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

"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 đồng thời đạt được "an toàn tuyệt đối, mọi người đều 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 thống trên thị trường được phân loại theo khuôn khổ, 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 cách ly trạng thái: Chia tách trạng thái theo chiều ngang / Shard, ví dụ như phân mảnh, UTXO, nhiều subnet
• Mở rộng loại hình thuê ngoài ngoài chuỗi: di chuyển thực thi ra ngoài chuỗi, ví dụ như Rollup, Coprocessor, DA
• Mở rộng kiểu giải cấu trúc: Mô-đun hóa kiến trúc, hoạt động hợp tác, chẳng hạn như chuỗi mô-đun, bộ sắp xếp chia sẻ, Rollup Mesh
• Mở rộng kiểu đồng thời bất đồng bộ: Mô hình Actor, cách ly tiến trình, điều khiển bằng tin nhắn, chẳng hạn 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 trùm nhiều cấp độ thực thi, trạng thái, dữ liệu và cấu trúc, là một hệ thống mở rộng "hợp tác đa lớp, kết hợp mô-đun" hoàn chỉnh. 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), chú trọng vào việc thực thi song song các giao dịch / lệnh bên trong khối. Theo cơ chế song song, phương pháp mở rộng 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, với độ tinh vi của phân mảnh song song ngày càng cao, cường độ song song cũng ngày càng lớn, độ phức tạp của lập lịch cũng ngày càng cao, và độ phức tạp lập trình cùng 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 / Vi mô VM 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 song song 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 thông điệp bất đồng bộ / xuyên chuỗi (mô hình không đồng bộ khối), mỗi Agent hoạt động như một "quá trình thông minh độc lập", theo cách song song bất đồng bộ với thông điệp, điều kiện sự kiện, không cần lập lịch đồng bộ, các dự án đại diện có AO, ICP, Cartesi, v.v.

Các giải pháp mở rộng như Rollup hay phân đoạn mà chúng ta quen thuộc thuộc về cơ chế đồng thời cấp hệ thống, không thuộc về tính toán đồng thời trong chuỗi. Chúng thực hiện mở rộng bằng cách "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 khác biệt về 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 cổ chai trong khả năng xử lý của lớp thực thi vẫn chưa có đột phá căn bản. Tuy nhiên, EVM và Solidity vẫn là nền tảng hợp đồng thông minh có cơ sở phát triển và tiềm năng sinh thái mạnh mẽ nhất hiện nay. Do đó, chuỗi tăng cường song song EVM như một con đường quan trọng kết hợp khả năng tương thích sinh thái và nâng cao hiệu suất thực thi đang trở thành một hướng đi quan trọng trong tiến trình mở rộng mới. Monad và MegaETH là hai dự án đại diện nhất trong hướng đi này, lần lượt từ thực thi trễ và phân giải trạng thái, xây dựng kiến trúc xử lý song song EVM hướng tới các tình huống có tính 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 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), thực hiện tối ưu hóa đầu cuối.

Pipelining: Cơ chế thực thi song song nhiều giai đoạn

Pipelining là ý tưởng cơ bản của việc thực thi song song trong 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 ống dẫn ba chiều, mỗi giai đoạn hoạt động 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 cam kết khối (Commit).

Thực thi bất đồng bộ: Đồng thuận - Thực thi tách biệt 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 đã đạt được đồng thuận không đồng bộ ở cấp độ đồng thuận, thực thi không đồng bộ ở cấp độ thực thi 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, làm cho hệ thống linh hoạt hơn, quy trình xử lý chi tiết 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.
• Quá trình thực hiện (tầng thực hiện) được kích hoạt không đồng bộ sau khi hoàn thành đồng thuận.
• Sau khi đạt được sự đồng thuận, ngay lập tức tiến vào quy trình đồng thuận của 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 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 thực hiện tất cả các giao dịch một cách lạc quan và song song, 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 cùng một trạng thái hay không (ví dụ: xung đột đọc/ghi).
• Nếu phát hiện 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 giảm thiểu việc thay đổi quy tắc EVM, trong quá trình thực thi thông qua việc hoãn ghi trạng thái, phát hiện xung đột động để đạt được song song, giống như một 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 của thế giới EVM.

Phân tích cơ chế tính toán song song của MegaETH

Khác với vị trí 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 cộng L1 độc lập hoặc như một lớp tăng cường thực thi (Execution Layer) trên Ethereum hoặc các 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 khả năng phản hồi độ trễ thấp. Đổi mới 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 một hệ thống thực thi song song hướng tới "đa luồng trong chuỗi".

Kiến trúc Micro-VM (máy ảo nhỏ): Tài khoản tức là luồng

MegaETH đã giới thiệu mô hình thực thi "mỗi tài khoản một máy ảo nhỏ (Micro-VM)", biến môi trường thực thi thành "các luồng", cung cấp đơn vị cách ly tối thiểu cho lập lịch song song. Những VM này giao tiếp với nhau thông qua thông điệp bất đồng bộ (Asynchronous Messaging), thay vì các cuộc gọi đồng bộ, cho phép nhiều VM có thể thực thi độc lập, lưu trữ độc lập, một cách 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 sửa đổi những tài khoản nào, đọc những tài khoản nào, tất cả đều được mô hình hóa thành mối quan hệ phụ thuộc. Các giao dịch không xung đột có thể được thực hiện song song trực tiếp, các giao dịch có mối quan hệ phụ thuộc sẽ được lập lịch theo thứ tự topo hoặc trì hoãn để sắp xếp. 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 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, thông qua biểu đồ phụ thuộc trạng thái để điều phối 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 điều phối → quy trình thực thi", cung cấp một ý tưởng mới mang tính mẫu mực 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 lịch trình thực thi bất đồng bộ để giải phóng tiềm năng song song cực độ. 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 cấp dưới triết lý của Ethereum.

Monad và MegaETH có thiết kế khác biệt lớn 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 giới hạn của chuỗi đơn trong việc mở rộng ở lớp mạng; trong khi đó, 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 thực thi song song cực hạn bên trong chuỗi đơn để vượt qua hiệu suất. Cả hai đại diện cho hai hướng của con đường mở rộng blockchain, đó là 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 cốt lõi là nâng cao TPS trên chuỗi, thông qua việc thực hiện trì hoãn (Deferred Execution) và kiến trúc vi máy ảo (Micro-VM) để thực hiện xử lý song song ở cấp giao dịch hoặc tài khoản. Trong khi đó, Pharos Network là một mạng blockchain L1 song song toàn diện, mô-đun, 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 phối hợp giữa mạng chính và mạng xử lý đặc biệt (SPNs), 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 trong 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 sử dụng phương thức xử lý bất đồng bộ, cho phép mỗi giai đoạn có thể hoạt động độc lập và song song, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý tổng thể.
2. Thực thi song song 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 hai VM 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 then chốt 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. 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. Nhận thức và trọng số mô-đun hóa