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

Tam giác "không thể" của blockchain "an toàn", "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 khó có thể đạt được đồng thời "an toàn tuyệt đối, mọi người đều có thể tham gia, xử lý nhanh chóng". Đối với chủ đề vĩnh cửu "khả năng mở rộng", hiện nay các giải pháp mở rộng blockchain chính trên thị trường được phân loại theo kiểu mẫu, 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 phân tách trạng thái: phân chia trạng thái theo chiều ngang / Shard, chẳng hạn 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
• Kiến trúc mở rộng dạng tách rời: mô-đun kiến trúc, hoạt động phối hợp, ví dụ như chuỗi mô-đun, bộ sắp xếp chia sẻ, Rollup Mesh
• Mở rộng đồng thời kiểu 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 mảnh, mô-đun DA, cấu trúc mô-đun, hệ thống Actor, nén chứng minh zk, kiến trúc Stateless, v.v., bao gồm nhiều cấp độ thực thi, trạng thái, dữ liệu và cấu trúc, tạo thành 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 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 chia thành năm loại lớn, mỗi loại đại diện cho những mục tiêu hiệu suất khác nhau, mô hình phát triển và triết lý kiến trúc khác nhau, lần lượt độ phân giải song song càng tinh vi hơn, cường độ song song càng cao hơn, độ phức tạp lập lịch cũng ngày càng cao, độ phức tạp lập trình và độ khó thực hiện cũng ngày càng tăng.

• Song song cấp tài khoản ( Cấp độ tài khoản ): Đại diện cho dự án Solana
• Đối tượng cấp song song ( Object-level ): đại diện cho dự án Sui
• Giao dịch cấp độ (Transaction-level): Đại diện cho dự án Monad, Aptos
• Gọi cấp độ / Micro VM song song (Call-level / MicroVM): Đại diện cho dự án MegaETH
• Song song theo chỉ thị ( Instruction-level ): Đại diện cho dự án GatlingX

Mô hình đồng xử lý bất đồng bộ ngoài chuỗi, với hệ thống thông minh Actor (Agent / Actor Model ) làm đại diện, thuộc một kiểu mô hình tính toán song song khác, như là hệ thống thông điệp bất đồng bộ / liên chuỗi ( mô hình không đồng bộ không khối ), mỗi Agent hoạt động như một "tiến trình thông minh độc lập", theo cách thức song song và bất đồng bộ trong việc gửi tin nhắn, điều khiển 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 như Rollup hoặc phân đoạn mà chúng ta đã quen thuộc đều thuộc cơ chế đồng thời cấp hệ thống, không phải là 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 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 sharding, Rollup, kiến trúc mô-đun, nhưng vẫn chưa có bước đột phá căn bản trong việc giải quyết nút thắt thông lượng ở tầng thực thi. Trong khi đó, EVM và Solidity vẫn là nền tảng hợp đồng thông minh có cơ sở phát triển và động lực hệ sinh thái mạnh nhất hiện nay. Do đó, chuỗi tăng cường song song EVM đang trở thành một hướng quan trọng trong quá trình mở rộng mới, vừa đảm bảo tính tương thích của hệ sinh thái vừa nâng cao hiệu suất thực thi. Monad và MegaETH là hai dự án đại diện nổi bật cho hướng đi này, lần lượt xây dựng kiến trúc xử lý song song EVM hướng tới các tình huống có độ đồng thời cao và thông lượng cao từ việc thực thi trễ và phân giải 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 khái niệm song song cơ bản (Pipelining), thực hiện thực thi không đồng bộ (Asynchronous Execution) ở tầng đồng thuận và thực thi song song lạc quan (Optimistic Parallel Execution) ở tầng thực thi. Ngoài ra, ở tầng 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), đạt được 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 của Monad, 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 ống dẫn ba chiều, mỗi giai đoạn chạy trên các luồng hoặc lõi độc lập, thực hiện xử lý đồng thời qua các 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 sự đồng thuận (Consensus) thực thi giao dịch (Execution) và cam kết khối (Commit).

