祕猿科技使命是用技術創造信任，爲價值網絡提供基礎設施和服務。爲了實現這個使命，我們三年來堅持初心，步步爲營打造加密經濟網絡。我們想要讓互聯網迴歸到本源，用區塊鏈技術，去構造更美好的社會，因此我們設計了 CKB 底層公鏈。我們自己造輪子，開創性設計了獨一無二的 CKB 模型，以及用 RISC-V 打造的 CKB-VM 虛擬機。本文就將談談 CKB-VM 虛擬機的誕生。
祕猿科技區塊鏈小課堂第 22 期
區塊鏈的出現使得智能合約得到了更好的實現和發展，而區塊鏈和智能合約之間，還存在着一個重要的角色： 虛擬機（Virtual Machine） 。
虛擬機的概念在上個世紀六十年代就被提出來，而到九十年代纔開始流行。當時的網絡跨越了衆多不同的操作系統、瀏覽器，如果開發者想要製作一個應用，就需要去適配所有不同的操作系統。大家知道現在 App 開發就分爲安卓和蘋果系統，而當時局面更加複雜。恰好 Java 程序語言開始流行，Java 構建的虛擬機能夠讓程序只需要寫一次，依託 Java 虛擬機就能夠在多個平臺上運行，所以當時提出的口號就是： 一處編譯、到處運行 。
我們知道比特幣是沒有虛擬機的，因爲比特幣就是把一段數字（也就是「比特幣」）從地址 A 轉移到地址 B，而以太坊則提出，區塊鏈上執行的爲什麼不能是一套代碼，能夠實現更多複雜多樣的東西？這就是我們所說的智能合約平臺，所有節點運行一樣的合約代碼得到完全一樣的結果。
在區塊鏈上，虛擬機就是智能合約的運行環境，是一個可以完全對外隔離的完整計算機體系。區塊鏈通過虛擬機來調用和執行智能合約，並要求所有節點都達成一致。而節點用的是不同的系統，有些機器是 64 位的，有些是 32 位的，傳統的 Java 虛擬機容忍計算結果有少量的差異，但是在區塊鏈上所有結果必須一樣，因此，一個新的、適用於區塊鏈的虛擬機是必不可少的。
理想中的區塊鏈虛擬機
每個區塊鏈項目的虛擬機設計，都會有自身的藝術追求，在追求衆多的特性同時做不同層次上的取捨。在做了大量的研究之後，我們認爲理想中的區塊鏈虛擬機應該是這樣的：
- 運行時有足夠的 確定性 ，在調用同樣的智能合約輸入時，應該返回相同的輸出結果，輸出結果不依賴於時間、運行環境等外部的條件；
- 運行時有足夠的 安全性 ，虛擬機的執行不會對平臺本身帶來負面影響；
- 對更新足夠的 靈活 ，讓區塊鏈不用通過硬分叉，就可以實現加密算法的升級或新增（回想一下以太坊硬分叉升級的痛苦）；
- 信息足夠的透明，可以讓虛擬機上運行的智能合約充分發揮虛擬機的潛力；
- 費用機制足夠的 合理 ，能夠確保虛擬機運行時資源消耗的計算方式更加合理準確；
- 可以 支持不同的語言編譯 ，讓開發者能夠自由地開發，將最新的科技運用其中。
在設計 Nervos CKB 虛擬機之前，我們發現很多區塊鏈項目都不是用真實的 CPU 指令集來構造自己的虛擬機的，他們更多的是選擇了 WASM 來構造自己的虛擬機。
而我們更傾向於採用真實的 CPU 指令集來構造自己的虛擬機，因爲在任何精巧複雜的虛擬機的最底層，都需要將操作轉變爲原始的彙編指令來執行對 CPU 的操作。另外，採用真實 CPU 指令集就不會在設計層面引入一些語義約束，束縛虛擬機的靈活性。
做一個不恰當的比喻，操作 CPU 需要有一套語言體系，使用真實的 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，再轉換爲英文，不論多完美的翻譯水平，都會有一定的偏差和束縛。
通過真實的 CPU 指令集，虛擬機可以根據需要增加任意類型的數據結構或算法，可以最大限度的讓開發者寫出任何滿足要求的合約。於是我們決定大膽的嘗試使用真實的 CPU 指令集來構造自己的虛擬機 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，到高性能數據中心（DC）處理器的實現要求，並且有着透明性、精簡性、模塊化、支持的廣泛性和成熟性的特點。這些特性都和 CKB-VM 的設計需求完美契合。那麼 RISC-V 又是什麼呢？
RISC-V
RISC-V 是一個清晰、簡約、開源的 CPU 指令集架構，誕生於美國加州大學伯克利分校。
