Bản đồ toàn cảnh đường đua tính toán song song Web3: Giải pháp mở rộng gốc tốt nhất?

Một, Nền tảng và Tổng quan

"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 có thể đạt được "an toàn tối đa, ai cũng có thể tham gia, xử lý nhanh chóng" cùng một lúc. Đối với chủ đề vĩnh viễn "khả năng mở rộng", 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 tăng cường: Nâng cao khả năng thực thi tại chỗ, chẳng hạn như song song, GPU, đa nhân
• Mở rộng tách trạng thái: Chia tách trạng thái theo chiều ngang / Shard, chẳng hạn như phân mảnh, UTXO, nhiều mạng con
• Mở rộng kiểu gia công bên ngoài chuỗi: đưa việc thực hiện ra ngoài chuỗi, ví dụ như Rollup, Coprocessor, DA
• Kiến trúc mở rộng kiểu giải cấu trúc: mô-đun hóa kiến trúc, vận hành 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, ví dụ như tác nhân, chuỗi không đồng bộ đa luồng

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 thực thi, trạng thái, dữ liệu, cấu trúc, là một "hệ thống mở rộng hoàn chỉnh với sự phối hợp đa lớp và tổ hợp mô-đun". Bài viết này 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 ý đến việc thực hiện song song các giao dịch / lệnh bên trong khối. Theo cơ chế song song, phương thức 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 phân giải song song ngày càng tinh vi hơn, cường độ song song ngày càng cao, độ phức tạp trong việc lập lịch cũng ngày càng tăng, độ phức tạp trong lập trình và độ khó trong 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 không đồng bộ ngoài chuỗi, với hệ thống tác nhân thông minh (Mô hình Tác nhân / Tác nhân), chúng thuộc một loại phương thức tính toán song song khác, như một hệ thống tin nhắn chéo chuỗi / không đồng bộ (mô hình không đồng bộ khối), mỗi tác nhân hoạt động như một "quá trình thông minh độc lập", theo cách thức không đồng bộ tin nhắn, 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 đều 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 việc mở rộng bằng cách "chạy đồng thời 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 điểm chính của bài viết này nhưng chúng tôi vẫn sẽ sử dụng chúng để so sánh về các khái niệm 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 mảnh, Rollup, kiến trúc mô-đun, nhưng nút thắt về khả năng xử lý của lớp thực thi vẫn chưa có bước đột phá cơ bản. Tuy nhiên, EVM và Solidity vẫn là nền tảng hợp đồng thông minh có cơ sở phát triển và tiềm năng sinh thái lớn nhất hiện nay. Do đó, chuỗi tăng cường song song EVM với sự cân bằng giữa khả năng tương thích sinh thái và việc nâng cao hiệu suất thực thi đang trở thành hướng quan trọng cho giai đoạn mở rộng mới. Monad và MegaETH là hai dự án tiêu biểu nhất trong hướng đi này, lần lượt xây dựng kiến trúc xử lý song song EVM cho các tình huống có độ trễ thực thi và phân tách trạng thái, hướng tới khả năng 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 đường 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. Thêm vào đó, 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 nhiều giai đoạn

Pipelining là ý tưởng cơ bản của việc thực thi song song của Monad, với ý tưởng cốt lõi là chia nhỏ 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, 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 đã 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. Điều này đã làm giảm đáng kể thời gian khối (block time) và độ trễ xác nhận, giúp hệ thống trở nên linh hoạt hơn, quy trình xử lý được phân tách 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 bất đồng bộ sau khi hoàn thành đồng thuận.
• Sau khi đồng thuận hoàn tất, ngay lập tức tiến vào quy trình đồng thuận 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", giúp 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 song song, 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 theo dõi xem các giao dịch có truy cập vào 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, đảm bảo tính chính xác của trạng thái.

Monad đã chọn con đường tương thích: hạn chế tối đa việc 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 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 song song hiệu suất cao mô-đun 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 khả năng phản hồi độ trễ thấp. Sự 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 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 vi mô): Tài khoản là luồng

MegaETH đã giới thiệu mô hình thực thi "một máy ảo vi mô (Micro-VM) cho mỗi tài khoản", biến môi trường thực thi thành "đa luồng", 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 thực thi độc lập và 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 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 lập lịch theo thứ tự topo hoặc bị hoãn lại. Đồ thị phụ thuộc đảm bảo tính nhất quán trạng thái và không ghi đè 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 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" ở mọi chiều, cung cấp một tư duy mới theo kiểu khuôn mẫu cho việc xây dựng hệ thống trên 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 hiện 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 ý tưởng của Ethereum.

Monad và MegaETH có những khác biệt lớn về triết lý thiết kế so với phân đoạn (Sharding): Phân đoạn cắt ngang chuỗi khối thành nhiều chuỗi phụ độc lập (phân đoạn Shards), mỗi chuỗi phụ chịu trách nhiệm cho một phần giao dịch và trạng thái, phá vỡ các hạn chế của chuỗi đơn trong việc mở rộng ở tầng mạng; trong khi đó, Monad và MegaETH đều giữ nguyên tính toàn vẹn của chuỗi đơn, chỉ mở rộng theo chiều ngang ở tầng thực thi, tối ưu hóa hiệu suất bằng cách thực hiện song song cực hạn bên trong chuỗi đơn. Cả hai đại diện cho hai hướng trong con đường mở rộng của chuỗi khối: 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 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 lưới blockchain L1 mô-đun, toàn diện và song song, với cơ chế tính toán song song cốt lõi được gọi là "Rollup Mesh". Kiến trúc này hỗ trợ môi trường đa máy ảo (EVM và Wasm) thông qua sự hợp tác 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) 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 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 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 hai máy ảo (Dual VM Parallel Execution): Pharos hỗ trợ hai môi trường máy ảo EVM và WASM, cho phép nhà phát triển chọn môi trường thực thi phù hợp theo nhu cầu. Kiến trúc hai máy ảo 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, chuyên dùng để xử lý các loại nhiệm vụ hoặc ứng dụng cụ thể. Thông qua SPNs, Pharos có thể thực hiện việc 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 đã giới thiệu một cơ chế đồng thuận linh hoạt, hỗ trợ nhiều mô hình đồng thuận khác nhau (như PBFT, PoS, PoA), và