Thực thi không đồng bộ: Đồng thuận - Giải quyết không đồng bộ

Trong chuỗi truyền thống, sự đồng thuận và thực thi giao dịch thường là quá 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 và thực thi bất đồng bộ cũng như 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 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.
• Quá trình thực hiện ( lớp thực hiện ) được kích hoạt bất đồng bộ sau khi đồng thuận hoàn tất.
• Sau khi đồng thuận hoàn tất, ngay lập tức bắt đầu quy trình đồng thuận cho 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 tuần tự nghiêm ngặt để thực thi giao dịch, nhằm tránh xung đột trạng thái. Trong khi đó, Monad áp dụng chiến lược "thực thi song song lạc quan", tăng tốc độ xử lý giao dịch lên đáng kể.

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 một "(Conflict Detector)" để giám sát xem các giao dịch có truy cập 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 việc thay đổi quy tắc EVM, trong quá trình thực thi thông qua việc hoãn ghi trạng thái và phát hiện xung đột một cách động để thực hiện song song, giống như phiên bản hiệu suất của Ethereum, độ trưởng thành tốt và dễ dàng thực hiện di cư hệ sinh thái EVM, là bộ tăng tốc song song cho 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 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 đáp ứng 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 có hướng) và cơ chế đồng bộ mô-đun, cùng nhau xây dựng một hệ thống thực thi song song hướng tới "luồng trong chuỗi".

Micro-VM( máy ảo vi mô) kiến trúc: 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 việc lập lịch song song. Các VM này giao tiếp với nhau thông qua truyền thông tin 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 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 sửa đổi những tài khoản nào, đọc những tài khoản nào, tất cả được mô hình hóa thành quan hệ phụ thuộc. Giao dịch không xung đột có thể được thực hiện song song ngay lập tức, trong khi các giao dịch có quan hệ phụ thuộc sẽ được lập lịch theo thứ tự topo hoặc bị trì hoãn. Đồ thị phụ thuộc đảm bảo tính nhất quán trạng thái và ghi không lặp lại trong quá trình thực hiện song song.

Thực thi bất đồng bộ và cơ chế callback

B

Tóm lại, MegaETH phá vỡ mô hình máy trạng thái đơn luồng EVM truyền thống, thực hiện đóng gói máy ảo vi mô theo đơn vị tài khoản, thông qua đồ thị phụ thuộc trạng thái để 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 ở tất cả các chiều từ "cấu trúc tài khoản → kiến trúc lập lịch → quy trình thực thi", cung cấp một tư duy mới mang tính chuẩn mực cho việc 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 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 dưới triết lý của Ethereum.

Thiết kế của Monad và MegaETH đều khác biệt đáng kể với khái niệm phân đoạn (Sharding): phân đoạn chia blockchain thành nhiều chuỗi con độc lập (phân đoạn Shards), mỗi chuỗi con chịu trách nhiệm một phần giao dịch và trạng thái, phá vỡ giới hạn của chuỗi đơn trong việc mở rộng theo tầng mạng; trong khi Monad và MegaETH đều duy trì tính toàn vẹn của chuỗi đơn, chỉ mở rộng theo chiều ngang ở tầng thực thi, tối ưu hóa việc thực thi song song cực hạn bên trong chuỗi đơn để vượt qua 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 tối ưu hóa thông lượng, với mục tiêu chính là nâng cao TPS trong chuỗi, thông qua việc thực hiện trì 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 mô-đun và toàn diện, cơ chế tính toán song song cốt lõi của nó được gọi là "Rollup Mesh". Kiến trúc này thông qua việc làm việc phối hợp giữa mạng chính và mạng xử lý đặc biệt (SPNs), hỗ trợ môi trường đa máy ảo (EVM và Wasm), 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 toàn bộ 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 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 đôi 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 một thành phần then chốt trong kiến trúc Pharos, tương tự như các mạng con mô-đun, chuyên dùng 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 đặt lại (Modular Consensus & Restaking): Phar