Báo cáo nghiên cứu sâu về tính toán song song Web3: Con đường tối thượng của mở rộng bản địa

Một, Lời giới thiệu: Mở rộng là một chủ đề vĩnh cửu, và đồng hành là chiến trường tối thượng

Kể từ khi ra đời, hệ thống blockchain đã phải đối mặt với vấn đề cốt lõi là mở rộng quy mô. Những điểm nghẽn hiệu suất của Bitcoin và Ethereum khó có thể vượt qua, tạo ra sự tương phản rõ nét với thế giới Web2 truyền thống. Đây không phải là vấn đề đơn giản chỉ cần tăng số lượng máy chủ là có thể giải quyết, mà là những hạn chế hệ thống trong thiết kế nền tảng của blockchain.

Trong mười năm qua, chúng ta đã chứng kiến vô số nỗ lực mở rộng. Từ tranh cãi mở rộng Bitcoin đến tầm nhìn phân đoạn của Ethereum, từ kênh trạng thái, Plasma đến Rollup và blockchain mô-đun, từ Layer 2 đến tái cấu trúc khả năng dữ liệu, ngành công nghiệp đã đi ra một con đường mở rộng đầy sáng tạo. Rollup là giải pháp mở rộng chính hiện nay, vừa giảm tải cho chuỗi chính, vừa giữ được an toàn, đồng thời nâng cao đáng kể TPS. Nhưng nó vẫn chưa chạm tới giới hạn thực sự của "hiệu suất chuỗi đơn" ở tầng blockchain, đặc biệt là ở khía cạnh thực thi vẫn bị giới hạn bởi mô hình tính toán tuần tự trong chuỗi.

Tính toán song song trong chuỗi đang dần trở thành tâm điểm mới. Khác với các giải pháp mở rộng khác, nó cố gắng tái cấu trúc hoàn toàn động cơ thực thi trong khi vẫn giữ cấu trúc chuỗi đơn. Lấy cảm hứng từ hệ điều hành hiện đại và tư duy thiết kế CPU, nó nâng cấp blockchain từ chế độ "đơn luồng" lên hệ thống "đa luồng + ống dẫn + lập lịch phụ thuộc" có khả năng đồng thời cao. Điều này không chỉ có thể mang lại hàng trăm lần cải thiện thông lượng mà còn có thể trở thành chìa khóa cho sự bùng nổ của các ứng dụng hợp đồng thông minh phức tạp.

Trên thực tế, tính toán đơn luồng đã bị loại bỏ trong thế giới Web2, thay vào đó là các mô hình tối ưu như lập trình song song và lập lịch không đồng bộ. Blockchain, như một hệ thống tính toán bảo thủ hơn, vẫn chưa tận dụng đầy đủ những tư tưởng song song này. Đây vừa là hạn chế, vừa là cơ hội. Các chuỗi công cộng mới như Solana, Sui, Aptos đã đưa tính song song vào tầng kiến trúc, bắt đầu cuộc khám phá này; trong khi các dự án như Monad, MegaETH thì vượt xa hơn nữa vào các cơ chế sâu như thực thi theo đường ống và đồng thời lạc quan, thể hiện những đặc điểm ngày càng giống với hệ điều hành hiện đại.

Tính toán song song không chỉ là tối ưu hiệu suất, mà còn là bước ngoặt trong mô hình thực thi blockchain. Nó thách thức mô hình cơ bản của việc thực thi hợp đồng thông minh, định nghĩa lại logic cơ bản của việc xử lý giao dịch. Nếu Rollup được coi là "di chuyển giao dịch ra ngoài chuỗi", thì tính toán song song trong chuỗi là "xây dựng hạt nhân siêu máy tính trên chuỗi", mục tiêu của nó là cung cấp cơ sở hạ tầng thực sự bền vững cho các ứng dụng gốc Web3 trong tương lai.

