Bản đồ toàn cảnh lĩnh vực tính toán song song Web3: Giải pháp mở rộng bản địa tốt nhất?

"Tam giác không thể" của blockchain (Blockchain Trilemma) "an ninh", "phi tập trung", "khả năng mở rộng" tiết lộ sự đánh đổi cốt lõi trong thiết kế hệ thống blockchain, tức là các dự án blockchain rất khó đạt được "an toàn tối đa, mọi người đều có thể tham gia, xử lý nhanh chóng" cùng một lúc. Đối với chủ đề vĩnh cửu "khả năng mở rộng", hiện nay các giải pháp mở rộng blockchain chủ đạo trên thị trường được phân loại theo mô hình, bao gồm:

• Thực hiện mở rộng nâng cao: Nâng cao khả năng thực thi tại chỗ, ví dụ như song song, GPU, đa nhân
• Mở rộng cách ly trạng thái: phân tách trạng thái theo chiều ngang/Shard, chẳng hạn như phân mảnh, UTXO, nhiều subnet
• Mở rộng kiểu gia công ngoài chuỗi: đưa thực thi ra ngoài chuỗi, chẳng hạn như Rollup, Coprocessor, DA
• Mở rộng kiểu giải cấu trúc: Kiến trúc mô-đun, vận hành hợp tác, ví dụ như chuỗi mô-đun, bộ sắp xếp chia sẻ, Rollup Mesh
• Mở rộng kiểu đồng thời bất đồng bộ: Mô hình Actor, cách ly tiến trình, điều khiển bằng tin nhắn, ví dụ như tác nhân, chuỗi bất đồng bộ đa luồng

Các giải pháp mở rộng blockchain bao gồm: tính toán song song trong chuỗi, Rollup, phân đoạn, mô-đun DA, cấu trúc mô-đun, hệ thống Actor, nén chứng minh zk, kiến trúc Stateless, v.v., bao gồm nhiều cấp độ như thực thi, trạng thái, dữ liệu, cấu trúc, là một hệ thống mở rộng hoàn chỉnh "hợp tác đa lớp, kết hợp mô-đun". Bài viết này sẽ tập trung giới thiệu phương pháp mở rộng dựa trên tính toán song song.

Tính toán song song trong chuỗi (intra-chain parallelism), chú trọng vào việc thực hiện song song các giao dịch/lệnh bên trong khối. Theo cơ chế song song, cách mở rộng có thể chia thành năm loại lớn, mỗi loại đại diện cho những đòi hỏi hiệu suất khác nhau, mô hình phát triển và triết lý kiến trúc, lần lượt, độ phân giải song song càng ngày càng tinh vi, cường độ song song càng ngày càng cao, độ phức tạp của lập lịch cũng ngày càng cao, độ phức tạp lập trình và khó khăn trong thực hiện cũng ngày càng cao.

• Song song cấp tài khoản (Account-level): đại diện cho dự án Solana
• Song song theo đối tượng (Object-level): đại diện cho dự án Sui
• Song song cấp giao dịch (Transaction-level): Đại diện cho dự án Monad, Aptos
• Gọi cấp độ / MicroVM song song (Call-level / MicroVM): đại diện cho dự án MegaETH
• Song song cấp lệnh (Instruction-level): đại diện cho dự án GatlingX

Mô hình đồng thời bất đồng bộ ngoài chuỗi, với hệ thống thông minh Actor (Mô hình Đại lý / Actor) là đại diện, chúng thuộc về một dạng mô hình tính toán song song khác, như là hệ thống thông điệp liên chuỗi / bất đồng bộ (mô hình không đồng bộ khối), mỗi Đại lý hoạt động như một "tiến trình thông minh độc lập", theo cách thức song song phát đi thông điệp, dựa trên sự kiện, không cần lập lịch đồng bộ, các dự án đại diện có AO, ICP, Cartesi, v.v.

Và các giải pháp mở rộng quen thuộc như Rollup hoặc phân đoạn thuộc về cơ chế đồng thời cấp hệ thống, không thuộc về tính toán song song trong chuỗi. Chúng đạt được sự mở rộng bằng cách "chạy song song nhiều chuỗi/miền thực thi", thay vì nâng cao độ song song bên trong một khối/ máy ảo đơn lẻ. Các giải pháp mở rộng kiểu này không phải là trọng tâm của bài viết này nhưng chúng tôi vẫn sẽ sử dụng chúng để so sánh sự tương đồng trong triết lý kiến trúc.

