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

I. Giới thiệu: Ứng dụng của tính toán song song trong blockchain

"Tam giác không thể" của blockchain (Blockchain Trilemma) "bảo mật", "phi tập trung", "khả năng mở rộng" tiết lộ sự đánh đổi cốt lõi trong thiết kế hệ thống blockchain, tức là rất khó để các dự án blockchain có thể đạt được "bảo mật tối ưu, ai cũng có thể tham gia, xử lý nhanh chóng". Đối với chủ đề "khả năng mở rộng" vĩnh cửu này, 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 lõi
• Mở rộng cách ly trạng thái: Chia tách trạng thái theo chiều ngang / Shard, chẳng hạn như phân mảnh, UTXO, nhiều subnet
• Mở rộng kiểu thuê ngoài ngoài chuỗi: đưa việc thực thi ra ngoài chuỗi, ví dụ như Rollup, Coprocessor, DA
• Kiến trúc 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 theo kiểu đồng thời 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 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 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), chú trọng đến việc thực thi song song các giao dịch / lệnh bên trong khối. Theo cơ chế song song, cách mở rộng của nó có thể được 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, lần lượt độ chi tiết của song song ngày càng cao, cường độ song song ngày càng lớn, độ phức tạp của 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 (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
• Cấp gọi / Micro VM song song (Call-level / MicroVM): đại diện cho dự án MegaETH
• Song song cấp chỉ thị (Instruction-level): Đại diện cho dự án GatlingX

Mô hình đồng thời không đồng bộ ngoài chuỗi, với hệ thống trí tuệ nhân tạo Actor (Mô hình Đại lý / Actor) làm đại diện, chúng thuộc về một kiểu tính toán song song khác, như hệ thống tin nhắn xuyên chuỗi / không đồng bộ (mô hình không đồng bộ khối), mỗi Đại lý như một "tiến trình thông minh độc lập" chạy, theo cách thức song song tin nhắn không đồng bộ, điều khiển sự kiện, không cần lập lịch đồng bộ, các dự án đại diện có AO, ICP, Cartesi, v.v.

Và các giải pháp mở rộng mà chúng ta quen thuộc như Rollup hoặc phân đoạn, thuộc về cơ chế đồng thời cấp hệ thống, không thuộc về tính toán song song trong chuỗi. Chúng thực hiện mở rộng bằng cách "vận hành song song nhiều chuỗi / miền thực thi" chứ không phải 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 tương đồng về triết lý kiến trúc.

Hai, chuỗi tăng cường song song EVM: Đột phá giới hạn hiệu suất trong khả năng tương thích

Kiến trúc xử lý nối tiếp của Ethereum đã phát triển đến nay, trải qua nhiều lần thử nghiệm mở rộng như phân đoạn, Rollup, cấu trúc mô-đun, nhưng vẫn chưa có bước đột phá cơ bản về nút thắt thông lượng của lớp thực thi. Tuy nhiên, EVM và Solidity vẫn là nền tảng hợp đồng thông minh có nền tảng nhà phát triển và tiềm năng sinh thái mạnh mẽ nhất hiện nay. Do đó, chuỗi tăng cường song song EVM đang trở thành con đường quan trọng cho sự tiến hóa mở rộng mới, cân bằng giữa tính tương thích sinh thái và nâng cao hiệu suất thực thi. Monad và MegaETH là hai dự án tiêu biểu nhất trên hướng đi này, lần lượt từ việc thực thi trì hoãn và phân tách 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 ý tưởng song song cơ bản của xử lý theo chuỗi (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), đạt được tối ưu hóa từ đầu đến cuối.

Pipelining: Cơ chế thực thi song song đa giai đoạn

Pipelining là ý tưởng cơ bản của việc thực thi song song trong Monad, với tư tưởng cốt lõi là chia quá trình thực thi blockchain thành nhiều giai đoạn độc lập và xử lý các giai đoạn này theo cách song song, hình thành kiến trúc ống dẫn ba chiều. Các giai đoạn chạy trên các luồng hoặc nhân độc lập, đạt được xử lý đồng thời qua các khối, cuối cùng 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 Nộp 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 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 tốt hơn và hiệu suất sử dụng tài nguyên cao hơn.