Sau khi các đường đua Rollup đồng nhất, song song trên chuỗi đang trở thành yếu tố quyết định cho vòng cạnh tranh Layer1 mới. Hiệu suất không chỉ còn là tốc độ, mà là khả năng hỗ trợ một thế giới ứng dụng dị thể. Đây không chỉ là cuộc cạnh tranh công nghệ, mà còn là cuộc chiến về các mô hình. Nền tảng thực thi chủ quyền thế hệ tiếp theo của thế giới Web3 rất có thể sẽ ra đời từ cuộc đấu tranh song song trên chuỗi này.

Hai, Toàn cảnh mô hình mở rộng: Năm loại lộ trình, mỗi loại có trọng điểm riêng

Mở rộng, như một trong những vấn đề quan trọng, bền bỉ và thách thức nhất trong sự tiến hóa của công nghệ chuỗi công khai, đã thúc đẩy sự xuất hiện và phát triển của hầu hết các con đường công nghệ chính trong gần một thập kỷ qua. Bắt đầu từ cuộc tranh luận về kích thước khối của Bitcoin, cuộc đua công nghệ về "làm thế nào để làm cho chuỗi chạy nhanh hơn" cuối cùng đã phân hóa thành năm con đường cơ bản, mỗi con đường đều tiếp cận nút thắt từ những góc độ khác nhau, có triết lý công nghệ, độ khó thực hiện, mô hình rủi ro và các tình huống áp dụng riêng.

Loại lộ trình đầu tiên là mở rộng chuỗi trực tiếp nhất, đại diện cho các phương pháp như tăng kích thước khối, rút ngắn thời gian tạo khối hoặc nâng cao khả năng xử lý thông qua tối ưu hóa cấu trúc dữ liệu và cơ chế đồng thuận. Phương pháp này từng trở thành tâm điểm trong cuộc tranh luận mở rộng Bitcoin, dẫn đến sự ra đời của các phân nhánh "khối lớn" như BCH, BSV, và cũng ảnh hưởng đến tư duy thiết kế của các chuỗi công khai hiệu suất cao như EOS và NEO trong giai đoạn đầu. Ưu điểm của loại lộ trình này là giữ lại sự đơn giản của tính nhất quán trên một chuỗi, dễ hiểu và triển khai, nhưng cũng dễ dàng chạm tới rủi ro tập trung, tăng chi phí vận hành nút, và khó khăn trong việc đồng bộ hóa, do đó trong thiết kế hiện nay đã không còn là phương án cốt lõi chính thống mà nhiều hơn trở thành sự kết hợp hỗ trợ cho các cơ chế khác.

Lộ trình thứ hai là mở rộng ngoài chuỗi, với đại diện là kênh trạng thái và chuỗi phụ. Ý tưởng cơ bản của loại đường này là chuyển hầu hết các hoạt động giao dịch ra ngoài chuỗi, chỉ ghi lại kết quả cuối cùng vào chuỗi chính, trong khi chuỗi chính đóng vai trò là lớp thanh toán cuối cùng. Về mặt triết lý kỹ thuật, nó gần gũi với tư tưởng kiến trúc bất đồng bộ của Web2. Mặc dù ý tưởng này lý thuyết có thể mở rộng khả năng thông lượng vô hạn, nhưng mô hình tin cậy của giao dịch ngoài chuỗi, vấn đề an toàn tài chính, độ phức tạp trong tương tác,... đã hạn chế ứng dụng của nó. Điển hình như Lightning Network mặc dù có vị trí rõ ràng trong bối cảnh tài chính, nhưng quy mô hệ sinh thái vẫn chưa bùng nổ; trong khi đó, nhiều thiết kế dựa trên chuỗi phụ, như Polygon POS, trong khi có khả năng thông lượng cao cũng đã bộc lộ nhược điểm khó kế thừa tính an toàn của chuỗi chính.

