Peta Panorama Jalur Perhitungan Paralel Web3: Solusi Terbaik untuk Skalabilitas Native?

"Segitiga Ketidakmungkinan" dari blockchain "Keamanan", "Desentralisasi", "Skalabilitas" mengungkapkan trade-off esensial dalam desain sistem blockchain, yaitu proyek blockchain sulit untuk mencapai "keamanan ekstrem, partisipasi universal, pemrosesan cepat" secara bersamaan. Mengenai topik abadi "skalabilitas", saat ini solusi perluasan blockchain yang dominan di pasar dibedakan berdasarkan paradigma, termasuk:

• Melaksanakan peningkatan kapasitas eksekusi: Meningkatkan kemampuan eksekusi di tempat, seperti paralel, GPU, multi-core
• Isolasi status skala: pembagian status horizontal / Shard, seperti sharding, UTXO, banyak subnet
• Ekspansi berbasis outsourcing off-chain: menempatkan eksekusi di luar rantai, misalnya Rollup, Coprocessor, DA
• Ekspansi dengan Decoupling Struktur: Modularitas arsitektur, operasi kolaboratif, seperti rantai modul, penyortir bersama, Rollup Mesh
• Ekspansi tipe konkuren asinkron: Model Aktor, isolasi proses, berbasis pesan, seperti agen, rantai asinkron multithreading

Solusi skalabilitas blockchain mencakup: komputasi paralel dalam rantai, Rollup, pemisahan, modul DA, struktur modular, sistem Aktor, kompresi bukti zk, arsitektur Stateless, dan lainnya, mencakup beberapa level eksekusi, status, data, dan struktur, merupakan sistem skalabilitas lengkap "kolaborasi multi-level, kombinasi modul". Artikel ini berfokus pada metode skalabilitas yang mengutamakan komputasi paralel.

Perhitungan paralel di dalam rantai, fokus pada pelaksanaan paralel transaksi/instruksi di dalam blok. Berdasarkan mekanisme paralel, cara skalabilitas dapat dibagi menjadi lima kategori besar, masing-masing mewakili pencarian kinerja, model pengembangan, dan filosofi arsitektur yang berbeda, dengan ukuran granularitas paralel yang semakin halus, intensitas paralel yang semakin tinggi, kompleksitas penjadwalan yang juga semakin tinggi, serta kompleksitas pemrograman dan kesulitan implementasi yang semakin tinggi.

• Paralel tingkat akun (Account-level): Mewakili proyek Solana
• Paralel tingkat objek (Object-level): mewakili proyek Sui
• Paralel tingkat transaksi (Transaction-level): Mewakili proyek Monad, Aptos
• Paralel tingkat panggilan / MicroVM: mewakili proyek MegaETH
• Paralelisme tingkat instruksi (Instruction-level): Mewakili proyek GatlingX

Model konkuren asinkron di luar rantai, yang diwakili oleh sistem aktor, merupakan salah satu paradigma komputasi paralel lainnya. Sebagai sistem pesan lintas rantai/asinkron, setiap Agen berfungsi sebagai "proses cerdas" yang berjalan secara independen, dengan cara paralel yang mengirimkan pesan asinkron, berbasis peristiwa, tanpa penjadwalan sinkron. Proyek-proyek yang mewakili ini termasuk AO, ICP, Cartesi, dan lain-lain.

Dan solusi skalabilitas seperti Rollup atau sharding yang kita kenal, termasuk dalam mekanisme konkuren tingkat sistem, dan bukan merupakan perhitungan paralel di dalam rantai. Mereka mencapai skalabilitas dengan "menjalankan beberapa rantai/area eksekusi secara paralel", bukan dengan meningkatkan derajat paralel di dalam satu blok/mesin virtual. Solusi skalabilitas semacam ini bukanlah fokus pembahasan artikel ini, tetapi kami tetap akan menggunakannya untuk perbandingan perbedaan dalam konsep arsitektur.

Dua, Rantai Peningkatan Pararel EVM: Menerobos Batas Kinerja dalam Kompatibilitas

Arsitektur pemrosesan serial Ethereum telah berkembang hingga saat ini, mengalami beberapa upaya peningkatan kapasitas seperti sharding, Rollup, dan arsitektur modular, tetapi hambatan throughput di lapisan eksekusi masih belum mendapatkan terobosan mendasar. Namun, pada saat yang sama, EVM dan Solidity tetap menjadi platform kontrak pintar dengan basis pengembang dan potensi ekosistem yang paling kuat saat ini. Oleh karena itu, rantai yang diperkuat secara paralel dengan EVM sebagai jalur kunci yang mempertimbangkan kompatibilitas ekosistem dan peningkatan kinerja eksekusi, sedang menjadi arah penting untuk evolusi peningkatan kapasitas yang baru. Monad dan MegaETH adalah proyek yang paling representatif dalam arah ini, masing-masing membangun arsitektur pemrosesan EVM yang ditujukan untuk skenario dengan tingkat konversi tinggi dan throughput tinggi, mulai dari eksekusi tertunda dan pemecahan status.

