Ngã tư kiến trúc của Ethereum: Tại sao RISC-V đại diện cho tương lai của tính toán có thể xác minh

Hệ sinh thái Ethereum đang đứng trước một điểm ngoặt quan trọng. Những gì bắt đầu như một nền tảng hợp đồng thông minh cách mạng đã tích tụ nhiều lớp phức tạp kỹ thuật, nay đe dọa đến tham vọng mở rộng quy mô của nó. Trung tâm của thách thức này là Ethereum Virtual Machine—the lớp thực thi nền tảng đã thúc đẩy thành công của nền tảng này nhưng ngày càng trở thành yếu tố hạn chế trong thời đại xác minh không kiến thức (zero-knowledge proofs) và xác minh hiệu suất cao.

Khủng hoảng Hiệu suất: Khi EVM Gặp Zero-Knowledge Proofs

Nguồn gốc của thách thức mở rộng quy mô của Ethereum không phải là bí ẩn. Khi mạng chuyển sang hệ thống xác minh dựa trên zero-knowledge proof, một sự không hiệu quả cơ bản đã xuất hiện trong cách EVM tương tác với ZK proofs. Các triển khai zkEVM hiện tại không trực tiếp chứng minh chính máy ảo (virtual machine). Thay vào đó, chúng chứng minh người giải thích của EVM, sau đó được biên dịch thành mã byte RISC-V. Sự gián đoạn kiến trúc này tạo ra một khoản phí hiệu suất lớn—ước tính cho thấy overhead gấp 50 đến 800 lần chậm hơn so với thực thi chương trình gốc.

Vấn đề càng trở nên trầm trọng hơn khi xem xét kinh tế mạng. Ngay cả với các thuật toán băm tối ưu như Poseidon, việc tạo chứng cứ cho việc thực thi khối vẫn tiêu tốn 80-90% tổng thời gian chứng minh. Vitalik Buterin đã diễn đạt trực tiếp vấn đề này: nếu kiến trúc nền tảng đã được biên dịch sang RISC-V, tại sao lại duy trì lớp EVM diễn giải? Câu trả lời rất đơn giản—loại bỏ nó đi.

Ngoài chi phí diễn giải, nền tảng kỹ thuật của EVM còn tiết lộ những giới hạn sâu hơn. Thiết kế ngăn xếp 256-bit được tối ưu hóa cho các phép toán mã hóa trong một thời kỳ tính toán trước đó. Các hợp đồng thông minh hiện đại thường làm việc với số nguyên 32-bit hoặc 64-bit, nhưng EVM buộc tất cả giá trị phải qua kiến trúc 256-bit của nó. Trong các hệ thống không kiến thức, sự không hiệu quả này trở nên đặc biệt đắt đỏ—các số nhỏ tiêu thụ nhiều hơn tài nguyên trong việc tạo chứng cứ, chứ không phải ít hơn, trong khi độ phức tạp tính toán tăng gấp hai đến bốn lần.

Vấn đề Nợ: Các Module Đã Biên Dịch Như Vật Dễ Chịu

Để bù đắp cho giới hạn hiệu suất của EVM trong các phép toán mã hóa cụ thể, Ethereum đã giới thiệu các hợp đồng đã biên dịch sẵn—các hàm cứng được nhúng trực tiếp vào giao thức. Trong ngắn hạn, cách tiếp cận này mang tính thực dụng, nhưng đã tạo ra một khoản nợ kỹ thuật mà Vitalik Buterin mô tả là “thảm khốc.”

Phạm vi của vấn đề này thật đáng kinh ngạc. Mã wrapper cho một hợp đồng đã biên dịch sẵn (như modexp) vượt quá toàn bộ mã nguồn của một trình thông dịch RISC-V đầy đủ. Thêm các hàm đã biên dịch mới đòi hỏi quản trị hard fork gây tranh cãi, hạn chế nghiêm trọng khả năng đổi mới của giao thức khi các ứng dụng cần các nguyên thủy mã hóa mới. Diện tích bề mặt an ninh đã mở rộng một cách nguy hiểm, với độ phức tạp của giao thức tăng đều đặn. Như Buterin kết luận: “Chúng ta nên ngừng thêm các hợp đồng đã biên dịch mới bắt đầu từ hôm nay.”