Thiết kế cốt lõi:

• Quy trình đồng thuận (tầng đồng thuận) chỉ chịu trách nhiệm sắp xếp giao dịch, không thực hiện logic hợp đồng.
• Quá trình thực thi (tầng thực thi) sẽ được kích hoạt không đồng bộ sau khi hoàn thành đồng thuận.
• Sau khi hoàn thành sự đồng thuận, ngay lập tức vào quy trình đồng thuận khối tiếp theo, không cần chờ đợi 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 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", nâng cao đáng kể tốc độ xử lý giao dịch.

Cơ chế thực thi:

• Monad sẽ lạc quan thực thi song song tất cả các giao dịch, giả định rằng hầu hết 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 (chẳng hạn như xung đột đọc / ghi).
• Nếu phát hiện có xung đột, sẽ thực hiện lại các giao dịch xung đột theo thứ tự, đảm bảo tính chính xác của trạng thái.

Monad đã chọn một lộ trình tương thích: giảm thiểu việc thay đổi quy tắc EVM, trong quá trình thực hiện thông qua việc trì hoãn ghi trạng thái, phát hiện xung đột động để đạt được khả năng song song, giống như phiên bản hiệu suất của Ethereum, độ trưởng thành tốt dễ dàng thực hiện việc di chuyển hệ sinh thái EVM, là bộ tăng tốc song song trong 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 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 tách biệt 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. Sáng kiến 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 mô-đun, 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)", làm cho môi trường thực thi "được luồng hóa", cung cấp đơn vị cách ly tối thiểu cho lập lịch song song. Các VM này giao tiếp với nhau thông qua thông điệp 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) trong thời gian thực, mỗi giao dịch sẽ mô hình hóa các tài khoản nào bị thay đổi, các tài khoản nào được đọc thành các mối quan hệ phụ thuộc. Các giao dịch không xung đột có thể được thực hiện song song ngay lập tức, trong khi các giao dịch có mối quan hệ phụ thuộc sẽ được sắp xếp theo thứ tự topo để thực hiện nối tiếp hoặc trì hoãn. Đồ thị phụ thuộc đảm bảo tính nhất quán trạng thái trong quá trình thực hiện song song và không ghi chép lặp lại.

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 bao bọc vi máy ảo theo đơn vị tài khoản, thông qua biểu đồ phụ thuộc trạng thái để thực hiện lập lịch giao dịch, và thay thế ngăn xếp gọi đồng bộ bằng cơ chế thông điệp không 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 ý tưởng mới cấp độ 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 cực đại. 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.

Thiết kế của Monad và MegaETH đều có sự khác biệt lớn với phân đoạn (Sharding): phân đoạn chia blockchain thành nhiều chuỗi con độc lập (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 ở tầng mạng; trong khi đó, cả Monad và MegaETH đều duy trì sự 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: củng cố 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 thực thi trì hoãn (Deferred Execution) và kiến trúc vi máy ảo (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, toàn diện và song song, cơ chế tính toán song song cốt lõi của nó được gọi là "Rollup Mesh". Kiến trúc này thông qua sự hợp tác 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) và 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 suốt vòng đời (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 thức xử lý bất đồng bộ, giúp cho mỗi giai đoạn có thể diễn ra độc lập và song song, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý tổng thể.
2. Thực thi song song VM kép (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 kép 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 thi song song.
3. Mạng xử lý đặc biệt (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 phân bổ tài nguyên động và xử lý nhiệm vụ song song, từ đó nâng cao khả năng mở rộng và hiệu suất của hệ thống.
4. Đồng thuận mô-đun và cơ chế tái đặt cọc (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