Hai, Chuỗi tăng cường song song EVM: Đột phá giới hạn hiệu suất trong sự tương thích

Kiến trúc xử lý tuần tự của Ethereum đã trải qua nhiều lần mở rộng như phân đoạn, Rollup, và kiến trúc mô-đun, nhưng vẫn chưa có bước đột phá cơ bản về khả năng xử lý của lớp thực thi. Tuy nhiên, EVM và Solidity vẫn là nền tảng hợp đồng thông minh có cơ sở phát triển và tiềm năng sinh thái lớn nhất hiện nay. Do đó, chuỗi tăng cường song song EVM đang trở thành một hướng quan trọng trong tiến trình mở rộng mới, vừa đảm bảo tính tương thích sinh thái vừa nâng cao hiệu suất thực thi. Monad và MegaETH là hai dự án đại diện cho hướng đi này, lần lượt từ việc thực thi trễ và phân tách trạng thái, xây dựng kiến trúc xử lý song song EVM hướng tới các tình huống có tính đồng thời cao và khả năng xử lý lớn.

Phân tích cơ chế tính toán song song của Monad

Monad là một blockchain Layer1 hiệu suất cao được thiết kế lại cho máy ảo Ethereum (EVM), dựa trên ý tưởng song song cơ bản của xử lý theo dòng (Pipelining), thực hiện thực thi bất đồng bộ ở lớp đồng thuận (Asynchronous Execution) và thực thi song song lạc quan (Optimistic Parallel Execution) ở lớp thực thi. Thêm vào đó, ở lớp đồng thuận và lưu trữ, Monad lần lượt giới thiệu giao thức BFT hiệu suất cao (MonadBFT) và hệ thống cơ sở dữ liệu chuyên dụng (MonadDB), thực hiện tối ưu hóa từ đầu đến cuối.

Pipelining: Cơ chế thực thi song song nhiều giai đoạn

Pipelining là ý tưởng cơ bản của việc thực thi song song trong Monad, với tư tưởng cốt lõi là chia quy trình thực thi trên blockchain thành nhiều giai đoạn độc lập và xử lý song song những giai đoạn này, hình thành một kiến trúc ống dẫn 3 chiều, với từng giai đoạn chạy trên các luồng hoặc nhân độc lập, đạt được xử lý đồng thời qua các khối, cuối cùng nâng cao thông lượng và giảm độ trễ. Các giai đoạn này bao gồm: Đề xuất giao dịch (Propose), Đạt được đồng thuận (Consensus), Thực thi giao dịch (Execution) và Gửi khối (Commit).

Thực thi bất đồng bộ: Đồng thuận - Thực thi tách rời bất đồng bộ

Trong chuỗi truyền thống, sự đồng thuận và thực thi giao dịch thường là quy trình đồng bộ, mô hình tuần tự này đã hạn chế nghiêm trọng khả năng mở rộng hiệu suất. Monad đã thực hiện sự đồng thuận bất đồng bộ, thực thi bất đồng bộ và lưu trữ bất đồng bộ thông qua "thực thi bất đồng bộ". Điều này đã giảm đáng kể thời gian khối (block time) và độ trễ xác nhận, khiến hệ thống trở nên linh hoạt hơn, quy trình xử lý được phân chia chi tiết hơn và tỷ lệ sử dụng tài nguyên cao hơn.

Thiết kế cốt lõi:

• Quá trình đồng thuận (tầng đồng thuận) chỉ chịu trách nhiệm sắp xếp giao dịch, không thực thi logic hợp đồng.
• Quá trình thực thi (tầng thực thi) sẽ được kích hoạt không đồng bộ sau khi hoàn thành đồng thuận.
• Sau khi hoàn thành sự đồng thuận, ngay lập tức vào quy trình đồng thuận của khối tiếp theo, không cần chờ hoàn thành việc thực thi.