Giải pháp RISC-V: Tại sao Chuẩn Mở vượt Trội Hơn Kiến Trúc Tùy Chỉnh

RISC-V không phải là một sản phẩm mà là một kiến trúc bộ lệnh mã nguồn mở—một bản thiết kế tự do để xây dựng bộ xử lý. Triết lý thiết kế của nó phản ánh những bài học rút ra từ hàng thập kỷ phát triển kiến trúc máy tính, khiến nó đặc biệt phù hợp cho giai đoạn tiếp theo của Ethereum.

Tối giản Kiến trúc

Bộ lệnh cơ bản của RISC-V gồm khoảng 47 lệnh. Sự tối giản cực đoan này là có chủ đích, không phải hạn chế. Một mã nguồn đáng tin cậy nhỏ hơn sẽ dễ dàng hơn để kiểm tra và xác minh chính thức—nhu cầu then chốt cho các giao thức bảo vệ hàng tỷ giá trị người dùng. Các phép toán phức tạp được thêm qua các phần mở rộng tùy chọn, giữ cho sự đơn giản cốt lõi mà không gây ra sự thổi phồng không cần thiết của giao thức.

Tận dụng Hệ sinh thái qua LLVM

Bằng cách áp dụng RISC-V, Ethereum có thể tiếp cận hàng thập kỷ phát triển hạ tầng trình biên dịch qua LLVM (Low-Level Virtual Machine). Quyết định này cung cấp hỗ trợ gốc cho Rust, Go, C++, Python và hàng chục ngôn ngữ khác. Các nhà phát triển trên toàn thế giới đã thành thạo các công cụ này. Thay vì xây dựng một hệ sinh thái phần mềm mới từ đầu, Ethereum có thể thừa hưởng một hạ tầng đã trưởng thành, đã được thử nghiệm chiến trường, hỗ trợ hàng triệu nhà phát triển.

Lợi ích thực tế không thể bị xem nhẹ. Việc tạo các bộ công cụ trình biên dịch là cực kỳ khó khăn; tận dụng các bộ đã có sẽ nhân đôi hiệu quả phát triển. Thông qua việc áp dụng RISC-V, Ethereum về cơ bản có được quyền truy cập miễn phí vào hạ tầng trình biên dịch đẳng cấp thế giới, vốn sẽ rất đắt đỏ để xây dựng độc lập.

Thị trường zkVM đã Quyết Định Ngay Từ Đầu

Tín hiệu từ hệ sinh thái chứng minh không kiến thức là rõ ràng. Trong số mười backend zkVM có khả năng chứng minh các khối Ethereum, chín đã chọn RISC-V làm kiến trúc mục tiêu của họ. Sự hội tụ này thể hiện sự xác nhận thực tiễn chứ không phải là giả thuyết lý thuyết. Các dự án xây dựng tương lai ZK đã tự mình kết luận rằng RISC-V là lựa chọn tối ưu cho tính toán có thể xác minh. Việc Ethereum áp dụng phù hợp với xu hướng thị trường chứ không tạo ra nó.

Xác minh Chính thức qua Đặc tả SAIL

Thông số kỹ thuật của EVM chủ yếu tồn tại dưới dạng ngôn ngữ tự nhiên trong Yellow Paper—mơ hồ về mặt nội tại và khó để chính thức hóa toán học. Ngược lại, RISC-V bao gồm một đặc tả SAIL có thể đọc máy, cung cấp một “tiêu chuẩn vàng” cho xác minh chính thức.

Sự khác biệt này rất quan trọng. Xác minh chính thức cho phép các chứng minh toán học về độ chính xác của hệ thống—chuyển đổi niềm tin từ các triển khai con người dễ mắc lỗi sang các đảm bảo dựa trên cryptographic có thể xác minh. Các nhà nghiên cứu của Quỹ Ethereum đã bắt đầu làm việc để trích xuất các mạch zkVM RISC-V để xác minh chính thức so với đặc tả chính thức trong trình xác minh chứng minh Lean. Đây là một bước ngoặt: chuyển từ an ninh dựa trên triển khai sang an ninh dựa trên đặc tả.

Ba Giai Đoạn Di Chuyển: Tiến hóa, Không Cách mạng

Nhận thức được rủi ro của sự biến đổi kiến trúc, lãnh đạo Ethereum đã đề xuất một phương pháp cẩn trọng, nhiều giai đoạn, ưu tiên khả năng tương thích ngược và ổn định vận hành.

