RISC-V vs EVM：探討 Vitalik Buterin 升級以太坊執行層的計畫

以太坊共同創辦人 Vitalik Buterin 已提出用 RISC-V 架構取代以太坊虛擬機（EVM）的建議。

這項關鍵性變革，標誌自以太坊誕生以來第二大區塊鏈平台所提出的一項最重大的技術演進。

隨著去中心化應用廣泛滲透至金融、供應鏈管理與數位身份驗證等領域，以太坊底層計算基礎設施面臨前所未有的擴展壓力。

本文將深入探討 RISC-V 技術基礎、其對以太坊生態系的潛在影響，以及對區塊鏈技術未來的深遠意義。

認識 RISC-V：開源硬體革命

起源與設計理念

RISC-V 源於 2010 年加州大學柏克萊分校，旨在突破封閉專有指令集架構（ISA）的侷限。和需付授權費且有限制的 ARM、x86 系統不同，RISC-V 以開源精神為核心，呼應區塊鏈的透明與可近性原則。

RISC-V 的技術架構採「精簡指令集」（RISC）原則強調設計簡潔與執行效率，藉由精挑細選的指令集實現目標。這與 x86 架構所採的複雜指令集（CISC）大相逕庭，後者雖功能豐富但犧牲了能源效率。

技術規格與模組化

RISC-V 架構具備高度模組化特色，包括：

基本整數指令集（RV32I/RV64I）：提供基礎運算
標準擴充：如「M」為乘法/除法、「A」為原子操作、「F/D」為浮點運算
自訂擴充：允許針對特定應用面最佳化

此等模組化可高度自訂。例如針對區塊鏈關鍵驗證運算的加密擴充，可大幅加速橢圓曲線運算。根據 RISC-V International 技術規格，自訂擴充對於特殊工作負載可比一般用途實現提升 5-10 倍效能。

市場採用與成長趨勢

RISC-V 採用率快速提升，市場分析預測到 2027 年年複合成長率達 73.6%。Semico Research 預估 2025 年 RISC-V 內核出貨量將達 624 億顆，尤其是在 IoT 與嵌入式系統領域迅速滲透，這些領域亦與區塊鏈應用逐漸重疊。

支援 RISC-V 的硬體生態系亦大幅擴展，RISC-V 基金會成員超過 3,000 家。

包括 Nvidia、Qualcomm、Western Digital 等產業巨頭紛紛投入資源，Western Digital 更規劃每年於其儲存裝置出貨 20 億顆以上 RISC-V 內核。

以太坊虛擬機：現有架構與瓶頸

EVM 的基本設計

EVM 由 Gavin Wood 於 2014 年以太坊黃皮書中提出，是驅動以太坊智慧合約運作的分散式計算引擎。作為堆疊型虛擬機，EVM 使用高階語言（如 Solidity）編譯產生位元組碼，每個操作需要消耗特定數量的「Gas」（以太坊運算計價單位）。

現有 EVM 技術規格包含：

256 位元字長（適合加密運算）
堆疊深度限制 1024 個元素
記憶體模型以 32 字節擴展
Gas 限制執行環境
所有節點一致、確定性執行

效能瓶頸與技術負擔

儘管 EVM 安全性強，其結構卻帶來諸多低效的問題。鏈上交易分析顯示，多達 40% 的 Gas 消耗來自於堆疊資料操作，而非實體運算。例如僅負責堆疊資料排序的 SWAP 與 DUP 操作碼，在一般智慧合約執行時佔 25% 操作次數。

EVM 的直譯執行模式也帶來額外負擔。每個 EVM 操作碼都需轉換為原生機器指令，隨合約複雜度增加而累加延遲。以太坊研究團隊的基準測試顯示，這種直譯模式比原生代碼執行效率低 50-65%。

此一限制對零知識證明（ZKP）系統尤為明顯，ZKP 是以太坊 Layer 2 擴展方案不可或缺基石。針對 EVM 操作的 ZKP 運算龐大，單一複雜交易就需數十億次運算。根據 zkEVM 專案數據，標準 ERC-20 代幣轉帳的 ZK 驗證消耗約 50 萬 Gas，複雜操作則需求更多。

Vitalik Buterin 的 RISC-V 建議：技術剖析

核心架構設計

Buterin 詳細於 Ethereum Magicians 論壇（#23617 貼文）提出將目前堆疊型 EVM 以暫存器為基礎的 RISC-V 執行環境取代，具體做法包括：

直接執行 RISC-V 指令，移除直譯負擔
以暫存器操作取代堆疊操作，提高效率
支援硬體層級加速加密運算
精簡零知識證明產生流程

擬議方案將採用 RISC-V RV32I 整數指令集，加上「M」乘法擴充以及特製加密指令。此配置兼顧運算力與驗證的簡潔性，維持以太坊的安全基石。

基準測試與效能預測

以太坊基金會研究團隊的初步基準顯示，若採 RISC-V 可帶來顯著效能提升：

Gas 效率：常用操作 Gas 成本降 30-40%
證明產生：ZKP 生成加快 50-80%
吞吐量：每秒交易數有望提升 3-4 倍
驗證成本：節點運算負擔降近 60%

