Toàn cảnh đường đua tính toán song song Web3: Giải pháp mở rộng bản địa tốt nhất?

I. Tính toán song song: Hướng mới cho mở rộng blockchain

"Tam giác không thể" của blockchain (Blockchain Trilemma) gồm "an ninh", "phi tập trung", "khả năng mở rộng" tiết lộ những đánh đổi bản chất trong thiết kế hệ thống blockchain, tức là các dự án blockchain rất khó đạt được "an toàn cực độ, mọi người đều có thể tham gia, xử lý nhanh chóng" cùng một lúc. Đối với chủ đề "khả năng mở rộng" vĩnh cửu này, hiện tại các giải pháp mở rộng blockchain chủ đạo trên thị trường được phân loại theo các mô hình, bao gồm:

• Thực hiện mở rộng khả năng thực thi 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 đoạn, UTXO, nhiều mạng con
• Mở rộng kiểu gia công ngoài chuỗi: đưa việc thực thi ra ngoài chuỗi, chẳng hạn như Rollup, Coprocessor, DA
• Mở rộng kiểu tách rời cấu trúc: mô-đun kiến trúc, hoạt động phối hợp, chẳng hạn như chuỗi mô-đun, bộ sắp xếp chia sẻ, Rollup Mesh
• Mở rộng đồng thời bất đồng bộ: Mô hình Actor, cách ly quy 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 trùm nhiều cấp độ thực thi, trạng thái, dữ liệu, cấu trúc, là một hệ thống mở rộng "phối hợp đa cấp, kết hợp mô-đun" hoàn chỉnh. Bài viết này tập trung vào cách 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. Dựa trên cơ chế song song, phương pháp mở rộng có thể được chia thành năm loại lớn, mỗi loại đại diện cho những mong đợi hiệu suất khác nhau, mô hình phát triển và triết lý kiến trúc khác nhau, lần lượt độ phân giải song song ngày càng tinh vi, cường độ song song ngày càng cao, độ phức tạp của lập lịch cũng ngày càng cao, 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 Đại lý / Actor), thuộc về một kiểu tính toán song song khác, như là hệ thống tin nhắn xuyên chuỗi / bất đồng bộ (mô hình không đồng bộ khối), mỗi Đại lý hoạt động như một "tiến trình thông minh độc lập", theo cách thức đồng thời và bất đồng bộ trong việc truyền tin nhắn, sự kiện, không cần lập lịch đồng bộ, các dự án đại diện có AO, ICP, Cartesi, v.v.

Các giải pháp mở rộng mà chúng ta quen thuộc như Rollup hoặc phân đoạn, thuộc cơ chế đồng thời cấp hệ thống, không thuộc tính toán đồng thời trong chuỗi. Chúng thực hiện việc mở rộng bằng cách "chạy song song nhiều chuỗi / miền thực thi", thay vì nâng cao độ đồng thời bên trong một khối / máy ảo đơn lẻ. Các giải pháp mở rộng này không phải là trọng tâm của bài viết này nhưng chúng tôi vẫn sẽ sử dụng chúng để so sánh sự tương đồng về ý tưởng kiến trúc.

Hai, Chuỗi Tăng Cường Song Song EVM: Phá Vỡ Ranh Giới Hiệu Suất Trong 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 ở tầng thực thi vẫn chưa có bước đột phá căn bản. Tuy nhiên, EVM và Solidity vẫn là nền tảng hợp đồng thông minh có cơ sở phát triển và động lực 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 nhắc giữa tính tương thích với hệ sinh thái và việc nâng cao hiệu suất thực thi. Monad và MegaETH là hai dự án đại diện 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 lớn từ việc thực thi trễ và phân tách 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 của xử lý theo chuỗi (Pipelining), thực hiện thực thi bất đồng bộ ở lớp đồng thuận (Asynchronous Execution) 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 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 trong Monad, với tư tưởng cốt lõi là tách quy trình thực thi của blockchain thành nhiều giai đoạn độc lập và xử lý các giai đoạn này một cách song song, hình thành cấu trúc pipeline ba chiều, mỗi giai đoạn chạy trên các luồng hoặc nhân độc lập, đạt được xử lý đồng thời xuyên 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 đồng thuận (Consensus), thực hiện giao dịch (Execution) và cam kết khối (Commit).

Thực thi bất đồng bộ: Đồng thuận - Thực thi tách rời bất đồng bộ

Trong chuỗi truyền thống, đồng thuận giao dịch và thực thi thường là quy trình đồng bộ, mô hình tuần tự này đã hạn chế nghiêm trọng khả năng mở rộng hiệu suất. Monad đã đạt được đồng thuận bất đồng bộ trong lớp đồng thuận, thực thi bất đồng bộ trong lớp thực thi và lưu trữ bất đồng bộ thông qua "thực thi bất đồng bộ". Điều này đã giảm đáng kể thời gian khối (block time) và độ trễ xác nhận, làm cho hệ thống linh hoạt hơn, quy trình xử lý tinh vi 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) sẽ được kích hoạt bất đồng bộ sau khi hoàn thành đồng thuận.
• Sau khi hoàn thành đồng thuận, ngay lập tức vào quy trình đồng thuận cho khối tiếp theo mà không cần chờ đợi hoàn thành thực thi.

Thực thi song song lạc quan：Optimistic Parallel Execution

Ethereum truyền thống sử dụng mô hình thực thi tuần tự nghiêm ngặt cho giao dịch nhằm tránh xung đột trạng thái. Trong khi đó, Monad áp dụng chiến lược "thực thi song song lạc quan", tăng 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 "Máy 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, các giao dịch xung đột sẽ được tuần tự hóa và thực hiện lại, đảm bảo tính chính xác của trạng thái.

Monad đã chọn con đường tương thích: giảm thiểu thay đổi quy tắc EVM, trong quá trình thực thi thông qua việc hoãn ghi trạng thái, phát hiện xung đột động để thực hiện 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 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 và 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 tách biệt và cấu trúc lại 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 nằm ở: Kiến trúc Micro-VM + State Dependency DAG (đồ thị trạng thái phụ thuộc 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 "luồng trong chuỗi".

Kiến trúc Micro-VM (máy ảo vi mô): Tài khoản chính 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 việc lập lịch song song. Những VM này giao tiếp với nhau 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 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. 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 đồ thị phụ thuộc trạng thái để thực hiện 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 từ "cấu trúc tài khoản → kiến trúc lập lịch → quy trình thực thi" trên tất cả các chiều, cung cấp một tư duy mới ở cấp độ hình mẫu để 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 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 ý tưởng của Ethereum.

Monad và MegaETH đều có triết lý thiết kế khác biệt 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 cấp độ mạng; trong khi Monad và MegaETH vẫn giữ nguyên tính toàn vẹn của chuỗi đơn, chỉ mở rộng ngang ở tầng 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 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 cốt lõi là nâng cao TPS trong chuỗi, thông qua việc thực hiện trì hoãn (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. Trong khi đó, Pharos Network là một mạng lưới blockchain L1 song song toàn diện và 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 hợp tác giữa mạng chính và mạng xử lý đặc biệt (SPNs), đồng thời 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 không đồng bộ theo 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 thức xử lý không 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 hai máy ảo (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 hai VM 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. 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. 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 ký (Modular Consensus & Restaking): Pharos đã giới thiệu cơ chế đồng thuận linh hoạt, hỗ trợ nhiều mô hình đồng thuận khác nhau (như PBFT