Giai đoạn Một: Giới thiệu zkVM hạn chế

Ban đầu, chức năng RISC-V sẽ được giới thiệu qua các lựa chọn đã biên dịch sẵn—thay thế các hợp đồng đã biên dịch cũ của EVM bằng các hàm tương đương được thực thi dưới dạng các chương trình RISC-V được whitelist. Điều này cho phép thử nghiệm thực tế trên mainnet trong môi trường kiểm soát, ít rủi ro. Máy ảo mới sẽ chứng minh giá trị của nó qua xác thực thực tiễn trước khi triển khai rộng rãi hơn.

Giai đoạn Hai: Song song hai Máy ảo

Khi tự tin hơn, các hợp đồng thông minh có thể chỉ định rõ ràng mục tiêu là EVM hoặc RISC-V qua các thẻ hợp đồng. Đổi mới then chốt là khả năng tương tác liền mạch—các hợp đồng EVM và RISC-V gọi nhau qua các lệnh hệ thống chuẩn (ECALL). Điều này tạo ra một môi trường thực thi thống nhất, nơi cả hai kiến trúc hợp tác trong cùng một giao thức.

Giai đoạn Ba: EVM như Đặc tả Chính thức

Điểm cuối cùng là xem EVM như một hợp đồng thông minh đã được xác minh chính thức, thực thi trên RISC-V L1 gốc. Các ứng dụng cũ sẽ nhận được hỗ trợ vĩnh viễn qua việc triển khai, trong khi các nhà phát triển giao thức duy trì một động cơ thực thi duy nhất. Độ phức tạp sẽ giảm đi rõ rệt; gánh nặng bảo trì giảm đáng kể.

Tái Cấu Trúc Hệ sinh thái Triệt để: Người chiến thắng và Người thua trong Kiến trúc Mới

Chuyển đổi kiến trúc này sẽ định hình lại các mô hình kinh tế Layer 2 và các ưu đãi dành cho nhà phát triển trong toàn bộ hệ sinh thái Ethereum.

Các dự án Optimistic Rollups đối mặt thách thức sinh tồn

Các dự án như Arbitrum và Optimism xây dựng mô hình bảo mật dựa trên các cơ chế chứng minh gian lận hoạt động bằng cách thực thi lại các giao dịch tranh chấp qua EVM L1. Khi EVM biến mất, nền tảng bảo mật của họ sụp đổ. Các dự án này phải đưa ra các lựa chọn khắc nghiệt: thực hiện các nỗ lực kỹ thuật lớn để thiết kế lại hệ thống chứng minh gian lận cho RISC-V, hoặc hoàn toàn tách rời khỏi các đảm bảo an toàn của Ethereum. Quá trình chuyển đổi này có khả năng thúc đẩy nhanh xu hướng dựa trên zero-knowledge.

Các Rollup không kiến thức (ZK Rollups) sẽ có lợi thế chiến lược

Ngược lại, phần lớn các dự án đã chuẩn hóa trên RISC-V nội bộ. Khi L1 “nói cùng một ngôn ngữ,” hiệu quả tích hợp tăng vọt. Tầm nhìn của Justin Drake về “native Rollups” mô tả các L2 như các phiên bản chuyên biệt của môi trường thực thi L1—đạt được thanh toán liền mạch mà không cần lớp dịch.

Lợi ích thực tiễn rất rõ ràng:

• Hợp nhất trình biên dịch: Các công cụ phát triển cho RISC-V của L1 ngay lập tức phục vụ các nhà xây dựng L2
• Đồng bộ mô hình gas: L1 và L2 xác minh bằng cùng một tập lệnh, tạo ra giá cả kinh tế hợp lý hơn
• Tái sử dụng mã: Công cụ gỡ lỗi, xác minh chính thức và tối ưu hóa trở nên phổ biến hơn

Chuyển đổi Trải nghiệm Nhà phát triển và Người dùng

Đối với nhà phát triển, sự thay đổi này mang lại tự do khỏi các giới hạn của EVM mà không cần từ bỏ hệ sinh thái. Các ngôn ngữ lập trình phổ biến đột nhiên trở thành công cụ phát triển trên chuỗi khả thi. Các nhà phát triển có thể viết hợp đồng bằng Rust trong khi vẫn quen thuộc với các framework tiêu chuẩn của hệ sinh thái. Như Buterin đã gợi ý, “Solidity và Vyper sẽ vẫn phổ biến trong một thời gian dài do thiết kế tinh tế của chúng cho logic hợp đồng thông minh,” nhưng chúng trở thành các lựa chọn thực thi chứ không phải bắt buộc.