Analisis Mekanisme Perhitungan Paralel Monad

Monad adalah blockchain Layer1 berkinerja tinggi yang dirancang ulang untuk mesin virtual Ethereum, berdasarkan pada konsep paralel dasar pemrosesan pipelining, dengan eksekusi asinkron di lapisan konsensus dan eksekusi paralel optimis di lapisan eksekusi. Selain itu, di lapisan konsensus dan penyimpanan, Monad masing-masing memperkenalkan protokol BFT berkinerja tinggi (MonadBFT) dan sistem basis data khusus (MonadDB), untuk mencapai optimisasi end-to-end.

Pipelining: Mekanisme pelaksanaan paralel multi-tahap

Pipelining adalah konsep dasar dari eksekusi paralel Monad, dengan inti pemikirannya adalah memecah alur eksekusi blockchain menjadi beberapa tahap independen, dan memproses tahap-tahap ini secara paralel, membentuk arsitektur pipa tiga dimensi. Setiap tahap dijalankan di thread atau inti yang independen untuk mencapai pemrosesan konkuren lintas blok, yang pada akhirnya meningkatkan throughput dan mengurangi latensi. Tahap-tahap ini termasuk: usulan transaksi (Propose), pencapaian konsensus (Consensus), eksekusi transaksi (Execution), dan pengajuan blok (Commit).

Eksekusi Asinkron: Konsensus - Melaksanakan Decoupling Asinkron

Dalam rantai tradisional, konsensus dan eksekusi transaksi biasanya adalah proses sinkron, model serial ini sangat membatasi skalabilitas kinerja. Monad mencapai asinkron pada lapisan konsensus, asinkron pada lapisan eksekusi, dan asinkron pada penyimpanan melalui "eksekusi asinkron". Ini secara signifikan mengurangi waktu blok dan keterlambatan konfirmasi, membuat sistem lebih fleksibel, proses penanganan lebih tersegmentasi, dan pemanfaatan sumber daya lebih tinggi.

Desain Inti:

• Proses konsensus hanya bertanggung jawab untuk mengurutkan transaksi, tidak menjalankan logika kontrak.
• Proses eksekusi dipicu secara asinkron setelah konsensus selesai.
• Setelah konsensus selesai, segera masuk ke proses konsensus blok berikutnya, tanpa perlu menunggu eksekusi selesai.

Eksekusi Paralel Optimis：Optimis Paralel Eksekusi

Ethereum tradisional menggunakan model eksekusi serial yang ketat untuk menghindari konflik status. Sementara Monad mengadopsi strategi "eksekusi paralel optimis", yang secara signifikan meningkatkan kecepatan pemrosesan transaksi.

Mekanisme pelaksanaan:

• Monad akan secara optimis mengeksekusi semua transaksi secara paralel, dengan asumsi sebagian besar transaksi tidak memiliki konflik status.
• Menjalankan "detektor konflik" untuk memantau apakah transaksi mengakses status yang sama.
• Jika terdeteksi konflik, transaksi yang konflik akan diserialisasi dan dieksekusi ulang untuk memastikan konsistensi status.

Monad memilih jalur yang kompatibel: mengurangi perubahan aturan EVM sebisa mungkin, selama proses eksekusi dengan menunda penulisan status dan mendeteksi konflik secara dinamis untuk mencapai paralelisme, lebih mirip dengan versi kinerja Ethereum, dengan kematangan yang baik memudahkan migrasi ekosistem EVM, merupakan akselerator paralel di dunia EVM.

Analisis mekanisme komputasi paralel MegaETH

Berbeda dengan posisi L1 Monad, MegaETH diposisikan sebagai lapisan eksekusi paralel berkinerja tinggi yang modular dan kompatibel dengan EVM, yang dapat berfungsi sebagai blockchain publik L1 yang independen, atau sebagai lapisan peningkatan eksekusi atau komponen modular di Ethereum. Tujuan desain inti adalah untuk memisahkan logika akun, lingkungan eksekusi, dan status menjadi unit terkecil yang dapat dijadwalkan secara independen, untuk mencapai eksekusi dengan tingkat konkruensi tinggi di dalam rantai dan kemampuan respons yang rendah latensi. Inovasi kunci yang diusulkan oleh MegaETH adalah: arsitektur Micro-VM + State Dependency DAG (graf ketergantungan status terarah tanpa siklus) dan mekanisme sinkronisasi modular, yang bersama-sama membangun sistem eksekusi paralel yang diarahkan pada "threading dalam rantai".

Arsitektur Micro-VM (Mikro Mesin Virtual): Akun adalah Utas

MegaETH memperkenalkan model eksekusi "satu mesin virtual mikro per akun", yang "mengalirkan" lingkungan eksekusi, menyediakan unit isolasi terkecil untuk penjadwalan paralel. VM ini berkomunikasi melalui pesan asinkron, bukan pemanggilan sinkron, sehingga banyak VM dapat dieksekusi secara independen dan menyimpan secara independen, secara alami paralel.

