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

Một, Tóm tắt về công nghệ tính toán song song

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

• Thực hiện mở rộng nâng cao: Nâng cao khả năng thực thi tại chỗ, chẳng hạn như song song, GPU, đa nhân
• Mở rộng cách ly trạng thái: Phân tách trạng thái theo chiều ngang / Shard, ví dụ như phân mảnh, UTXO, nhiều mạng con
• Mở rộng kiểu thuê ngoài ngoài chuỗi: Đưa việc thực thi ra ngoài chuỗi, chẳng hạn như Rollup, Coprocessor, DA
• Mở rộng kiểu tách cấu trúc: Mô-đun hóa kiến trúc, hoạt động phối hợp, chẳng hạn như chuỗi mô-đun, bộ sắp xếp chia sẻ, Rollup Mesh
• Mở rộng đồng thời không đồng bộ: Mô hình Actor, cách ly tiến trình, điều khiển bằng tin nhắn, ví dụ như tác nhân, chuỗi không 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 trùm 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 thức mở rộng chủ yếu dựa trên tính toán song song.

Tính toán song song trong chuỗi (intra-chain parallelism), tập trung vào việc thực hiện 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 các mục tiêu hiệu suất, mô hình phát triển và triết lý kiến trúc khác nhau, lần lượt độ phân giải song song ngày càng tinh vi, cường độ song song ngày càng cao, độ phức tạp lập lịch cũng ngày càng cao, độ phức tạp lập trình và độ khó thực hiện cũng ngày càng cao.

• Song song cấp tài khoản (Account-level): đại diện cho dự án Solana
• Song song đối tượng (Object-level): đại diện cho dự án Sui
• Song song cấp giao dịch (Transaction-level): Đại diện cho dự án Monad, Aptos
• Mức gọi / 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 bất đồng bộ đồng thời ngoài chuỗi, với hệ thống trí tuệ nhân tạo Actor (Mô hình Đại lý / Actor), chúng thuộc về một loại hình tính toán song song khác, như một hệ thống tin nhắn đa chuỗi / bất đồng bộ (mô hình không đồng bộ khối), mỗi Đại lý hoạt động như một "quá trình thông minh độc lập", theo cách đồng thời gửi tin nhắn bất đồng bộ, dựa trên sự kiện, không cần lập lịch đồng bộ, các dự án tiêu biểu có AO, ICP, Cartesi, v.v.

Và các giải pháp mở rộng mà chúng ta quen thuộc như Rollup hoặc chia tách thuộc cơ chế đồng thời cấp hệ thống, không thuộc tính toán song song trong chuỗi. Chúng thực hiện mở rộng thông qua "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 loại 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 khái niệm kiến trúc.

Hai, EVM hệ thống chuỗi tăng cường song song: Đột phá giới hạn hiệu suất trong khả năng 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 khả năng xử lý của lớp thực thi vẫn chưa có 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 một hướng quan trọng trong tiến trình mở rộng mới, với việc cân bằng giữa khả năng tương thích sinh thái và cải thiện hiệu suất thực thi. Monad và MegaETH là hai dự án tiêu biểu nhất trong hướng đi này, lần lượt từ việc thực thi trễ và phân tách trạng thái, xây dựng kiến trúc xử lý song song EVM dành cho các tình huống có độ 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 nguyên lý song song cơ bản là xử lý theo chuỗi (Pipelining), thực hiện đồng bộ bất đồng bộ ở lớp đồng thuận (Asynchronous Execution) và thực hiện song song lạc quan (Optimistic Parallel Execution) ở lớp thực hiện. Ngoài ra, 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 Monad, với tư tưởng cốt lõi là chia quy trình thực thi blockchain thành nhiều giai đoạn độc lập và xử lý các giai đoạn này song song, hình thành cấu trúc đường ống đa chiều, mỗi giai đoạn chạy trên các luồng hoặc nhân độc lập, thực hiện xử lý đồng thời xuyên khối, cuối cùng đạt được hiệu quả 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: Nhận thức - 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 hạn chế nghiêm trọng khả năng mở rộng hiệu suất. Monad đạt được sự đồng thuận không đồng bộ, thực thi không đồng bộ và lưu trữ không đồng bộ thông qua "thực thi không đồng bộ". Giảm đáng kể thời gian khối (block time) và độ trễ xác nhận, giúp hệ thống trở nên linh hoạt hơn, quy trình xử lý được phân tách rõ ràng hơn và tỉ 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 bất đồng bộ sau khi hoàn tất sự đồng thuận.
• Sau khi hoàn thành sự đồng thuận, lập tức vào quy trình đồng thuận khối tiếp theo, không cần chờ hoàn thành thực thi.