Điều này tương tự như cách Node.js đã cho phép các nhà phát triển viết JavaScript cho cả mã phía khách hàng và phía máy chủ. Cùng một nhà phát triển giờ đây có thể viết bằng các ngôn ngữ giống nhau cho tính toán ngoài chuỗi và trong chuỗi, đơn giản hóa đáng kể quy trình phát triển.

Đối với người dùng, các tác động còn mang tính cách mạng hơn. Chi phí chứng minh dự kiến giảm khoảng 100 lần—chuyển đổi chi phí giao dịch hiện tại từ vài đô la xuống còn vài xu hoặc ít hơn. Tính khả thi kinh tế này mở ra tầm nhìn “Gigagas L1,” hướng tới khoảng 10.000 giao dịch mỗi giây. Các ứng dụng phức tạp, giá trị cao trên chuỗi sẽ trở nên khả thi về mặt kinh tế.

Succinct Labs và SP1: Bằng Chứng Rằng Chuyển Đổi Thành Công

Chuyến chuyển đổi của Ethereum từ đề xuất lý thuyết sang thực tế đã tăng tốc nhờ các nhóm như Succinct Labs, với triển khai zkVM SP1 của họ cho thấy rằng xác minh dựa trên RISC-V không chỉ khả thi mà còn hiệu quả về mặt vận hành.

SP1 theo đuổi kiến trúc “tập trung vào precompile” nhằm giải quyết trực tiếp các nút thắt cryptographic cản trở khả năng mở rộng của EVM. Thay vì dựa vào các hàm đã biên dịch chậm, SP1 chuyển các phép toán nặng như băm Keccak sang các mạch zk đặc biệt gọi qua các lệnh ECALL tiêu chuẩn. Phương pháp lai này kết hợp hiệu suất phần cứng tùy chỉnh với tính linh hoạt của phần mềm.

Ảnh hưởng thực tế đã rõ ràng ngay lập tức. Sản phẩm OP Succinct của Succinct đã thêm khả năng chứng minh không kiến thức vào các stack Rollup Optimistic. Kết quả: thời gian rút tiền cuối cùng giảm từ bảy ngày xuống còn khoảng một giờ. Đột phá này giải quyết các điểm đau chính trong hệ sinh thái Optimistic đồng thời chứng minh cách kiến trúc RISC-V cho phép cải thiện chất lượng trải nghiệm người dùng.

Ngoài các dự án riêng lẻ, Mạng chứng minh của Succinct thể hiện một mô hình kinh tế khả thi cho việc tạo chứng minh phân quyền—thiết lập các mẫu thực tiễn cho tương lai tính toán có thể xác minh rộng hơn.

Chuyển đổi mang theo Rủi ro Thực sự

Dù RISC-V có lợi thế kiến trúc, quá trình chuyển đổi này cũng mang lại những thách thức mới đòi hỏi các chiến lược giảm thiểu nghiêm ngặt.

Phức tạp trong Đo lường Gas

Việc tạo ra các mô hình gas xác định, công bằng cho các tập lệnh đa dụng vẫn còn phần lớn chưa được giải quyết. Đếm lệnh đơn giản dễ bị tấn công từ chối dịch vụ. Kẻ tấn công có thể tạo ra các chương trình gây ra nhiều lần cache miss, tiêu tốn tài nguyên lớn trong khi giảm thiểu chi phí gas. Mối đe dọa này đặt ra những thách thức nghiêm trọng đối với sự ổn định của mạng và mô hình kinh tế.

Bảo mật của Trình biên dịch và Bộ công cụ

Một rủi ro tinh vi nhưng rất quan trọng là: các phụ thuộc về bảo mật chuyển từ máy ảo trên chuỗi sang các trình biên dịch ngoài chuỗi như LLVM. Các công cụ này cực kỳ phức tạp và chứa các lỗ hổng đã biết. Các kẻ tấn công tinh vi có thể khai thác lỗi trong trình biên dịch để biến mã nguồn vô hại thành mã độc hại. Vấn đề “xây dựng có thể tái tạo” (reproducible build) càng làm phức tạp thách thức này—những biến đổi nhỏ trong môi trường tạo ra các binary khác nhau, đe dọa tính minh bạch và các đảm bảo về niềm tin.