Thực thi song song lạc quan:乐观并行执行

Ethereum truyền thống sử dụng mô hình tuần tự nghiêm ngặt để thực hiện giao dịch, nhằm tránh xung đột trạng thái. Trong khi đó, Monad áp dụng chiến lược "thực thi song song lạc quan", tăng đáng kể tốc độ xử lý giao dịch.

Cơ chế thực hiện:

• Monad sẽ thực hiện tất cả các giao dịch một cách lạc quan và song song, giả định rằng hầu hết các giao dịch không có xung đột trạng thái.
• Chạy cùng một "Bộ phát hiện xung đột (Conflict Detector)" để theo dõi xem các giao dịch có truy cập vào cùng một trạng thái hay không (như xung đột đọc/ghi).
• Nếu phát hiện có xung đột, giao dịch xung đột sẽ được tuần tự hóa và thực hiện lại để đảm bảo tính chính xác của trạng thái.

Monad đã chọn con đường tương thích: giảm thiểu việc thay đổi quy tắc EVM, trong quá trình thực thi thông qua việc trì hoãn ghi trạng thái, phát hiện xung đột động để thực hiện song song, giống như phiên bản hiệu suất của Ethereum, độ trưởng thành tốt dễ dàng thực hiện di chuyển sinh thái EVM, là bộ tăng tốc song song của thế giới EVM.

Phân tích cơ chế tính toán song song của MegaETH

Khác với định vị L1 của Monad, MegaETH được định vị là một lớp thực thi song song hiệu suất cao, tương thích với EVM, có thể hoạt động như một chuỗi công khai L1 độc lập hoặc như một lớp tăng cường thực thi trên Ethereum (Execution Layer) hoặc thành phần mô-đun. Mục tiêu thiết kế cốt lõi của nó là tách biệt và cấu trúc lại logic tài khoản, môi trường thực thi và trạng thái thành các đơn vị tối thiểu có thể lên lịch độc lập, nhằm đạt được khả năng thực thi đồng thời cao trong chuỗi và khả năng phản hồi độ trễ thấp. Đổi mới chính mà MegaETH đề xuất là: Kiến trúc Micro-VM + DAG phụ thuộc trạng thái (State Dependency DAG) và cơ chế đồng bộ mô-đun, cùng nhau xây dựng một hệ thống thực thi song song hướng tới "luồng trong chuỗi".

Kiến trúc Micro-VM (Máy ảo vi mô): Tài khoản chính là luồng

MegaETH đã giới thiệu mô hình thực thi "một máy ảo vi mô (Micro-VM) cho mỗi tài khoản", biến môi trường thực thi thành "đa luồng", cung cấp đơn vị cách ly tối thiểu cho lập lịch song song. Các VM này giao tiếp với nhau thông qua thông điệp bất đồng bộ (Asynchronous Messaging), thay vì gọi đồng bộ, nhiều VM có thể thực thi độc lập, lưu trữ độc lập, tự nhiên song song.

State Dependency DAG: Cơ chế lập lịch dựa trên đồ thị phụ thuộc

MegaETH đã xây dựng một hệ thống lập lịch DAG dựa trên mối quan hệ truy cập trạng thái tài khoản, hệ thống duy trì một đồ thị phụ thuộc toàn cầu (Dependency Graph) theo thời gian thực. Mỗi giao dịch sẽ mô hình hóa những tài khoản nào bị sửa đổi, những tài khoản nào được đọc, tất cả đều được xây dựng thành mối quan hệ phụ thuộc. Các giao dịch không xung đột có thể được thực hiện song song trực tiếp, trong khi các giao dịch có mối quan hệ phụ thuộc sẽ được lập lịch theo thứ tự topo hoặc bị hoãn lại. Đồ thị phụ thuộc đảm bảo tính nhất quán trạng thái và không ghi đè trong quá trình thực hiện song song.

Thực thi bất đồng bộ và cơ chế callback

B

Tóm lại, MegaETH đã phá vỡ mô hình máy trạng thái đơn luồng EVM truyền thống, thực hiện đóng gói vi máy ảo theo đơn vị tài khoản, thông qua đồ thị phụ thuộc trạng thái để tiến hành lập lịch giao dịch, và thay thế ngăn xếp gọi đồng bộ bằng cơ chế thông điệp bất đồng bộ. Đây là một nền tảng tính toán song song được thiết kế lại toàn diện từ "cấu trúc tài khoản → kiến trúc lập lịch → quy trình thực thi", cung cấp một tư duy mới mang tính chuẩn mực để xây dựng hệ thống chuỗi hiệu suất cao thế hệ tiếp theo.

