理想中的区块链虚拟机是怎样的

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。

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。成员可以参与制定并使用 RISC-V 指令集规范，并且参与相关软、硬件生态系统的发展。

由于精简、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。除此之外，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 是一个非常年轻的指令集，那么在此之前，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）不同，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。而且，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。

智能手机普及之后，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，但是，因为要保持向后兼容性，ARM 需要保留许多过时的定义，导致指令集冗余严重，这使得 ARM 架构文档的复杂度越来越高。

在 x86 和 ARM 垄断的当下，RISC-V 为市场带来了新的生机：

· 精简

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

这是因为 RISC-V 只将那些最常使用的指令集挑选出来，然后为其进行专门优化，至于不常用的指令，则可以用几个基础指令组合的方式完成，这样就可以大大提高效率。

举个例子，如果我们用的是 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 是一家可以单买的超市，顾客们只需要挑选自己所需的物品，并为此付费即可。

· 开源

ARM 和 x86 都是闭源项目，且授权条款极其苛刻：英特尔不允许除 AMD 和 VIA 之外的任何一家公司使用 x86 指令集；想要获得 ARM 指令集的授权可能需要花费上千万美元的授权费，并且会受到而且授权到期后，需要重新谈判授权事宜。

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 的初衷就是希望 「Instruction Sets Want to be Free」，全世界任何公司、大学、研究机构与个人都可以开发兼容 RISC-V 指令集的处理器，都可以融入到基于 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 开源协议允许使用者修改和重新发布开源代码，也允许基于开源代码开发商业软件发布和销售。

当区块链遇见 RISC-V

RISC-V 在很多科技领域都得到了运用，目前，也开始在区块链领域逐渐的得以发展。作为仅在 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，因为它在区块链项目上打造的是虚拟机，而非处理器硬件。

我们不确定这样的尝试能否成功，但是我们有理由相信，基于开源的 RISC-V 打造的虚拟机，可以很好的缩短硬件和软件行业的距离，并且带来更丰富的开发生态。

关于 Nervos

Nervos Network 由 Nervos 基金会推动，通过分层设计，兼顾性能、安全以及去中心化的特性，满足多样化的商业场景需求，为未来加密经济提供基础设施。

关于 CKB

Nervos Common Knowledge Base（CKB）是一个无需许可链，它是 Nervos Network 的基础层，并在设计上提出了一些理念：

· CKB 共识协议 NC-MAX 使用两阶段提交节约带宽，并根据网络情况调整自身参数，提升了 Nakamoto Consensus 的可扩展性

· CKB 虚拟机采用底层 CPU 指令集架构 RISC-V 开发，提供更高的开发弹性与运行的稳定性

· CKB Cell Model 是比特币 UTXO 模型的通用化，能够验证和存储任何类型的数据

· CKB 经济模型用货币政策限制状态存储的增长，并实现智能合约平台的价值存储功能