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

虛擬機(jī)的概念在上個(gè)世紀(jì)六十年代就被提出來，而到九十年代才開始流行。當(dāng)時(shí)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(gè)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(shí)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(jī)能夠讓程序只需要寫一次，依托 Java 虛擬機(jī)就能夠在多個(gè)平臺(tái)上運(yùn)行，所以當(dāng)時(shí)提出的口號(hào)就是：一處編譯、到處運(yùn)行。

我們知道比特幣是沒有虛擬機(jī)的，因?yàn)楸忍貛啪褪前岩欢螖?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(tái)，所有節(jié)點(diǎn)運(yùn)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(jī)就是智能合約的運(yùn)行環(huán)境，是一個(gè)可以完全對(duì)外隔離的完整計(jì)算機(jī)體系。區(qū)塊鏈通過虛擬機(jī)來調(diào)用和執(zhí)行智能合約，并要求所有節(jié)點(diǎn)都達(dá)成一致。而節(jié)點(diǎn)用的是不同的系統(tǒng)，有些機(jī)器是 64 位的，有些是 32 位的，傳統(tǒng)的 Java 虛擬機(jī)容忍計(jì)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(gè)新的、適用于區(qū)塊鏈的虛擬機(jī)是必不可少的。

理想中的區(qū)塊鏈虛擬機(jī)

每個(gè)區(qū)塊鏈項(xiàng)目的虛擬機(jī)設(shè)計(jì)，都會(huì)有自身的藝術(shù)追求，在追求眾多的特性同時(shí)做不同層次上的取舍。在做了大量的研究之后，我們認(rèn)為理想中的區(qū)塊鏈虛擬機(jī)應(yīng)該是這樣的：

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

· 運(yùn)行時(shí)有足夠的安全性，虛擬機(jī)的執(zhí)行不會(huì)對(duì)平臺(tái)本身帶來負(fù)面影響；

· 對(duì)更新足夠的靈活，讓區(qū)塊鏈不用通過硬分叉，就可以實(shí)現(xiàn)加密算法的升級(jí)或新增（回想一下以太坊硬分叉升級(jí)的痛苦）；

· 信息足夠的透明，可以讓虛擬機(jī)上運(yùn)行的智能合約充分發(fā)揮虛擬機(jī)的潛力；

· 費(fèi)用機(jī)制足夠的合理，能夠確保虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)資源消耗的計(jì)算方式更加合理準(zhǔn)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(yùn)用其中。

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

而我們更傾向于采用真實(shí)的 CPU 指令集來構(gòu)造自己的虛擬機(jī)，因?yàn)樵谌魏尉蓮?fù)雜的虛擬機(jī)的最底層，都需要將操作轉(zhuǎn)變?yōu)樵嫉?a target="_blank">匯編指令來執(zhí)行對(duì) CPU 的操作。另外，采用真實(shí) CPU 指令集就不會(huì)在設(shè)計(jì)層面引入一些語義約束，束縛虛擬機(jī)的靈活性。

做一個(gè)不恰當(dāng)?shù)谋扔鳎僮?CPU 需要有一套語言體系，使用真實(shí)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(huì)有一定的偏差和束縛。

通過真實(shí)的 CPU 指令集，虛擬機(jī)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(shí)的 CPU 指令集來構(gòu)造自己的虛擬機(jī) 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(shí)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(diǎn)。這些特性都和 CKB-VM 的設(shè)計(jì)需求完美契合。那么 RISC-V 又是什么呢？

RISC-V

RISC-V 是一個(gè)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(gè)研究團(tuán)隊(duì)在啟動(dòng)一個(gè)新項(xiàng)目時(shí)，從零開始設(shè)計(jì)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(shí)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(jì) RISC-V 時(shí)，就是希望 RISC-V 在所有的計(jì)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(jì)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 基金會(huì)

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

RISC-V 基金會(huì)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(jì)，RISC-V 在一些學(xué)術(shù)機(jī)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(jì)算所等。除此之外，一些政府機(jī)構(gòu)，如印度政府、上海市經(jīng)濟(jì)信息委等，也大力支持基于 RISC-V 的項(xiàng)目開發(fā)。

現(xiàn)有的指令集

RISC-V 是一個(gè)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(shí)代，x86 是不可動(dòng)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(huì)隨著發(fā)展不斷增多。這樣會(huì)使得成本不斷上升，性能和功耗也會(huì)受到影響。而且，CISC 指令集長度、執(zhí)行時(shí)間都不固定，很難找出一條高效率的通用設(shè)計(jì)道路來完成指令的執(zhí)行。

智能手機(jī)普及之后，ARM 成了移動(dòng)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?yàn)橐３窒蚝蠹嫒菪?，ARM 需要保留許多過時(shí)的定義，導(dǎo)致指令集冗余嚴(yán)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(jī)：

· 精簡

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

這是因?yàn)?RISC-V 只將那些最常使用的指令集挑選出來，然后為其進(jìn)行專門優(yōu)化，至于不常用的指令，則可以用幾個(gè)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(gè)例子，如果我們用的是 x86，那么就必須買下一整個(gè)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(fèi)即可。

· 開源

ARM 和 x86 都是閉源項(xiàng)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(fèi)上千萬美元的授權(quán)費(fèi)，并且會(huì)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(gè)真正意義上的開源項(xiàng)目，被稱為硬件領(lǐng)域的 Linux。事實(shí)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(jī)構(gòu)與個(gè)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(yùn)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(yàn)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(gè)大膽的嘗試，因?yàn)樗趨^(qū)塊鏈項(xiàng)目上打造的是虛擬機(jī)，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(jī)，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)。

關(guān)于 Nervos

Nervos Network 由 Nervos 基金會(huì)推動(dòng)，通過分層設(shè)計(jì)，兼顧性能、安全以及去中心化的特性，滿足多樣化的商業(yè)場景需求，為未來加密經(jīng)濟(jì)提供基礎(chǔ)設(shè)施。

關(guān)于 CKB

Nervos Common Knowledge Base（CKB）是一個(gè)無需許可鏈，它是 Nervos Network 的基礎(chǔ)層，并在設(shè)計(jì)上提出了一些理念：

· CKB 共識(shí)協(xié)議 NC-MAX 使用兩階段提交節(jié)約帶寬，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況調(diào)整自身參數(shù)，提升了 Nakamoto Consensus 的可擴(kuò)展性

· CKB 虛擬機(jī)采用底層 CPU 指令集架構(gòu) RISC-V 開發(fā)，提供更高的開發(fā)彈性與運(yùn)行的穩(wěn)定性

· CKB Cell Model 是比特幣 UTXO 模型的通用化，能夠驗(yàn)證和存儲(chǔ)任何類型的數(shù)據(jù)

· CKB 經(jīng)濟(jì)模型用貨幣政策限制狀態(tài)存儲(chǔ)的增長，并實(shí)現(xiàn)智能合約平臺(tái)的價(jià)值存儲(chǔ)功能