State Dependency DAG: Mekanisme Penjadwalan yang Didorong oleh Grafik Ketergantungan

MegaETH membangun sistem penjadwalan DAG yang berbasis pada hubungan akses status akun, sistem ini secara real-time memelihara grafik ketergantungan global, setiap transaksi memodifikasi akun mana, membaca akun mana, semuanya dimodelkan sebagai hubungan ketergantungan. Transaksi yang tidak bertentangan dapat dieksekusi secara paralel secara langsung, transaksi yang memiliki hubungan ketergantungan akan dijadwalkan secara serial atau ditunda sesuai urutan topologis. Grafik ketergantungan memastikan konsistensi status dan penulisan yang tidak berulang selama proses eksekusi paralel.

Eksekusi Asinkron dan Mekanisme Callback

B

Secara keseluruhan, MegaETH memecahkan model mesin status single-thread EVM tradisional, mewujudkan pengemasan mikro-vm berdasarkan akun, melakukan penjadwalan transaksi melalui grafik ketergantungan status, dan menggunakan mekanisme pesan asinkron sebagai pengganti tumpukan panggilan sinkron. Ini adalah platform komputasi paralel yang dirancang ulang dari "struktur akun → arsitektur penjadwalan → alur eksekusi" dalam dimensi penuh, memberikan ide baru yang bersifat paradigma untuk membangun sistem on-chain berkinerja tinggi generasi berikutnya.

MegaETH memilih jalur rekonstruksi: sepenuhnya mengabstraksi akun dan kontrak menjadi VM yang independen, melalui penjadwalan eksekusi asinkron untuk melepaskan potensi paralel yang ekstrem. Secara teoritis, batas paralel MegaETH lebih tinggi, tetapi juga lebih sulit untuk mengendalikan kompleksitas, lebih mirip dengan sistem operasi terdistribusi super di bawah konsep Ethereum.

Monad dan MegaETH memiliki filosofi desain yang cukup berbeda dari sharding: sharding memecah blockchain secara horizontal menjadi beberapa sub-chain independen, di mana setiap sub-chain bertanggung jawab atas sebagian transaksi dan status, memecahkan batasan single-chain dalam perluasan lapisan jaringan; sementara Monad dan MegaETH mempertahankan integritas single-chain, hanya melakukan perluasan horizontal di lapisan eksekusi, yang memungkinkan eksekusi paralel maksimum di dalam single-chain untuk mendorong kinerja. Keduanya mewakili dua arah dalam jalur perluasan blockchain yang terdiri dari penguatan vertikal dan perluasan horizontal.

Proyek komputasi paralel seperti Monad dan MegaETH terutama berfokus pada jalur optimasi throughput, dengan tujuan utama meningkatkan TPS di dalam rantai, melalui eksekusi tertunda dan arsitektur mikro mesin virtual untuk mencapai pemrosesan paralel tingkat transaksi atau akun. Sementara itu, Pharos Network adalah jaringan blockchain L1 paralel modular dan full-stack, dengan mekanisme komputasi paralelnya yang disebut "Rollup Mesh". Arsitektur ini mendukung lingkungan multi-mesin virtual (EVM dan Wasm) melalui kerja sama antara jaringan utama dan jaringan pemrosesan khusus (SPNs), serta mengintegrasikan teknologi canggih seperti bukti nol pengetahuan (ZK) dan lingkungan eksekusi tepercaya (TEE).

Analisis Mekanisme Komputasi Paralel Rollup Mesh:

1. Pemrosesan saluran asinkron sepanjang siklus hidup: Pharos memisahkan setiap tahap transaksi dan menggunakan metode pemrosesan asinkron, sehingga setiap tahap dapat dilakukan secara independen dan paralel, sehingga meningkatkan efisiensi pemrosesan secara keseluruhan.
2. Eksekusi paralel dua mesin virtual: Pharos mendukung dua lingkungan mesin virtual EVM dan WASM, memungkinkan pengembang untuk memilih lingkungan eksekusi yang sesuai berdasarkan kebutuhan. Arsitektur dual VM ini tidak hanya meningkatkan fleksibilitas sistem, tetapi juga meningkatkan kemampuan pemrosesan transaksi melalui eksekusi paralel.
3. Jaringan Penanganan Khusus (SPNs): SPNs adalah komponen kunci dalam arsitektur Pharos, mirip dengan sub-jaringan modular, yang dirancang khusus untuk menangani jenis tugas atau aplikasi tertentu. Melalui SPNs, Pharos dapat mencapai alokasi sumber daya yang dinamis dan pemrosesan tugas secara paralel, sehingga lebih meningkatkan skalabilitas dan kinerja sistem.
4. Konsensus Modular dan Mekanisme Staking Ulang: Pharos memperkenalkan mekanisme konsensus yang fleksibel, mendukung berbagai model konsensus, dan mewujudkan berbagi aman antara mainnet dan SPNs serta integrasi sumber daya melalui protokol staking ulang.

Selain itu, Pharos melalui pohon Merkle multi-versi, pengkodean diferensial, penanganan versi, dan teknologi penurunan ADS, merekonstruksi model eksekusi dari dasar mesin penyimpanan, meluncurkan mesin penyimpanan berkinerja tinggi blockchain asli Pharos Store, mencapai throughput tinggi, latensi rendah, dan verifikasi kuat di on-chain.