Thực thi song song lạc quan：乐观并行执行

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

Cơ chế thực thi:

• Monad sẽ lạc quan thực thi song song tất cả các giao dịch, giả định rằng phần lớn các giao dịch không có xung đột trạng thái.
• Chạy đồng thời 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 (chẳng hạn như xung đột đọc / ghi).
• Nếu phát hiện ra 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: cố gắng ít 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 song song, giống như một phiên bản hiệu suất của Ethereum, độ chín tốt dễ dàng thực hiện di chuyển 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 một lớp thực thi song song hiệu suất cao mô-đun tương thích 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 logic tài khoản, môi trường thực thi và trạng thái thành những 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. Sáng kiến chính mà MegaETH đưa ra là: Kiến trúc Micro-VM + State Dependency DAG (đồ thị phụ thuộc trạng thái có hướng không vòng) và cơ chế đồng bộ hóa 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 là luồng

MegaETH đã giới thiệu mô hình thực thi "mỗi tài khoản một máy ảo vi mô (Micro-VM)", làm cho môi trường thực thi "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 không đồng bộ (Asynchronous Messaging), thay vì gọi đồng bộ, cho phép một lượng lớn 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) trong thời gian thực, mỗi giao dịch sẽ mô hình hóa các tài khoản bị thay đổi và các tài khoản được đọc thành mối quan hệ phụ thuộc. Các giao dịch không có xung đột có thể được thực hiện song song trực tiếp, trong khi các giao dịch có mối quan hệ phụ thuộc sẽ được sắp xếp theo thứ tự topo hoặc bị trì hoãn để thực hiện lập lịch. Đồ thị phụ thuộc đảm bảo tính nhất quán trạng thái và ghi không trùng lặp trong quá trình thực hiện song song.

Thực thi không 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, điều phối 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 từ "cấu trúc tài khoản → kiến trúc điều phối → quy trình thực thi" ở tất cả các chiều, cung cấp một hướng đi mới theo kiểu mô hình cho việc xây dựng hệ thống chuỗi trên 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 bất đồng bộ để giải phóng tiềm năng song song cực đại. 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 theo triết lý của Ethereum.

Monad và MegaETH đều có triết lý thiết kế khác biệt so với phân đoạn (Sharding): phân đoạn chia blockchain thành nhiều chuỗi con độc lập (phân đoạn 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 đều giữ nguyên tính toàn vẹn của chuỗi đơn, chỉ mở rộng theo chiều ngang ở tầng thực thi, tối ưu hóa thực thi song song cực hạn bên trong chuỗi đơn để phá vỡ hiệu suất. 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 con đường tối ưu hóa thông lượng, với mục tiêu cốt lõi là nâng cao TPS trong chuỗi, thông qua việc thực hiện trễ (Deferred Execution) và kiến trúc vi máy ảo (Micro-VM) để đạt được xử lý song song ở cấp giao dịch hoặc tài khoản. Trong khi đó, Pharos Network là một mạng blockchain L1 mô-đun, toàn diện và song song, với cơ chế tính toán song song cốt lõi được gọi là "Rollup Mesh". Kiến trúc này hỗ trợ môi trường nhiều máy ảo (EVM và Wasm) thông qua sự hợp tác 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) và nhiều công nghệ khác.

Phân tích cơ chế tính toán song song Rollup Mesh:

1. Xử lý đường ống bất đồng bộ theo vòng đời đầy đủ (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos tách rời 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 thực hiện độc lập và song song, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý tổng thể.
2. Thực hiện song song trên hai máy ảo (Dual VM Parallel Execution): Pharos hỗ trợ hai môi trường máy ảo EVM và WASM, cho phép các nhà phát triển lựa chọn môi trường thực thi phù hợp theo nhu cầu. Kiến trúc VM đôi 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 hiện 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 riêng 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 tăng cường khả năng mở rộng và hiệu suất của hệ thống.
4. Đồng thuận mô-đun và cơ chế tái staking (Modular Consensus & Restaking): Pharos đã giới thiệu một cơ chế đồng thuận linh hoạt, hỗ trợ nhiều mô hình đồng thuận khác nhau (như PBFT, PoS,