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

Một, Tính toán song song: Con đường chính để mở rộng blockchain

Tam giác "không thể" của blockchain "an toàn", "phi tập trung", "khả năng mở rộng" ( tiết lộ sự đánh đổi bản chất trong thiết kế hệ thống blockchain, tức là rất khó để các dự án blockchain có thể đồng thời đạt được "an toàn tuyệt đối, sự tham gia của mọi người, xử lý nhanh chóng". Đối với chủ đề vĩnh cửu "khả năng mở rộng", hiện tại các giải pháp mở rộng blockchain chính thống trên thị trường được phân loại theo mô hình, bao gồm:

• Thực hiện mở rộng nâng cao: Tăng cường khả năng thực thi tại chỗ, chẳng hạn như song song, GPU, đa lõi
• Mở rộng tách biệt theo trạng thái: phân tách trạng thái theo chiều ngang/Shard, ví dụ như phân đoạn, UTXO, nhiều mạng con
• Mở rộng loại ngoại vi: đưa việc thực thi ra ngoài chuỗi, chẳng hạn như Rollup, Coprocessor, DA
• Kiến trúc mở rộng kiểu tách cấu trúc: phân mảnh kiến trúc, hoạt động phối hợp, chẳng hạn như chuỗi mô-đun, bộ định thứ tự chia sẻ, Rollup Mesh
• Mở rộng đồng thời bất đồng bộ: Mô hình Actor, cách ly tiến trình, điều khiển bằng tin nhắn, chẳng hạn 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 không trạng thái, v.v., bao trùm nhiều cấp độ thực thi, trạng thái, dữ liệu và cấu trúc, là một hệ thống mở rộng "hợp tác đa tầng, kết hợp mô-đun" hoàn chỉnh. Bài viết này chủ yếu giới thiệu phương pháp mở rộng dựa trên tính toán song song.

Tính toán song song trong chuỗi ), tính song song trong chuỗi (, chú ý đến việc thực thi song song các giao dịch/lệnh bên trong khối. Theo cơ chế song song, phương thức mở rộng có thể được chia thành năm loại lớn, mỗi loại đại diện cho những mối quan tâm khác nhau về hiệu suất, mô hình phát triển và triết lý kiến trúc, lần lượt giảm kích thước hạt song song, tăng cường độ song song, độ phức tạp của lập lịch cũng ngày càng cao, độ phức tạp lập trình và độ khó thực hiện cũng ngày càng tăng.

• Cấp tài khoản song song ) Cấp tài khoản (: Đại diện cho dự án Solana
• Đối tượng cấp độ song song ) Cấp độ đối tượng (: Đại diện cho dự án Sui
• Giao dịch cấp độ ): Đại diện cho dự án Monad, Aptos
• Gọi cấp / 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 tác nhân (Agent / Actor Model) làm đại diện, thuộc về một loại hình tính toán song song khác, như là hệ thống thông điệp xuyên chuỗi/bất đồng bộ ( mô hình đồng bộ không khối ), mỗi tác nhân hoạt động như một "tiến trình thông minh" độc lập, sử dụng thông điệp bất đồng bộ theo cách song song, theo sự kiện, không cần lập lịch đồng bộ, các dự án đại diện bao gồm AO, ICP, Cartesi, v.v.

Và các giải pháp mở rộng như Rollup hay phân đoạn mà chúng ta đều quen thuộc, thuộc về cơ chế đồng thời cấp hệ thống, không thuộc về tính toán đồng thời trong chuỗi. Chúng thực hiện mở rộng thông qua "việc chạy song song nhiều chuỗi/môi trường thực thi" thay vì nâng cao độ đồng thời bên trong một khối/ máy ảo. Các giải pháp mở rộng như vậy không phải là trọng tâm của bài viết này nhưng chúng tôi vẫn sẽ sử dụng chúng để so sánh sự khác biệt trong khái niệm kiến trúc.

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

Kiến trúc xử lý tuần tự của Ethereum đã phát triển đến nay, trải qua nhiều vòng thử nghiệm mở rộng như phân đoạn, Rollup, kiến trúc mô-đun, nhưng nút thắt về thông lượng ở tầng thực thi vẫn chưa được đột phá cơ bản. 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 tại. Do đó, chuỗi tăng cường song song EVM đang trở thành con đường quan trọng trong sự tiến hóa 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 nhất cho hướng đi này, lần lượt xây dựng kiến trúc xử lý song song EVM hướng đến các tình huống có độ truy cập cao và thông lượng cao từ việc thực thi trễ và phân tích trạng thái.

( 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 nguyên lý song song cơ bản (Pipelining), thực hiện thực thi bất đồng bộ ở lớp đồng thuận (Asynchronous Execution) và thực thi song song lạc quan ở lớp thực thi (Optimistic Parallel Execution). Hơn nữa, 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 khái niệm cơ bản của việc thực thi song song trong Monad, ý tưởng cốt lõi là chia quy trình thực thi blockchain thành nhiều giai đoạn độc lập, và xử lý các giai đoạn này theo cách song song, hình thành cấu trúc ống dẫn ba chiều, mỗi giai đoạn chạy trên các luồng hoặc lõi độc lập, thực hiện xử lý đồng thời giữa các khối, cuối cùng đạt được hiệu quả tăng cường 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 cam kết khối (Commit).

