Революционный переход Ethereum: переход от EVM к архитектуре RISC-V

Самое значительное архитектурное изменение в истории Ethereum

Ethereum находится на грани осуществления самого трансформационного архитектурного изменения с момента своего создания: замены Ethereum Virtual Machine (EVM) на архитектуру RISC-V. Этот переход представляет собой фундаментальный сдвиг в том, как Ethereum обрабатывает транзакции и выполняет смарт-контракты, движимый растущей важностью технологии нулевых знаний (ZK) в разработке блокчейнов.

Текущая EVM стала значительным узким местом производительности в эпоху нулевых доказательств:

• Реализации zkEVM полагаются на интерпретаторы, что приводит к снижению производительности на 50-800 раз
• Предварительно скомпилированные модули добавляют сложность и риски безопасности в протокол
• Дизайн стеков размером 256 бит оказывается крайне неэффективным для генерации доказательств

Почему RISC-V является оптимальным решением

RISC-V предлагает несколько убедительных преимуществ, которые решают ограничения EVM:

• Минималистичный дизайн с примерно 47 фундаментальными инструкциями, в сочетании с зрелой экосистемой LLVM, поддерживающей несколько языков (Rust, C++, Go)
• Широкое принятие в отрасли: 90% проектов выбирают RISC-V в качестве стандарта для реализации zkVM
• Формальная спецификация SAIL заменяет неоднозначную Жёлтую книгу, позволяя строгую верификацию
• Аппаратные пути ускорения через ASIC/FPGAs в настоящее время тестируются проектами, такими как SP1, Nervos и Cartesi

Стратегия миграции в три этапа

Переход будет осуществляться через тщательно спланированный многоступенчатый процесс:

1. Начальная интеграция: RISC-V реализован как предкомпилированный модуль для низкорисковых тестов
2. Эра двойной виртуальной машины: EVM и RISC-V сосуществуют с полной совместимостью
3. Полный переход: Реализация функциональности EVM в рамках RISC-V (стратегии "Rosetta")

Анализ воздействия на экосистему

Этот архитектурный сдвиг создаст волновые эффекты по всей экосистеме Ethereum:

• Оптимистичные Роллапсы (Arbitrum, Optimism) придется заново построить свои механизмы проверки мошенничества
• Роллапы с нулевым знанием (Polygon, zkSync, Scroll) получат значительные преимущества благодаря более дешевому, быстрому и простому процессу генерации доказательств
• Разработчики получат прямой доступ к основным библиотекам языков, таким как Rust, Go и Python на уровне Layer 1
• Пользователи будут испытывать примерно в 100 раз более низкие затраты на генерацию доказательств, что потенциально позволит Gigagas L1 достигать пропускной способности (~10,000 TPS)

Понимание технических факторов, лежащих в основе изменений

Проблема накладных расходов интерпретатора

Текущая реализация zkEVM не доказывает операции EVM напрямую. Вместо этого они доказывают интерпретатор EVM, который сам компилируется в код RISC-V. Как подчеркивал Виталик Бутерин:

"Если реализация zkVM заключается в компиляции выполнения EVM в то, что в конечном итоге становится кодом RISC-V, почему бы не предоставить базовый RISC-V напрямую разработчикам смарт-контрактов? Это может полностью устранить накладные расходы всей внешней виртуальной машины."

Этот дополнительный слой интерпретации накладывает серьезный штраф по производительности, и оценки предполагают замедление в 50-800 раз по сравнению с нативной генерацией доказательств.

Накопление технического долга

Эфир накопил значительный технический долг из-за использования заранее скомпилированных контрактов - специализированных функций, закодированных в протокол, чтобы преодолеть ограничения производительности EVM в криптографических операциях. Согласно Виталику:

"Предкомпилированные контракты катастрофичны для нас... они сильно раздули доверенную кодовую базу Ethereum... и они привели к серьезным проблемам, которые почти стали причиной сбоев консенсуса несколько раз."

Сложность потрясающая, с кодом обертки для одного предкомпилированного контракта, превышающим сложность целого интерпретатора RISC-V.

Архитектурные неэффективности

Архитектура EVM на 256 бит, хотя и выбрана для обработки криптографических значений, оказывается крайне неэффективной для типичных операций смарт-контрактов, которые используют 32-битные или 64-битные целые числа. Эта неэффективность становится особенно затратной в системах с нулевым раскрытием.

Кроме того, стековая архитектура EVM менее эффективна, чем архитектура на основе регистров, используемая в RISC-V и современных ЦП, требуя больше инструкций для одинаковых операций и усложняя оптимизацию компилятора.

Преимущества RISC-V: Создание более проверяемого Ethereum

Открытые стандарты против индивидуальных дизайнов

В отличие от специализированных архитектур наборов команд, требующих полностью новой программной экосистемы, RISC-V является зрелым открытым стандартом, предлагающим три ключевых преимущества:

• Зрелость экосистемы: Использование десятилетий коллективного прогресса в области компьютерных наук с доступом к инструментам мирового класса и поддержкой всех высокоуровневых языков, совместимых с LLVM
• Простота дизайна: Меньшая, более поддающаяся аудиту доверенная кодовая база, которую легче формально проверить
• Стандартизация отрасли: Девять из десяти zkVM, способных подтверждать блоки Ethereum, выбрали RISC-V в качестве своей целевой архитектуры

Создан для доверия и проверки

Архитектура RISC-V особенно хорошо подходит для создания безопасных, проверяемых систем:

• Формализованная, читаемая машиной спецификация SAIL, обеспечивающая "золотой стандарт" для доказательств математической корректности
• Привилегированная архитектура, определяющая различные операционные уровни с аппаратно обеспеченными границами безопасности

Стратегии снижения рисков

Переход на RISC-V ставит перед нами несколько задач, которые необходимо решить:

• Сложность измерения газа: Создание детерминированной и справедливой модели газа для универсальных наборов инструкций
• Соображения по безопасности цепочки инструментов: Управление переходом к зависимости от компилятора вне цепочки, что может привести к уязвимостям

Эти проблемы будут решены с помощью:

1. Поэтапное развертывание с обширным тестированием на каждом этапе
2. Комплексные аудиты безопасности основных компонентов
3. У efforts по стандартизации критических элементов, таких как учет газа

К направлению к проверяемому вычислительному будущему

Это архитектурное преобразование направлено на решение основных узких мест в масштабируемости, снижение сложности протокола и приведение Ethereum в соответствие с принципами общего назначения вычислений. Оно преобразует первый уровень Ethereum из специализированной платформы для смарт-контрактов в эффективный, безопасный уровень расчетов, специально предназначенный для верифицируемых вычислений.

Как подчеркнул Виталик Бутерин, "Конечная цель - предоставить ZK-snark для всего" - видение, которое переход на RISC-V делает значительно более достижимым.