MegaETH đã chọn con đường tái cấu trúc: hoàn toàn trừu tượng hóa tài khoản và hợp đồng thành VM độc lập, thông qua lập lịch thực thi không đồng bộ để giải phóng tiềm năng song song cực kỳ lớn. Về lý thuyết, giới hạn song song của MegaETH cao hơn, nhưng cũng khó kiểm soát độ phức tạp hơn, giống như một hệ điều hành phân tán siêu cấp dưới tư tưởng của Ethereum.

Thiết kế của Monad và MegaETH có sự khác biệt lớn với phân mảnh (Sharding): phân mảnh chia blockchain thành nhiều chuỗi con độc lập (shards), mỗi chuỗi con chịu trách nhiệm cho một phần giao dịch và trạng thái, phá vỡ hạn chế của chuỗi đơn trong việc mở rộng ở cấp độ mạng; trong khi Monad và MegaETH giữ nguyên tính toàn vẹn của chuỗi đơn, chỉ mở rộng theo chiều ngang ở tầng thực thi, tối ưu hóa khả năng thực thi song song cực hạn bên trong chuỗi đơn để vượt qua hiệu suất. Cả hai đại diện cho hai hướng tăng cường theo chiều dọc và mở rộng theo chiều ngang trong con đường mở rộng blockchain.

Các dự án tính toán song song như Monad và MegaETH chủ yếu tập trung vào tối ưu hóa thông lượng, với mục tiêu chính là nâng cao TPS trong chuỗi, thông qua thực thi trì hoãn (Deferred Execution) và kiến trúc vi máy ảo (Micro-VM) để thực hiện xử lý song song ở cấp độ giao dịch hoặc tài khoản. Trong khi đó, Pharos Network là một mạng blockchain L1 song song toàn diện và mô-đun, cơ chế tính toán song song cốt lõi của nó được gọi là "Rollup Mesh". Kiến trúc này hỗ trợ môi trường nhiều máy ảo (EVM và Wasm) thông qua sự phối hợp giữa mạng chính và mạng xử lý đặc biệt (SPNs), và tích hợp các công nghệ tiên tiến như chứng minh không kiến thức (ZK), môi trường thực thi đáng tin cậy (TEE).

Phân tích cơ chế tính toán song song Rollup Mesh:

1. Xử lý ống dẫn bất đồng bộ trong suốt vòng đời (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos tách rời các giai đoạn của giao dịch (như đồng thuận, thực thi, lưu trữ) và áp dụng phương pháp xử lý bất đồng bộ, cho phép mỗi giai đoạn có thể thực hiện độc lập và song song, từ đó nâng cao hiệu suất xử lý tổng thể.
2. Thực thi song song hai máy ảo (Dual VM Parallel Execution): Pharos hỗ trợ hai môi trường máy ảo EVM và WASM, cho phép các nhà phát triển chọn môi trường thực thi phù hợp theo nhu cầu. Kiến trúc VM kép này không chỉ nâng cao tính linh hoạt của hệ thống mà còn cải thiện khả năng xử lý giao dịch thông qua việc thực thi song song.
3. Mạng xử lý đặc biệt (SPNs): SPNs là thành phần quan trọng trong kiến trúc Pharos, tương tự như các mạng con mô-đun, được thiết kế đặc biệt để xử lý các loại nhiệm vụ hoặc ứng dụng cụ thể. Thông qua SPNs, Pharos có thể thực hiện phân bổ tài nguyên động và xử lý nhiệm vụ song song, từ đó nâng cao khả năng mở rộng và hiệu suất của hệ thống.
4. Đồng thuận mô-đun và cơ chế tái ký quỹ (Modular Consensus & Restaking): Pharos đã giới thiệu một cơ chế đồng thuận linh hoạt, hỗ trợ nhiều mô hình đồng thuận (như PBFT, PoS, PoA), và thông qua giao thức tái ký quỹ (Restaking) để thực hiện mạng chính.