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

I. Giới thiệu

"Tam giác không thể" của blockchain (Blockchain Trilemma) "an toàn", "phi tập trung", "khả năng mở rộng" đã 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, ai cũng có thể tham gia, xử lý nhanh chóng" cùng một lúc. Đối với chủ đề vĩnh cửu "khả năng mở rộng", hiện tại các giải pháp mở rộng blockchain chính 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 nhân
• Mở rộng tách biệt trạng thái: Phân chia trạng thái ngang / Shard, ví dụ như phân mảnh, UTXO, nhiều mạng con
• Mở rộng kiểu thuê ngoài trên chuỗi: Đưa việc thực thi ra ngoài chuỗi, chẳng hạn như Rollup, Coprocessor, DA
• Kiến trúc mở rộng kiểu tách cấu trúc: mô-đun kiến trúc, vận hành hợp tác, ví dụ như chuỗi mô-đun, bộ sắp xếp chia sẻ, Rollup Mesh
• Mở rộng theo kiểu đồng thời bất đồng bộ: Mô hình Actor, cách ly tiến trình, điều khiển bằng thông điệp, 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 tầng, kết hợp mô-đun". Bài viết này tập trung vào phương thức mở rộng chủ yếu 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 trong khối. Theo cơ chế song song, phương thức mở rộng có thể chia thành năm loại lớn, mỗi loại đại diện cho những mục tiêu hiệu suất, mô hình phát triển và triết lý kiến trúc khác nhau, lần lượt độ tinh vi của hạt song song ngày càng cao, cường độ song song ngày càng lớn, độ phức tạp lịch trình cũng ngày càng tăng, 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 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, đại diện bởi hệ thống thông minh Actor (Mô hình Agent / Actor), thuộc một loại hình thức tính toán song song khác, như một hệ thống tin nhắn đa chuỗi / bất đồng bộ (mô hình không đồng bộ khối), mỗi Agent hoạt động như một "tiến trình thông minh độc lập", theo cách thức song song với 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.

Trong khi đó, các giải pháp mở rộng mà chúng ta quen thuộc như Rollup hoặc phân mảnh thuộc về cơ chế đồng thời cấp hệ thống, không thuộc về tính toán song song trong chuỗi. Chúng thực hiện việc 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 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 triết lý kiến trúc.

Hai, Chuỗi Tăng Cường Song Song EVM: Đột Phá Ranh Giới Hiệu Suất Trong Tính 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 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 nay. Do đó, chuỗi tăng cường song song EVM trở thành con đường then chốt để cân bằng giữa tính tương thích sinh thái và việc nâng cao hiệu suất thực thi, đang trở thành hướng đi quan trọng trong tiến trình mở rộng mới. Monad và MegaETH là hai dự án đại diện cho hướng đi này, lần lượt từ việc thực thi chậm và phân giải trạng thái, xây dựng kiến trúc xử lý song song EVM hướng tới các tình huống có độ đồng thời cao và thông lượng 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 khái niệm song song cơ bản của xử lý theo dòng (Pipelining), thực hiện thực thi bất đồng bộ (Asynchronous Execution) ở lớp đồng thuận và thực thi song song lạc quan (Optimistic Parallel Execution) ở lớp thực thi. 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 end-to-end.

Pipelining: Cơ chế thực thi song song nhiều giai đoạn

Pipelining là ý tưởng cơ bản của việc thực thi song song Monad, với ý tưởng cốt lõi là phân 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 ống dẫn ba chiều, mỗi giai đoạn chạy trên các luồng hoặc lõi độc lập, đạt được xử lý đồng thời qua các khối, cuối cùng đạt được hiệu quả nâng cao thông lượng và giảm độ trễ. Những 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: đồng thuận - thực thi tách rời không 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 nghiêm trọng hạn chế khả năng mở rộng hiệu suất. Monad thông qua "thực thi bất đồng bộ" đã thực hiện đồng thuận lớp bất đồng bộ, thực thi lớp bất đồng bộ và lưu trữ bất đồng bộ. Giảm đáng kể thời gian khối (block time) và độ trễ xác nhận, làm cho hệ thống linh hoạt hơn, quy trình xử lý được phân chia rõ ràng 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 hiện logic hợp đồng.
• Quy trình thực thi (tầng thực thi) được kích hoạt bất đồng bộ sau khi đồng thuận hoàn tất.
• Sau khi hoàn thành sự đồng thuận, ngay lập tức đi vào quy trình đồng thuận khối tiếp theo, không cần chờ hoàn tất 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 cho việc thực hiện giao dịch nhằm tránh xung đột trạng thái. Trong khi đó, Monad áp dụng chiến lược "thực hiện song song lạc quan", tăng đáng kể tốc độ xử lý giao dịch.

Cơ chế thực hiện:

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

Monad đã chọn con đường tương thích: giảm thiểu sự thay đổi các 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 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 modular 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 là một thành phần modular. Mục tiêu thiết kế cốt lõi của nó là phân tách 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 tạo chính mà MegaETH đưa ra là: kiến trúc Micro-VM + State Dependency DAG (đồ thị phụ thuộc trạng thái có hướng không chu trình) và cơ chế đồng bộ hóa modular, cùng nhau xây dựng hệ thống thực thi song song hướng tới "luồng trong chuỗi".

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

MegaETH đã giới thiệu mô hình thực thi "mỗi tài khoản một máy ảo vi mô (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 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 các tài khoản mà nó sửa đổi và các tài khoản mà nó đọc thành các mối quan hệ phụ thuộc. Các giao dịch không có xung đột có thể được thực hiện song song ngay lập tức, 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 lại nhiều lần 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 dựa trên 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 ở toàn bộ chiều từ "cấu trúc tài khoản → kiến trúc điều phối → quy trình thực thi", cung cấp một tư duy mới mang tính hình mẫu 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 việc lập lịch thực thi bất 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 hơn, giống như một hệ điều hành phân tán siêu cấp dưới triết lý của Ethereum.

Monad và MegaETH đều có thiết kế khác biệt so với phân mảnh (Sharding): phân mảnh cắt ngang blockchain thành nhiều chuỗi con độc lập (phân mảnh Shards), mỗi chuỗi con chịu trách nhiệm cho một phần giao dịch và trạng thái, phá vỡ giới hạn chuỗi đơn trong mở rộng lớp mạng; trong khi Monad và MegaETH đều giữ nguyên tính toàn vẹn của chuỗi đơn, chỉ mở rộng theo chiều ngang ở lớp thực thi, tối ưu hóa việc thực hiện song song cực đại 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 chính 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 độ giao dịch hoặc tài khoản. Pharos Network, với tư cách là một mạng lưới blockchain L1 mô-đun và toàn diện, có cơ chế tính toán song song cốt lõi được gọi là "Rollup Mesh". Kiến trúc này hỗ trợ môi trường đa 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 bằng chứng không kiến thức (ZK), môi trường thực thi đáng tin cậy (TEE), v.v.

Phân tích cơ chế tính toán song song Rollup Mesh:

1. Xử lý đường ống bất đồng bộ trong toàn bộ vòng đời (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos tách rời các giai đoạn của giao dịch (chẳng hạn 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 thi song song với 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 máy ảo kép này không chỉ nâng cao tính linh hoạt của hệ thống mà còn tăng cường 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, giống 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 song song các nhiệm vụ, 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, PoA), và thông qua việc tái