Lộ trình loại ba là lộ trình Layer2 Rollup được ưa chuộng nhất và được triển khai rộng rãi hiện nay. Cách này không thay đổi trực tiếp chính chuỗi, mà thực hiện mở rộng thông qua cơ chế thực thi ngoài chuỗi và xác thực trên chuỗi. Optimistic Rollup và ZK Rollup đều có những lợi thế riêng: cái trước thực hiện nhanh, tính tương thích cao, nhưng gặp phải vấn đề về thời gian thách thức và cơ chế chứng minh gian lận; cái sau an toàn hơn, khả năng nén dữ liệu tốt, nhưng phát triển phức tạp, tính tương thích EVM chưa đủ. Dù là loại Rollup nào, bản chất của nó là ủy thác quyền thực thi, đồng thời giữ lại dữ liệu và xác thực trên chính chuỗi, đạt được sự cân bằng tương đối giữa phân cấp và hiệu suất cao. Sự phát triển nhanh chóng của các dự án như Arbitrum, Optimism, zkSync, StarkNet chứng minh tính khả thi của lộ trình này, nhưng cũng đồng thời bộc lộ những nút thắt trung hạn như phụ thuộc quá mạnh vào khả năng sử dụng dữ liệu (DA), chi phí vẫn còn cao, trải nghiệm phát triển bị cắt rời.

Lộ trình loại thứ tư là kiến trúc blockchain mô-đun mới nổi trong những năm gần đây, đại diện như Celestia, Avail, EigenLayer, v.v. Nguyên tắc mô-đun cho rằng các chức năng cốt lõi của blockchain nên được tách rời, với nhiều chuỗi chuyên biệt thực hiện các chức năng khác nhau, sau đó kết hợp thành một mạng lưới có thể mở rộng thông qua giao thức liên chuỗi. Hướng đi này chịu ảnh hưởng sâu sắc từ kiến trúc mô-đun của hệ điều hành và ý tưởng khả năng kết hợp của điện toán đám mây, với ưu điểm là có thể thay thế linh hoạt các thành phần hệ thống và nâng cao hiệu suất một cách đáng kể ở những giai đoạn cụ thể (như DA). Tuy nhiên, thách thức cũng rất rõ ràng: sau khi tách rời mô-đun, chi phí đồng bộ, xác minh và tin cậy giữa các hệ thống rất cao, hệ sinh thái phát triển cực kỳ phân tán, và yêu cầu về tiêu chuẩn giao thức trung và dài hạn cũng như an toàn liên chuỗi cao hơn nhiều so với thiết kế chuỗi truyền thống. Mô hình này về bản chất không còn xây dựng một "chuỗi", mà là xây dựng một "mạng lưới chuỗi", đặt ra những rào cản chưa từng có về hiểu biết và vận hành cho toàn bộ kiến trúc.

Loại tuyến cuối cùng là đường dẫn tối ưu hóa tính toán song song trong chuỗi. Khác với bốn loại trước chủ yếu thực hiện "phân tách ngang" từ góc độ cấu trúc, tính toán song song nhấn mạnh "nâng cấp dọc", tức là trong một chuỗi duy nhất thông qua việc thay đổi kiến trúc động cơ thực thi, đạt được xử lý đồng thời giao dịch nguyên tử. Điều này yêu cầu viết lại logic lập lịch VM, giới thiệu phân tích phụ thuộc giao dịch, dự đoán xung đột trạng thái, kiểm soát độ song song, gọi bất đồng bộ và một loạt cơ chế lập lịch hệ thống máy tính hiện đại. Solana là dự án đầu tiên đưa khái niệm VM song song vào hệ thống cấp chuỗi, thông qua việc xác định xung đột giao dịch dựa trên mô hình tài khoản để thực hiện thực thi song song đa nhân. Các dự án thế hệ mới như Monad, Sei, Fuel, MegaETH, v.v., còn tiến xa hơn nữa với việc cố gắng giới thiệu thực thi theo pipeline, đồng thời lạc quan, phân vùng lưu trữ, tách rời song song và các ý tưởng tiên tiến khác, xây dựng lõi thực thi hiệu suất cao giống như CPU hiện đại. Lợi thế cốt lõi của hướng đi này là không cần phụ thuộc vào kiến trúc đa chuỗi để đạt được đột phá giới hạn thông lượng, đồng thời cung cấp đủ độ linh hoạt tính toán cho việc thực thi hợp đồng thông minh phức tạp, là tiền đề công nghệ quan trọng cho các ứng dụng hướng tới tương lai như AI Agent, trò chơi chuỗi lớn, sản phẩm phái sinh tần suất cao.