Phân mảnh Hệ sinh thái

Nếu không có tiêu chuẩn chung, các cấu hình RISC-V khác nhau có thể phát triển rộng rãi trong các dự án, làm phân mảnh hệ sinh thái và làm giảm nhiều lợi thế của RISC-V. Sự phối hợp quanh một cấu hình tiêu chuẩn duy nhất (chẳng hạn RV64GC với ABI tương thích Linux) là điều cần thiết.

Giảm thiểu Rủi ro qua Các lớp: Xác minh Chính thức, Kiểm thử Nghiêm Ngặt và Tiêu Chuẩn Hóa

Giải quyết các rủi ro này đòi hỏi các chiến lược phòng thủ đa lớp.

Chính quá trình triển khai theo giai đoạn đã là một cơ chế giảm thiểu rủi ro—triển khai ban đầu trong các kịch bản precompile ít rủi ro giúp xây dựng sự tự tin vận hành trước khi mở rộng ra toàn bộ. Đồng thời, cộng đồng cần thúc đẩy các nỗ lực xác minh chính thức mạnh mẽ kết hợp với kiểm thử chống lại các tấn công có chủ đích.

Valentine từ Diligence Security đã chứng minh rằng ngay cả các zkVM hàng đầu cũng chứa các lỗ hổng nghiêm trọng chỉ có thể phát hiện qua kiểm thử fuzz nghiêm ngặt. Các chiến lược an ninh toàn diện kết hợp xác minh chính thức (nền tảng lý thuyết) với kiểm thử toàn diện (xác thực thực tiễn).

Tiêu chuẩn hóa quanh một cấu hình RISC-V duy nhất tối đa hóa tính nhất quán của hệ sinh thái, đảm bảo hỗ trợ đa dạng ngôn ngữ lập trình, và ngăn chặn phân mảnh làm giảm lợi ích của quá trình chuyển đổi.

Tương lai Có thể Xác minh Đang Hình Thành

Việc Ethereum đề xuất chuyển đổi từ EVM sang RISC-V không chỉ là tối ưu hóa từng bước—nó là một sự tái cấu trúc căn bản của lớp thực thi của giao thức. Thay đổi này giải quyết các nút thắt về khả năng mở rộng sâu, loại bỏ nợ kỹ thuật từ các hợp đồng đã biên dịch sẵn, và đưa Ethereum phù hợp hơn với hệ sinh thái tính toán có thể xác minh rộng lớn hơn và đặc tả mã chuỗi chính thức.

Con đường phía trước đòi hỏi cân bằng giữa các yêu cầu cạnh tranh: lợi ích hiệu suất vượt trội từ kiến trúc gốc zk, khả năng tương thích ngược của giao thức; lợi ích bảo mật từ việc đơn giản hóa giao thức so với các hiệu ứng mạng của hạ tầng EVM hiện tại; và khả năng của hệ sinh thái tính toán đa dụng so với các rủi ro từ các bộ công cụ của bên thứ ba phức tạp.

Cuối cùng, sự tiến hóa kiến trúc này thể hiện cam kết của Ethereum với “Thực thi Tinh gọn” và tầm nhìn rộng hơn “Ethereum Tinh gọn.” Thay vì chỉ là một nền tảng hợp đồng thông minh, Ethereum sẽ trở thành một lớp thanh toán, lưu trữ dữ liệu và sẵn sàng xác minh hiệu quả, được thiết kế để hỗ trợ vũ trụ tính toán có thể xác minh rộng lớn.

Tầm nhìn cuối cùng của Vitalik Buterin—“cung cấp ZK-snarks cho mọi thứ”—đang tiến gần hơn tới hiện thực khi các dự án như Succinct Labs chứng minh rằng RISC-V không chỉ là kiến trúc mang tính giả thuyết mà còn là kỹ thuật gần như khả thi trong ngắn hạn. Bằng cách chấp nhận RISC-V, Ethereum định vị chính mình như lớp tin cậy nền tảng cho thế hệ hạ tầng internet tiếp theo—được thúc đẩy bởi các chứng minh cryptographic thay vì các trung gian tin cậy.

Thời đại của phần mềm có thể chứng minh đã đến.