Thực thi không đồng bộ: Tách biệt đồng thuận - thực thi

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

Thiết kế cốt lõi:

• Quy trình đồng thuận ( lớp đồng thuận ) chỉ chịu trách nhiệm sắp xếp giao dịch, không thực hiện logic hợp đồng.
• Quy trình thực hiện ( lớp thực hiện ) được kích hoạt không đồng bộ sau khi hoàn thành đồng thuận.
• Ngay sau khi hoàn thành sự đồng thuận, quy trình đồng thuận cho khối tiếp theo sẽ ngay lập tức bắt đầu, không cần chờ đợi việc thực thi hoàn tất.

Thực thi song song lạc quan:乐观并行执行

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

Cơ chế thực thi:

• 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 một "(Conflict Detector)" để theo dõi xem các giao dịch có truy cập cùng một trạng thái ( như xung đột đọc/ghi ) hay không.
• Nếu phát hiện xung đột, các giao dịch xung đột sẽ được tuần tự hóa và thực thi lại, đảm bảo tính chính xác của trạng thái.

Monad đã chọn con đường tương thích: giảm thiểu sự thay đổi quy tắc EVM, trong quá trình thực thi thông qua việc trì hoãn ghi trạng thái, phát hiện xung đột động để đạt được sự song song, giống như phiên bản hiệu suất của Ethereum, độ trưởng thành tốt dễ dàng thực hiện việc di cư hệ 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 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 phân tách logic tài khoản, môi trường thực thi và trạng thái thành các đơn vị tối thiểu có thể lập 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 + State Dependency DAG(đồ thị phụ thuộc trạng thái không chu trình hướng tới) và cơ chế đồng bộ mô-đun, cùng nhau xây dựng hệ thống thực thi song song hướng tới "luồng trong chuỗi".

Micro-VM( máy ảo vi mô) kiến trúc: tài khoản tức là luồng

MegaETH đã giới thiệu mô hình thực thi "một máy ảo vi mô cho mỗi tài khoản (Micro-VM)", 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 tin nhắn bất đồng bộ (Asynchronous Messaging), thay vì gọi đồng bộ, cho phép nhiều VM 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 các tài khoản bị sửa đổi, các tài khoản được đọc thành các mối quan hệ phụ thuộc. Các giao dịch không xung đột có thể được thực hiện song song trực tiếp, 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 việc đóng gói vi máy ảo theo đơn vị tài khoản, tiến hành lập lịch giao dịch thông qua đồ thị phụ thuộc trạng thái, 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 hướng đi mới mang tính chuẩn mực cho việc xây dựng các 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 một VM độc lập, thông qua việc lập lịch thực thi không đồng bộ để giải phóng tiềm năng song song tối đa. Về lý thuyết, giới hạn song song của MegaETH cao hơn, nhưng cũng khó kiểm soát độ phức tạp, giống như một hệ điều hành phân tán siêu cấp dưới quan niệm của Ethereum.

Thiết kế của Monad và MegaETH đều có sự khác biệt lớn so với phân đoạn (Sharding): phân đoạn 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 giới hạn của chuỗi đơn trong việc mở rộng ở tầng mạng; trong khi đó, Monad và MegaETH đều giữ nguyên tính toàn vẹn của chuỗi đơn, chỉ mở rộng theo chiều ngang ở tầng thực thi, tối ưu hóa hiệu suất bằng cách thực hiện song song trong giới hạn của chuỗi đơn. Cả hai đại diện cho hai hướng trong con đường mở rộng blockchain: tăng cường theo chiều dọc và mở rộng theo chiều ngang.

Các dự án tính toán song song như Monad và MegaETH chủ yếu tập trung vào tối ưu hóa thông lượng, với mục tiêu cốt lõi là nâng cao TPS trong chuỗi, thông qua việc thực hiện hoãn (Deferred Execution) và kiến trúc máy ảo vi mô (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 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), đồng thời 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 toàn bộ vòng đời (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos sẽ tách biệt các giai đoạn khác nhau 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 tiến hành độc lập và song song, từ đó nâng cao hiệu suất xử lý tổng thể.
2. Thực thi song song VM (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 tăng cường khả năng xử lý giao dịch thông qua thực thi song song.
3. Xử lý đặc biệt mạng (SPNs): SPNs là thành phần chính 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 việc phân bổ tài nguyên động và xử lý nhiệm vụ song song, từ đó tăng cường khả năng mở rộng và hiệu suất của hệ thống.
4. Đồng thuận mô-đun và cơ chế tái đặt cược(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 đặt cược(Restaking) để thực hiện việc chia sẻ an toàn và tích hợp tài nguyên giữa mạng chính và SPNs.

Ngoài ra, Pharos thông qua nhiều phiên bản cây Merkle, mã hóa delta (Delta Encoding), địa chỉ phiên bản (Versioned Addressing) và công nghệ ADS đẩy xuống (ADS Pushdown), đã tái cấu trúc mô hình thực thi từ tầng dưới của động cơ lưu trữ, ra mắt động cơ lưu trữ blockchain gốc hiệu suất cao Pharos Store, đạt được khả năng xử lý trên chuỗi với thông lượng cao, độ trễ thấp và khả năng xác minh mạnh mẽ.

![