Xét về năm loại con đường mở rộng trên, sự phân biệt đằng sau chúng thực chất là sự cân bằng hệ thống giữa hiệu suất, khả năng kết hợp, tính bảo mật và độ phức tạp trong phát triển của blockchain. Rollup mạnh về việc thuê ngoài đồng thuận và thừa hưởng bảo mật, mô-đun hóa nổi bật với sự linh hoạt trong cấu trúc và tái sử dụng thành phần, mở rộng ngoài chuỗi cố gắng vượt qua những hạn chế của chuỗi chính nhưng chi phí tin cậy rất cao, trong khi song song trong chuỗi chủ yếu tập trung vào việc nâng cấp cơ bản của lớp thực thi, cố gắng tiến gần tới giới hạn hiệu suất của hệ thống phân tán hiện đại mà không phá vỡ tính nhất quán trong chuỗi. Mỗi con đường đều không thể giải quyết mọi vấn đề, nhưng chính những hướng đi này đã tạo thành bức tranh toàn cảnh cho sự nâng cấp mô hình tính toán Web3, cũng như cung cấp cho các nhà phát triển, kiến trúc sư và nhà đầu tư rất nhiều lựa chọn chiến lược phong phú.

Cũng như lịch sử đã chứng kiến sự chuyển mình của hệ điều hành từ đơn nhân sang đa nhân, và cơ sở dữ liệu từ chỉ mục tuần tự tiến hóa đến giao dịch đồng thời, con đường mở rộng của Web3 cũng sẽ cuối cùng tiến tới kỷ nguyên thực thi cao độ song song. Trong kỷ nguyên này, hiệu suất không chỉ là cuộc đua tốc độ chuỗi, mà là sự tổng hòa của triết lý thiết kế cơ bản, độ sâu hiểu biết kiến trúc, sự phối hợp phần mềm và phần cứng, cũng như khả năng kiểm soát hệ thống. Và sự song song trong chuỗi có thể chính là chiến trường cuối cùng của cuộc chiến dài hạn này.

Ba, Bản đồ phân loại tính toán song song: Năm con đường từ tài khoản đến lệnh

Trong bối cảnh công nghệ mở rộng blockchain không ngừng tiến triển, tính toán song song dần trở thành con đường cốt lõi cho sự bứt phá về hiệu suất. Khác với việc giải tách ngang ở các lớp cấu trúc, lớp mạng hoặc lớp khả năng sử dụng dữ liệu, tính toán song song là sự khai thác sâu ở lớp thực thi, nó liên quan đến logic nền tảng nhất về hiệu quả hoạt động của blockchain, quyết định tốc độ phản ứng và khả năng xử lý của một hệ thống blockchain khi đối mặt với nhiều giao dịch phức tạp, đồng thời và đa dạng. Xuất phát từ mô hình thực thi, nhìn lại dòng phát triển của hệ thống công nghệ này, chúng ta có thể phác thảo một bản đồ phân loại tính toán song song rõ ràng, nó có thể được chia thành năm con đường công nghệ: tính toán song song cấp tài khoản, tính toán song song cấp đối tượng, tính toán song song cấp giao dịch, tính toán song song cấp máy ảo và tính toán song song cấp lệnh. Năm loại con đường này từ thô đến tinh, vừa là quá trình làm tinh vi dần dần của logic song song, cũng là con đường mà độ phức tạp của hệ thống và độ khó trong lập lịch ngày càng gia tăng.

