以太坊虚拟机EVM

EVM 与 Solidity

智能合约开发是区块链工程师的基本技能。开发者通常使用 Solidity 等高级语言来实现业务逻辑。然而，EVM 无法直接执行 Solidity 代码，需要将其编译成虚拟机可解释的低级语言（操作码/字节码）。现有工具可以自动完成这种转换过程，减轻了开发者对编译细节的关注需求。

虽然编译过程会带来一些额外开销，但熟悉低级编码的工程师可以直接在 Solidity 中使用操作码编写程序逻辑，以实现最高效率并降低 gas 消耗。例如，某知名NFT交易平台的协议就广泛采用了内联汇编来最小化用户的 gas 开销。

EVM性能的差异性：标准与实现

EVM，即"执行层"，是编译后的智能合约操作码最终执行和处理的场所。EVM 定义的字节码已成为行业标准。无论是用于以太坊 Layer 2 网络还是其他独立区块链，与 EVM 标准的兼容性使开发者能够在多个网络上高效部署智能合约。

尽管符合 EVM 字节码标准是虚拟机被称为 EVM 的基础，但实际实现方式可能差异很大。例如，以太坊的某客户端用 Go 语言实现了 EVM 标准，而以太坊基金会的另一个团队则维护着一个 C++ 实现。这种多样性为不同的工程优化和定制实现提供了可能性。

并行EVM技术

历史上，区块链社区主要关注共识算法的创新，一些知名项目更多因其共识机制而闻名，而非其执行层。尽管这些项目对执行层也有所创新，但它们的性能常被误认为仅源自共识算法。

实际上，高性能区块链需要创新的共识算法和优化的执行层，类似于木桶理论。对于仅改进共识算法的EVM区块链，提升性能往往需要更强大的节点配置。例如，某知名智能链在2000 TPS的gas限制下处理区块，需要比以太坊全节点高几倍的机器配置。虽然另一个知名网络理论上支持高达1000 TPS，但其实际性能常常不及预期。

并行处理的需求

大多数区块链系统中，交易是按顺序执行的，类似于单核CPU，下一次计算在当前计算完成后才开始。这种方法虽然简单且系统复杂性低，但难以支持大规模用户基础。转向多核CPU并行虚拟机模式可以同时处理多笔交易，大幅提高吞吐量。

并行执行带来了工程挑战，如处理并发交易对同一智能合约的写入。需要设计新机制来解决这些冲突。对不相关的智能合约进行并行执行可以按并行处理线程数成比例提高吞吐量。

并行EVM的创新

并行EVM代表了一系列旨在优化区块链系统执行层的创新。以某项目为例，其关键创新包括：

• 并行交易执行：采用乐观并行执行算法，允许多个交易同时处理。这种方法从相同的初始状态开始交易，跟踪输入和输出，生成每笔交易的临时结果。通过检查下一笔交易的输入是否与当前处理中交易的输出相关来决定是否执行下一笔交易。

• 延迟执行：在共识机制中，节点无需主节点或验证节点执行交易即可达成交易的正式排序。起初，主节点对交易排序并在节点间达成共识。交易执行被推迟到独立通道中，最大化利用区块时间，提升整体执行效率。

• 自定义状态数据库：通过直接将Merkle树存储在SSD上优化状态存储和访问。这种方法最小化了读取放大效应，提高了状态访问速度，使智能合约执行更快、更高效。

• 高性能共识机制：基于HotStuff共识机制的改进版本，支持数百个全球分布节点间的同步，具有线性通信复杂度。使用流水线投票阶段，使投票过程的不同阶段可以重叠进行，减少延迟，增加共识效率。

挑战

并行EVM的技术挑战

顺序交易执行的瓶颈主要与CPU和状态读/写过程相关。并行执行引入了潜在的状态冲突，需要进行执行前或执行后的冲突检查。例如，当四个并行线程同时处理与同一DeFi池交互的交易时，就可能发生冲突。这种情况需要仔细的冲突检测和解决机制，以确保高效的并行处理。

