Революційний перехід Ethereum: перехід від EVM до архітектури RISC-V

Найзначніша архітектурна зміна в історії Ethereum

Ethereum знаходиться на межі найзначнішої архітектурної зміни з моменту свого створення: заміна Ethereum Virtual Machine (EVM) на архітектуру RISC-V. Ця трансформація представляє собою фундаментальний зсув у тому, як Ethereum обробляє транзакції та виконує смарт-контракти, що зумовлено зростаючим значенням технології нульового знання (ZK) у розвитку блокчейну.

Поточний EVM став значним вузьким місцем продуктивності в епоху нульових доказів:

• Реалізації zkEVM покладаються на інтерпретатори, що призводить до зниження продуктивності на 50-800 разів
• Попередньо скомпільовані модулі додають складності та ризики безпеці протоколу
• Дизайн стеку з 256 біт виявляється надзвичайно неефективним для генерування доказів

Чому RISC-V є оптимальним рішенням

RISC-V пропонує кілька переконливих переваг, які вирішують обмеження EVM:

• Мінімалістичний дизайн з приблизно 47 базовими інструкціями, в парі з зрілою екосистемою LLVM, що підтримує кілька мов (Rust, C++, Go)
• Узгодження в галузі з 90% проектів, які обрали RISC-V як стандарт для реалізації zkVM
• Формальна специфікація SAIL, що замінює неоднозначний Жовтий папір, що дозволяє сувору перевірку
• Шляхи апаратного прискорення через ASIC/FPGAs в даний час тестуються проектами, такими як SP1, Nervos та Cartesi.

Стратегія міграції в три фази

Перехід буде здійснюватися через ретельно спланований, багатоступеневий процес:

1. Початкова інтеграція: RISC-V реалізовано як попередньо скомпільований модуль для низькоризикового тестування
2. Ера подвійної віртуальної машини: Як EVM, так і RISC-V співіснують з повною взаємодією
3. Завершення переходу: Реалізація функціональності EVM у RISC-V (стратегія "Rosetta")

Аналіз впливу на екосистему

Цей архітектурний зсув створить хвильові ефекти по всій екосистемі Ethereum:

• Оптимістичні Ролапи (Arbitrum, Optimism) потрібно буде відновити їх механізми перевірки шахрайства
• Rollup'и з нульовим знанням (Polygon, zkSync, Scroll) отримають значні переваги завдяки дешевшій, швидшій та простішій генерації доказів
• Розробники отримають вигоду від прямого доступу до бібліотек основних мов програмування, таких як Rust, Go та Python на рівні Layer 1
• Користувачі відчують приблизно в 100 разів нижчі витрати на генерацію доказів, що потенційно дозволить Gigagas L1 досягти пропускної здатності (~10,000 TPS)

Розуміння технічних чинників, що стоять за змінами

Проблема накладних витрат перекладача

Поточна реалізація zkEVM не доводить безпосередньо операції EVM. Натомість вони доводять інтерпретатор EVM, який сам компілюється в код RISC-V. Як підкреслив Віталік Бутерін:

"Якщо реалізація zkVM полягає в компіляції виконання EVM у те, що врешті-решт стає кодом RISC-V, чому б не надати безпосередній доступ до основного RISC-V розробникам смарт-контрактів? Це може повністю усунути накладні витрати всього зовнішнього віртуального машини."

Цей додатковий шар інтерпретації накладає серйозний штраф на продуктивність, з оцінками, які свідчать про сповільнення в 50-800 разів у порівнянні з рідним генерацією доказів.

Накопичення технічного боргу

Ethereum накопив значний технічний борг через використання попередньо скомпільованих контрактів - спеціалізованих функцій, закодованих у протоколі для подолання обмежень продуктивності EVM у криптографічних операціях. За словами Віталіка:

"Прекомпільовані контракти є катастрофічними для нас... вони значно роздули довірену кодову базу Ethereum... і вони призвели до серйозних проблем, які майже призвели до збоїв у консенсусі кілька разів."

Складність вражає, при цьому обгортковий код для одного попередньо скомпільованого контракту перевищує складність цілого інтерпретатора RISC-V.

Архітектурні неефективності

Архітектура EVM на 256 біт, хоча була обрана для обробки криптографічних значень, виявляється надзвичайно неефективною для типових операцій смарт-контрактів, які використовують 32-бітні або 64-бітні цілі числа. Ця неефективність стає особливо витратною в системах нульового знання.

Більше того, стекова архітектура EVM менш ефективна, ніж архітектура на основі регістрів, що використовується в RISC-V та сучасних процесорах, вимагаючи більше інструкцій для тих самих операцій і ускладнюючи оптимізації компілятора.

Переваги RISC-V: Створення більш перевіряємого Ethereum

Відкриті стандарти проти індивідуальних дизайнів

На відміну від архітектур набору інструкцій, що потребують абсолютно нової програмної екосистеми, RISC-V є зрілим відкритим стандартом, що пропонує три ключові переваги:

• Зрілість екосистеми: Використання десятиліть колективного прогресу в комп'ютерних науках з доступом до інструментів світового класу та підтримкою всіх мов високого рівня, сумісних з LLVM
• Простота дизайну: Менша, більш перевіряємa кодова база, яку легше формально перевірити
• Стандартизація в індустрії: Дев'ять з десяти zkVM, здатних підтверджувати блоки Ethereum, обрали RISC-V як свою цільову архітектуру

Розроблено для довіри та верифікації

Архітектура RISC-V особливо підходить для створення безпечних, перевіряємих систем:

• Формалізована, машинозчитувана специфікація SAIL, що забезпечує "золотий стандарт" для доказів математичної коректності
• Привілейована архітектура, що визначає різні операційні рівні з апаратно забезпеченими межами безпеки

Стратегії пом'якшення ризиків

Перехід на RISC-V вводить кілька викликів, які потрібно вирішити:

• Складність вимірювання газу: Створення детермінованої та справедливої моделі газу для загального призначення наборів інструкцій
• Розгляди безпеки інструментального ланцюга: Управління переходом до залежності від компілятора поза ланцюгом, що може ввести вразливості

Ці виклики будуть вирішені через:

1. Поетапне впровадження з широким тестуванням на кожному етапі
2. Всеосяжні аудити безпеки основних компонентів
3. Зусилля щодо стандартизації критичних елементів, таких як облік газу

У напрямку до верифікованого обчислювального майбутнього

Ця архітектурна трансформація має на меті вирішення основних вузьких місць масштабованості, зменшення складності протоколу та узгодження Ethereum з принципами загального призначення обчислень. Вона перетворить Layer 1 Ethereum з спеціалізованої платформи для смарт-контрактів на ефективний, безпечний шар розрахунків, спеціально призначений для перевіряємого обчислення.

Як підкреслив Віталік Бутерін, "Кінцева мета - забезпечити ZK-snark для всього" - бачення, яке перехід на RISC-V робить значно досяжнішим.