特別是零知識運算，RISC-V 表現極為突出。Ingonyama 等公司已展示特製 RISC-V 實現對於橢圓曲線運算效能提升 300%，對各種 rollup 擴容方案大有助益。

整合路線圖與遷移策略

Buterin 深知過渡龐大智慧合約生態系的複雜性，規劃遷移分為：

第一階段：開發 Solidity、Vyper 的 RISC-V 編譯器工具鏈
第二階段：過渡期 EVM 與 RISC-V 雙環境並行
第三階段：為舊合約提供選擇性翻譯層
第四階段：完全原生 RISC-V 執行作為主環境

這種分階段策略確保相容性，同時循序漸進導入新架構。根據以太坊研究人員預估，正式採納到全面實施約需 24-36 個月。

對區塊鏈技術的更廣泛影響

跨鏈標準化與互通性

RISC-V 導入影響不僅限於以太坊。身為開放標準，有望促進不同鏈之間的互操作。目前至少有 74 個區塊鏈自稱「EVM 相容」，如 Polygon、Avalanche、BNB Chain，合計鎖倉超過八百億美元。

若共同採用 RISC-V 可建立全新跨鏈相容基準，減少開發碎片化。用 RISC-V 編譯的智慧合約理論上可於任何實作該標準的鏈上一致執行，大幅降低多鏈應用開發成本。

硬體加速與驗證者經濟

RISC-V 為區塊鏈專用硬體帶來新契機。Tenstorrent、SiFive 等企業已發展 RISC-V 處理器並加入加密加速器，相關運算能源消耗可比傳統硬體減少 70-80%。

對以太坊驗證者而言，這意味營運成本大降。目前估算，以太坊權益證明網路僅耗全球電力 0.01%（約 0.0002 TWh/年），RISC-V 最佳化有望再降低一個數量級，更鞏固以太坊在能源效率上的競爭力，美於比特幣原本高耗能作業。

去中心化影響與公平性

RISC-V 過渡能大幅降低全節點運作的硬體門檻，直接有助於提升去中心化程度。據目前以太坊節點分布分析，65% 節點集中於北美與西歐，地理與資源分布過於集中。

RISC-V 降低運算需求，有望讓更多地區與用戶參與 emerging markets. For instance, low-power RISC-V implementations capable of validating transactions could operate on solar power in regions with unreliable grid infrastructure, potentially expanding Ethereum's validator set to currently underrepresented regions in Africa, Southeast Asia, and Latin America.

市場。例如，低功耗的 RISC-V 實作能夠驗證交易，甚至可以在電網基礎設施不穩定的地區以太陽能運作，有潛力將以太坊的驗證者範圍擴展到目前在非洲、東南亞和拉丁美洲等代表性較低的地區。

Challenges and Implementation Considerations

挑戰與實作考量

Technical Hurdles and Backward Compatibility

技術難題與相容性考量

The transition presents substantial technical challenges:

這項轉換帶來了重大的技術挑戰：

Compiler Optimization: Existing Solidity compilers target EVM bytecode specifically; retargeting to RISC-V requires significant rearchitecting
Gas Repricing: The entire fee structure must be recalibrated to reflect RISC-V's different instruction costs
Security Verification: New formal verification techniques must be developed for RISC-V smart contracts
State Transition: Preserving state validity across architectural changes requires careful protocol design
編譯器最佳化：現有的 Solidity 編譯器是專門針對 EVM 位元碼，若要轉向 RISC-V，必須進行大幅的架構重整
Gas 費重新定價：必須完全重新調整收費結構，以反映 RISC-V 不同的指令成本
安全驗證：需要為 RISC-V 智能合約開發新的形式化驗證技術
狀態轉換：要在架構轉換的同時維持狀態的有效性，需謹慎設計協議流程

These challenges are non-trivial but surmountable. Previous major Ethereum upgrades like the transition from proof-of-work to proof-of-stake demonstrate the community's capacity to implement complex protocol changes while maintaining network security.

這些挑戰雖然不容小覷，但終究是可以克服的。以太坊先前如從工作量證明（Proof-of-Work）轉向權益證明（Proof-of-Stake）等重大升級，也展現出社群在維持網路安全的同時，推動複雜協議變更的能力。

Geopolitical and Supply Chain Considerations

地緣政治與供應鏈考量

RISC-V's open-source nature partially insulates it from geopolitical tensions affecting semiconductor supply chains. However, physical chip production remains concentrated in specific regions, potentially creating new centralization vectors.

