要让 互联网回归到本源，用区块链技术，去构造更美好的社会，所以咱们设计了 CKB 底层公链。咱们本身造轮子，开创性设计了独一无二的 CKB 模型，以及用 RISC-V 打造的 CKB-VM 虚拟机。本文就将谈谈 CKB-VM 虚拟机的诞生。

秘猿科技区块链小课堂第 22 期

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区块链的出现使得智能合约获得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一样的操做系统、浏览器，若是开发者想要制做一个应用，就须要去适配全部不一样的操做系统。你们知道如今 App 开发就分为安卓和苹果系统，而当时局面更加复杂。刚好 Java 程序语言开始流行，Java 构建的虚拟机可以让程序只须要写一次，依托 Java 虚拟机就可以在多个平台上运行，因此当时提出的口号就是： 一处编译、处处运行 。

咱们知道比特币是没有虚拟机的，由于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，区块链上执行的为何不能是一套代码，可以实现更多复杂多样的东西？这就是咱们所说的智能合约平台，全部节点运行同样的合约代码获得彻底同样的结果。

在区块链上，虚拟机就是智能合约的运行环境，是一个能够彻底对外隔离的完整计算机体系。区块链经过虚拟机来调用和执行智能合约，并要求全部节点都达成一致。而节点用的是不一样的系统，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许的差别，可是在区块链上全部结果必须同样，所以，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

每一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作不一样层次上的取舍。在作了大量的研究以后，咱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 肯定性 ，在调用一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自己带来负面影响；
• 对更新足够的 灵活 ，让区块链不用经过硬分叉，就能够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 ，可以确保虚拟机运行时资源消耗的计算方式更加合理准确；
• 能够 支持不一样的语言编译 ，让开发者可以自由地开发，将最新的科技运用其中。

在设计 Nervos CKB 虚拟机以前，咱们发现不少区块链项目都不是用真实的 CPU 指令集来构造本身的虚拟机的，他们更多的是选择了 WASM 来构造本身的虚拟机。

而咱们更倾向于采用真实的 CPU 指令集来构造本身的虚拟机，由于在任何精巧复杂的虚拟机的最底层，都须要将操做转变为原始的汇编指令来执行对 CPU 的操做。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。

作一个不恰当的比喻，操做 CPU 须要有一套语言体系，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」，那就很是方便。不然，就好像先说中文，再转换为英文，不论多完美的翻译水平，都会有必定的误差和束缚。

经过真实的 CPU 指令集，虚拟机能够根据须要增长任意类型的数据结构或算法，能够最大限度的让开发者写出任何知足要求的合约。因而咱们决定大胆的尝试使用真实的 CPU 指令集来构造本身的虚拟机 CKB-VM。

在 CPU 指令集的选择中，咱们选择了精简的开源指令集 RISC-V。RISC-V 能够知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，而且有着透明性、精简性、模块化、支持的普遍性和成熟性的特色。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，因为其余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，可以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，而且只包含了不到 50 条指令 。这套指令集就是 RISC-V。

架构师们在设计 RISC-V 时，就是但愿 RISC-V 在全部的计算设备上都可以有效工做。自 2010 年被发明以来，RISC-V 简洁的设计赢得了业界和学界的普遍支持，而且得到了社区的喜好。

RISC-V 基金会

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

RISC-V 基金会目前已经有超过 235 家成员，包括谷歌、高通、苹果、IBM、特斯拉、华为等企业。成员能够参与制定并使用 RISC-V 指令集规范，而且参与相关软、硬件生态系统的发展。

因为精简、开源的设计，RISC-V 在一些学术机构中大受欢迎，如加州大学伯克利分校、麻省理工学院、普林斯顿大学、中科院计算所等。除此以外，一些政府机构，如印度政府、上海市经济信息委等，也大力支持基于 RISC-V 的项目开发。

现有的指令集

RISC-V 是一个很是年轻的指令集，那么在此以前，主要的指令集都有哪些呢？

在 PC 时代，x86 是不可动摇的霸主，x86 是 CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集），和 RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集）不一样，CISC 指令集会随着发展不断增多。这样会使得成本不断上升，性能和功耗也会受到影响。并且，CISC 指令集长度、执行时间都不固定，很难找出一条高效率的通用设计道路来完成指令的执行。

智能手机普及以后，ARM 成了移动端的宠儿。ARM 是精简指令集（RISC）有着低功耗和低成本的特性，可是，由于要保持向后兼容性，ARM 须要保留许多过期的定义，致使指令集冗余严重，这使得 ARM 架构文档的复杂度愈来愈高。

在 x86 和 ARM 垄断的当下，RISC-V 为市场带来了新的生机：

精简

通过几十年的发展，x86 与 ARM 的架构文档已经长达数千页，几乎须要花掉一个工程师近一个月的阅读时间，而阅读 RISC-V 文档只须要花费 1-2 天的时间。

这是由于 RISC-V 只将那些最常使用的指令集挑选出来，而后为其进行专门优化，至于不经常使用的指令，则能够用几个基础指令组合的方式完成，这样就能够大大提升效率。

举个例子，若是咱们用的是 x86，那么就必须买下一整个超市，才能享受自身需的物品；而 RISC-V 是一家能够单买的超市，顾客们只须要挑选本身所需的物品，并为此付费便可。

开源

ARM 和 x86 都是闭源项目，且受权条款极其苛刻：英特尔不容许除 AMD 和 VIA 以外的任何一家公司使用 x86 指令集；想要得到 ARM 指令集的受权可能须要花费上千万美圆的受权费，而且会受到并且受权到期后，须要从新谈判受权事宜。

RISC-V 是一个真正意义上的开源项目，被称为硬件领域的 Linux。事实上，发明 RISC-V 的 David Patterson 教授、Krste Asanovic 教授、Andrew Waterman 和 Yunsup Lee 的初衷就是但愿 「 Instruction Sets Want to be Free 」，全世界任何公司、大学、研究机构与我的均可以开发兼容 RISC-V 指令集的处理器，均可以融入到基于 RISC-V 构建的软硬件生态系统。

RISC-V 使用的是 BSD License 开源协议，BSD 开源协议容许使用者修改和从新发布开源代码，也容许基于开源代码开发商业软件发布和销售。

当区块链碰见 RISC-V

RISC-V 在不少科技领域都获得了运用，目前，也开始在区块链领域逐渐的得以发展。做为仅在 CPU 上验证过的指令集架构， 将 RISC-V 应用在区块链领域的确是一个大胆的尝试 ，由于它在区块链项目上打造的是虚拟机，而非处理器硬件。

咱们不肯定这样的尝试可否成功，可是咱们有理由相信， 基于开源的 RISC-V 打造的虚拟机，能够很好的缩短硬件和软件行业的距离，而且带来更丰富的开发生态。