除了实现并行EVM的技术差异外，各团队通常还需重新设计并增强状态数据库的读/写性能，并开发兼容的共识算法。

挑战与考量

并行EVM面临的两个主要挑战是以太坊的长期工程价值捕获和节点集中化。虽然目前的开发阶段尚未完全开源以保护知识产权，但这些细节最终将在测试网和主网启动时披露，面临被其他区块链吸收的风险。快速的生态系统发展将是保持竞争优势的关键。

节点集中化是所有高性能区块链面临的挑战，需要在"区块链三难困境"——无许可、无需信任的操作和高性能需求之间取得平衡。"每硬件需求的TPS"等指标可以帮助比较区块链在特定硬件条件下的效率，较低的硬件需求有助于实现更多去中心化的节点。

并行EVM的格局

并行EVM格局包括多个项目，有些是Layer 1区块链，有些可能是Layer 2解决方案。还有一些是基于其他网络的EVM兼容解决方案或开源客户端。

目前，现有的并行EVM网络可分为三类：

1. 通过并行执行技术升级的EVM兼容Layer 1网络：这些网络最初不采用并行执行，后通过技术迭代升级支持并行EVM。

2. 从一开始就采用并行执行技术的EVM兼容Layer 1网络：一些新兴项目从设计之初就考虑了并行执行。

3. 采用非EVM并行执行技术的Layer 2网络：这些包括扩展导向的Layer 2 EVM兼容链。这些网络将EVM抽象成可插拔的执行模块，允许根据需要选择最佳的"VM执行层"，从而实现并行能力。

项目介绍

项目A：领先的并行EVM

该项目旨在通过优化EVM并行执行和流水线架构解决传统EVM的可扩展性问题，目标是达到10,000 TPS。项目已完成大额融资，创始团队包括来自知名交易机构的成员。内部测试网已启动，预计不久将向公众开放。

项目B：推出并行EVM网络

这个项目最初是一个专注于交易的Layer 1网络，提供先进的交易应用基础设施。最近宣布全面升级，成为高性能并行EVM，大幅提高TPS。并行EVM测试网已上线，支持EVM应用的一键迁移。主网预计将在今年上半年上线。

项目C：通过双虚拟机增强执行层

该项目旨在通过扩展EVM支持并行执行来提升Layer 1网络的可扩展性。通过构建双虚拟机系统，旨在提升EVM区块链性能和网络执行效率。公测网已上线，生态系统激励计划也已推出。

项目D：引入并行EVM技术

这是一个基于某SDK构建的EVM兼容Layer 1网络，专为DeFi应用设计。最近宣布了开发计划，旨在引入并行执行EVM技术以提升网络性能。

项目E：特定网络的EVM兼容性解决方案

该项目是建立在某高性能网络上的并行EVM，是首个该网络的EVM兼容性解决方案。它支持Solidity和Vyper EVM开发者一键部署DApp，享受高吞吐量和低gas费。

项目F：将特定VM引入以太坊

这是一个由某虚拟机支持的Rollup Layer 2模块化通用解决方案。它在以太坊上结算交易数据，使用ETH作为gas，但其执行层在特定VM环境中运行。最近完成了大额融资，主网预计很快会向开发者开放。

项目G：模块化VM Layer 2

该项目基于某技术栈构建，是一个模块化VM Layer 2网络。它旨在将高性能虚拟机引入现有的主要以太坊和比特币Layer 2网络。支持使用以太坊或比特币作为结算层，执行层能够使用多种虚拟机进行并行执行。

结论

随着区块链技术的发展，关注执行层与共识算法同样重要，以实现高性能。并行EVM等创新为提高吞吐量和效率提供了有前景的解决方案，使区块链更具可扩展性，能够支持广泛的用户群体。这些技术的发展和实施将塑造区块链生态系统的未来，推动该领域的进一步进步和应用。