Mô hình song song cấp tài khoản xuất hiện sớm nhất, đại diện là Solana. Mô hình này dựa trên thiết kế tách biệt tài khoản và trạng thái, thông qua phân tích tĩnh tập hợp các tài khoản liên quan trong giao dịch để xác định xem có tồn tại mối quan hệ xung đột hay không. Nếu tập hợp tài khoản mà hai giao dịch truy cập không giao nhau, chúng có thể thực thi song song trên nhiều lõi. Cơ chế này rất phù hợp để xử lý các giao dịch có cấu trúc rõ ràng và đầu vào đầu ra minh bạch, đặc biệt là các chương trình có đường đi có thể dự đoán như DeFi. Tuy nhiên, giả định tự nhiên của nó là việc truy cập tài khoản có thể dự đoán và trạng thái phụ thuộc có thể suy diễn tĩnh, điều này khiến nó dễ gặp phải vấn đề thực thi bảo thủ và giảm độ song song khi đối mặt với các hợp đồng thông minh phức tạp (ví dụ như trò chơi trên chuỗi, AI agent và các hành vi động khác). Ngoài ra, sự phụ thuộc chéo giữa các tài khoản cũng làm giảm nghiêm trọng lợi ích song song trong một số tình huống giao dịch tần suất cao. Runtime của Solana đã đạt được tối ưu hóa cao trong lĩnh vực này, nhưng chiến lược lập lịch cốt lõi của nó vẫn bị giới hạn bởi độ phân giải tài khoản.

Trên cơ sở mô hình tài khoản, chúng ta tiếp tục tinh chỉnh và đi vào cấp độ kỹ thuật song song theo đối tượng. Song song theo đối tượng giới thiệu sự trừu tượng ngữ nghĩa của tài nguyên và mô-đun, thực hiện lập lịch đồng thời theo đơn vị "đối tượng trạng thái" có độ chi tiết cao hơn. Aptos và Sui là những nhà khám phá quan trọng trong hướng này, đặc biệt là cái sau thông qua hệ thống loại tuyến tính của ngôn ngữ Move, định nghĩa quyền sở hữu và tính biến đổi của tài nguyên ngay tại thời điểm biên dịch, từ đó cho phép kiểm soát chính xác xung đột truy cập tài nguyên tại thời điểm chạy. Cách tiếp cận này so với song song theo tài khoản có tính phổ quát và khả năng mở rộng cao hơn, có thể bao phủ logic đọc và ghi trạng thái phức tạp hơn, và tự nhiên phục vụ cho các kịch bản có độ dị hình cao như trò chơi, mạng xã hội, AI. Tuy nhiên, song song theo đối tượng cũng đưa ra ngưỡng ngôn ngữ và độ phức tạp phát triển cao hơn, Move không phải là sự thay thế trực tiếp cho Solidity, chi phí chuyển đổi sinh thái rất cao, hạn chế tốc độ phổ biến của mô hình song song này.

Việc song song cấp độ giao dịch sâu hơn nữa là hướng mà các chuỗi hiệu suất cao thế hệ mới đại diện bởi Monad, Sei, Fuel đang khám phá. Con đường này không còn xem trạng thái hoặc tài khoản là đơn vị song song tối thiểu, mà thay vào đó xây dựng đồ thị phụ thuộc xung quanh toàn bộ giao dịch. Nó coi giao dịch như một đơn vị thao tác nguyên tử, xây dựng đồ thị giao dịch (Transaction DAG) thông qua phân tích tĩnh hoặc động, và phụ thuộc vào bộ lập lịch để thực hiện song song. Thiết kế này cho phép hệ thống tối đa hóa việc khai thác tính song song mà không cần hoàn toàn hiểu cấu trúc trạng thái nền tảng. Monad đặc biệt nổi bật, kết hợp kiểm soát đồng thời lạc quan (OCC), lập lịch dòng chảy song song, thực thi không theo thứ tự và các công nghệ động cơ cơ sở dữ liệu hiện đại khác, giúp cho việc thực thi chuỗi gần hơn với "GPU