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

Một, ứng dụng của tính toán song song trong blockchain

"Tam giác không thể" của blockchain (Blockchain Trilemma) "an ninh", "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 rất khó để đạt được "an toàn tối đa, 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, các giải pháp mở rộng blockchain chính trên thị trường hiện nay được phân loại theo các 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 nhân
• Mở rộng cách ly trạng thái: phân tách trạng thái theo chiều ngang/Shard, ví dụ như phân đoạn, UTXO, nhiều mạng con
• Mở rộng loại thuê ngoài ngoài chuỗi: đưa việc thực thi ra ngoài chuỗi, ví dụ như Rollup, Coprocessor, DA
• Mở rộng kiểu giải cấu trúc: mô-đun kiến trúc, hoạt động hợp tác, chẳng hạn như chuỗi mô-đun, bộ sắp xếp chia sẻ, Rollup Mesh
• Mở rộng đồng thời không 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 như thực thi, trạng thái, dữ liệu, cấu trúc, là một "hệ thống mở rộng hoàn chỉnh với sự hợp tác đa tầng và sự 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 trong khối. Theo cơ chế song song, phương thức mở rộng có thể được chia thành năm loại lớn, mỗi loại đại diện cho các mục tiêu hiệu suất, mô hình phát triển và triết lý kiến trúc khác nhau, lần lượt độ phân giải song song ngày càng tinh vi hơn, cường độ song song ngày càng cao, độ phức tạp của lập lịch cũng ngày càng tăng, độ phức tạp của lập trình và khó khăn trong việc thực hiện cũng ngày càng cao.

• Song song cấp tài khoản (Account-level): Đại diện cho dự án Solana
• Song song cấp 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 tác nhân thông minh (Mô hình Tác nhân / Tác nhân), thuộc một kiểu tính toán song song khác, như một hệ thống tin nhắn xuyên chuỗi/bất đồng bộ (mô hình không đồng bộ khối), mỗi Tác nhân hoạt động như một "tiến trình thông minh độc lập", cách thức đồng thời gửi tin nhắn bất đồng bộ, dựa trên sự kiện, không cần lập lịch đồng bộ, các dự án đại diện bao gồm AO, ICP, Cartesi, v.v.

Các giải pháp mở rộng như Rollup hoặc phân đoạn mà chúng ta đều quen thuộc thuộc về cơ chế đồng thời cấp hệ thống, không thuộc về tính toán song song trên chuỗi. Chúng mở rộng bằng cách "chạy song song nhiều chuỗi/miền thực thi", thay vì nâng cao độ song song bên trong một khối/virtual machine đơn lẻ. Những 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 trong ý tưởng kiến trúc.

Hai, Chuỗi Tăng Cường Hợp Nhất EVM: Đột Phá Ranh Giới Hiệu Suất Trong Tính Tương Thích

Cho đến nay, kiến trúc xử lý tuần tự của Ethereum đã trải qua nhiều đợt mở rộng như phân đoạn, Rollup, và kiến trúc mô-đun, nhưng nút thắt về thông lượng 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 đang trở thành hướng đi quan trọng cho vòng mở rộng mới, cân bằng giữa tính tương thích sinh thái và việc nâng cao hiệu suất thực thi. Monad và MegaETH là hai dự án tiêu biểu nhất trong hướng đi này, lần lượt từ việc thực thi trễ 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 nguyên lý xử lý theo ống (Pipelining) cơ bản, thực hiện thực thi bất 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), thực hiện 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 Monad, với tư tưởng cốt lõi là chia nhỏ quy trình thực thi blockchain thành nhiều giai đoạn độc lập và xử lý các giai đoạn này một cách song song, hình thành cấu trúc ống dẫn 3D, 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. Những giai đoạn này bao gồm: Đề xuất giao dịch (Propose), Đạt đồng thuận (Consensus), Thực thi giao dịch (Execution) và Gửi khối (Commit).

Thực thi không đồng bộ: Giải quyết - Tách rời thực thi và đồng thuận

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 thông qua "thực thi bất đồng bộ" đã đạt được sự đồng thuận bất đồng bộ, thực thi bất đồng bộ và lưu trữ 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 tỷ lệ 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) được kích hoạt không đồng bộ sau khi hoàn thành đồng thuận.
• Sau khi đồng thuận hoàn thành, ngay lập tức vào quy trình đồng thuận của 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 hiện 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 song song tất cả các giao dịch một cách lạc quan, 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 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, các 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 trì 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 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 định vị L1 của Monad, MegaETH được định vị là một lớp thực thi hiệu suất cao song song và 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 thời gian phản hồi 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 vòng) và cơ chế đồng bộ hóa mô-đun, cùng nhau xây dựng hệ thống thực thi song song hướng tới "chuỗi trong luồng hóa".

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)", biến môi trường thực thi thành "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 thông điệp bất đồng bộ (Asynchronous Messaging), thay vì gọi đồng bộ, cho phép nhiều VM có thể thực thi độc lập và lưu trữ độc lập, vốn đã song song tự nhiên.

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. Giao dịch không có xung đột có thể được thực thi song song trực tiếp, trong khi các giao dịch có mối quan hệ phụ thuộc sẽ được sắp xếp theo thứ tự topo để thực hiện tuần tự hoặc trì hoãn. Đồ thị phụ thuộc đảm bảo tính nhất quán trạng thái và việc ghi không lặp lại trong quá trình thực thi song song.

Thực thi bất 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 việc đóng gói vi máy ảo theo đơn vị tài khoản, lập lịch giao dịch thông qua sơ đồ phụ thuộc trạng thái, và thay thế ngăn xếp gọi đồng bộ bằng cơ chế tin nhắn 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" ở tất cả các khía cạnh, cung cấp một tư duy cấp chuẩn mới 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 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, giống như một hệ điều hành phân tán siêu cấp dưới lý tưởng của Ethereum.

Monad và MegaETH có thiết kế ý tưởng khác biệt lớn với phân đoạn (Sharding): phân đoạn chia nhỏ 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 ở lớp mạng; trong khi Monad và MegaETH 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 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 chính là nâng cao TPS trong chuỗi, thông qua thực hiện trì hoãn (Deferred Execution) và kiến trúc vi máy ảo (Micro-VM) để đạt được xử lý song song ở mức giao dịch hoặc tài khoản. Trong khi đó, Pharos Network là một mạng blockchain L1 mô-đun và toàn diện, với cơ chế tính toán song song cốt lõi được gọi là "Rollup Mesh". Kiến trúc này hỗ trợ các môi trường máy ảo đa dạng (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 bằng chứng 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 đường ống 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 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 quả xử lý tổng thể.
2. Thực thi song song trên 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 với 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 thực thi song song.
3. Mạng xử lý đặc biệt (SPNs): SPNs là thành phần quan trọng 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 staking (Modular Consensus & Restaking): Pharos giới thiệu cơ chế đồng thuận linh hoạt, hỗ trợ nhiều mô hình đồng thuận (như PBFT, PoS, PoA), và thông qua giao thức tái staking (