2010 年，由於其他商業閉源指令集的侷限性，該校的一個研究團隊在啓動一個新項目時，從零開始設計了一套全新的開源指令集。這套全新的指令集有着大量的寄存器和透明的指令執行速度，能夠幫助編譯器和彙編語言程序員將實際的重要問題轉換爲適當、高效的代碼，並且只包含了不到 50 條指令 。這套指令集就是 RISC-V。
架構師們在設計 RISC-V 時，就是希望 RISC-V 在所有的計算設備上都能夠有效工作。自 2010 年被髮明以來，RISC-V 簡潔的設計贏得了業界和學界的廣泛支持，並且獲得了社區的喜愛。
RISC-V 基金會
RISC-V 指令集的發展主要由 RISC-V 基金會以及社區推動。RISC-V 基金會創立於 2015 年，是一家非營利組織，也是首個開放、協作的軟硬件創新者社區。
RISC-V 基金會目前已經有超過 235 家成員，包括谷歌、高通、蘋果、IBM、特斯拉、華爲等企業。成員可以參與制定並使用 RISC-V 指令集規範，並且參與相關軟、硬件生態系統的發展。
由於精簡、開源的設計，RISC-V 在一些學術機構中大受歡迎，如加州大學伯克利分校、麻省理工學院、普林斯頓大學、中科院計算所等。除此之外，一些政府機構，如印度政府、上海市經濟信息委等，也大力支持基於 RISC-V 的項目開發。
現有的指令集
RISC-V 是一個非常年輕的指令集，那麼在此之前，主要的指令集都有哪些呢？
在 PC 時代，x86 是不可動搖的霸主，x86 是 CISC（Complex Instruction Set Computer，複雜指令集），和 RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集）不同，CISC 指令集會隨着發展不斷增多。這樣會使得成本不斷上升，性能和功耗也會受到影響。而且，CISC 指令集長度、執行時間都不固定，很難找出一條高效率的通用設計道路來完成指令的執行。
智能手機普及之後，ARM 成了移動端的寵兒。ARM 是精簡指令集（RISC）有着低功耗和低成本的特性，但是，因爲要保持向後兼容性，ARM 需要保留許多過時的定義，導致指令集冗餘嚴重，這使得 ARM 架構文檔的複雜度越來越高。
在 x86 和 ARM 壟斷的當下，RISC-V 爲市場帶來了新的生機：
精簡
經過幾十年的發展，x86 與 ARM 的架構文檔已經長達數千頁，幾乎需要花掉一個工程師近一個月的閱讀時間，而閱讀 RISC-V 文檔只需要花費 1-2 天的時間。
這是因爲 RISC-V 只將那些最常使用的指令集挑選出來，然後爲其進行專門優化，至於不常用的指令，則可以用幾個基礎指令組合的方式完成，這樣就可以大大提高效率。
舉個例子，如果我們用的是 x86，那麼就必須買下一整個超市，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，併爲此付費即可。
開源
ARM 和 x86 都是閉源項目，且授權條款極其苛刻：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 指令集的授權可能需要花費上千萬美元的授權費，並且會受到而且授權到期後，需要重新談判授權事宜。
RISC-V 是一個真正意義上的開源項目，被稱爲硬件領域的 Linux。事實上，發明 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、研究機構與個人都可以開發兼容 RISC-V 指令集的處理器，都可以融入到基於 RISC-V 構建的軟硬件生態系統。
RISC-V 使用的是 BSD License 開源協議，BSD 開源協議允許使用者修改和重新發布開源代碼，也允許基於開源代碼開發商業軟件發佈和銷售。
當區塊鏈遇見 RISC-V
RISC-V 在很多科技領域都得到了運用，目前，也開始在區塊鏈領域逐漸的得以發展。作爲僅在 CPU 上驗證過的指令集架構， 將 RISC-V 應用在區塊鏈領域的確是一個大膽的嘗試 ，因爲它在區塊鏈項目上打造的是虛擬機，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， 基於開源的 RISC-V 打造的虛擬機，可以很好的縮短硬件和軟件行業的距離，並且帶來更豐富的開發生態。