RISC-V 開源的特性在一定程度上減輕了地緣政治對半導體供應鏈的影響。然而，實體晶片的生產仍然集中於特定地區，這可能帶來新的中心化風險。

Efforts to diversify chip manufacturing, including the US CHIPS Act ($52.7 billion investment) and EU Chips Act (€43 billion), may alleviate some of these concerns by fostering more geographically distributed production capacity.

目前分散晶片生產的各種努力，包括美國的 CHIPS 法案（投資 527 億美元）與歐盟 Chips Act（430 億歐元），有助於推動產能在地理上更分散，緩解部分供應鏈集中帶來的隱憂。

Hardware Security Implementation Guide

硬體安全實作指南

For optimal security in the evolving crypto landscape:

為因應持續變化的加密貨幣環境，並追求最佳安全性，建議：

Implement Air-Gapped Signing: Use dedicated hardware wallets that never connect directly to the internet
Apply Address Whitelisting: Pre-approve only specific addresses for outgoing transactions
Utilize Time-Locks: Configure transaction delays allowing cancellation if unauthorized
Enable Transaction Simulation: Preview all smart contract interactions before signing
Create Separate Wallets: Maintain distinct wallets for trading, DeFi participation, and long-term storage
實作隔離網路簽章：使用從未直接連上網路的專用硬體錢包
啟用地址白名單：預先核准僅限特定地址的出金交易
使用時間鎖：設定交易延遲，若未經授權可進行取消
啟用交易模擬：簽署前預覽所有智能合約互動內容
切分錢包用途：分開設置用於交易、DeFi 參與與長期儲存的不同錢包

Final thoughts: RISC-V as Ethereum's Evolutionary Catalyst

最後想法：RISC-V 作為以太坊進化的催化劑

The proposed transition from EVM to RISC-V represents more than a technical upgrade - it embodies Ethereum's commitment to continuous innovation and optimization. By embracing open hardware standards that align with blockchain's core values of transparency and accessibility, Ethereum positions itself for sustainable growth amidst increasing adoption.

從 EVM 轉向 RISC-V 的提案，不僅僅是單純的技術升級，更體現了以太坊對持續創新與優化的承諾。藉由擁抱符合區塊鏈「透明」與「開放性」核心價值的硬體標準，以太坊有望在普及率提升下實現可持續的成長。

The performance improvements enabled by RISC-V - from reduced computational overhead to more efficient zero-knowledge proofs - directly address the scalability challenges facing all major blockchain networks. More importantly, this architectural shift lays groundwork for a new generation of blockchain applications requiring greater computational throughput, from real-time decentralized AI markets to high-frequency financial instruments.

RISC-V 帶來的效能提升——包括降低運算負荷、提升零知識證明的效率——直接回應了各大區塊鏈網路在擴展性上的難題。更重要的是，此一架構轉變為新一代需要高度計算吞吐量的區塊鏈應用奠定了基礎，從即時去中心化 AI 市場到高頻金融工具皆可受惠。

As the ecosystem navigates this transition, the interplay between hardware and software optimization will define blockchain's evolution. RISC-V's modular approach mirrors Ethereum's own development philosophy - solving specific problems incrementally while maintaining a coherent overall vision. This architectural alignment suggests that the EVM-to-RISC-V transition, while technically complex, represents a natural evolution rather than a revolutionary disruption.

在這項轉型過程中，硬體與軟體優化之間的搭配，將共同形塑區塊鏈技術的演進。RISC-V 的模組化設計，也呼應了以太坊自身循序漸進、保持一致願景並逐步解決問題的開發哲學。這種架構上的一致性意味著 EVM 轉向 RISC-V，雖屬複雜技術挑戰，卻是一種自然的進化，而非顛覆式革命。

For developers, investors, and users, this transition offers both opportunities and challenges. Those who understand the technical nuances of RISC-V and its implications for smart contract development will be positioned to build the next generation of optimized decentralized applications. Meanwhile, the broader cryptocurrency community benefits from enhanced network performance, reduced fees, and stronger security guarantees.

對於開發者、投資人和用戶而言，這一轉型既帶來機會，也包含挑戰。能掌握 RISC-V 技術細節及其對智能合約開發影響者，將搶佔下一代優化去中心化應用的制高點。同時，整體加密貨幣社群也能享受到網路效能提升、手續費降低及更強安全保障等紅利。

The coming years will reveal whether Buterin's vision of a RISC-V-powered Ethereum materializes as proposed. Regardless, the proposal itself demonstrates the ecosystem's commitment to addressing fundamental technical limitations rather than implementing superficial solutions. In the rapidly evolving landscape of blockchain technology, this focus on architectural soundness may ultimately prove more valuable than short-term optimizations.

未來幾年將見證 Buterin 所描繪、由 RISC-V 驅動的以太坊是否能如預期實現。無論結果如何，這項提案本身已展現出生態系統專注於解決根本技術瓶頸、而非僅求表面改良的決心。在快速變化的區塊鏈科技領域，對架構穩健性的用心，也許最終比短期優化更具長遠價值。