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Web3の並列計算の全景：EVMチェーンが性能の限界を突破する5つのパラダイム
Web3パラレルコンピューティングトラックの全景図：ネイティブスケーリングの最良のソリューションは？
ブロックチェーンの「不可能な三角形」「安全性」、「非中央集権」、「スケーラビリティ」は、ブロックチェーンシステム設計における本質的なトレードオフを明らかにしており、つまり、ブロックチェーンプロジェクトは「極限の安全、誰もが参加できる、高速処理」を同時に実現することが難しいことを示しています。「スケーラビリティ」という永遠のテーマに関して、現在市場に出ている主流のブロックチェーン拡張ソリューションは、パラダイムによって区別されています。
ブロックチェーンのスケーリングソリューションには、オンチェーンの並列計算、Rollup、シャーディング、DAモジュール、モジュラー構造、アクターシステム、zk証明圧縮、Statelessアーキテクチャなどが含まれ、実行、状態、データ、構造の複数のレベルをカバーしており、「多層協調、モジュールの組み合わせ」の完全なスケーリングシステムです。本稿では、並列計算を主流としたスケーリング方法について重点的に紹介します。
チェーン内の並列計算は、ブロック内部のトランザクション/命令の並列実行に注目しています。並列メカニズムによって分類すると、そのスケーラビリティの方法は5つの大きなカテゴリに分けられ、それぞれが異なる性能の追求、開発モデル、アーキテクチャの哲学を表しています。順に並列の粒度が細かくなり、並列強度が高まり、スケジューリングの複雑さも増し、プログラミングの複雑性と実装の難易度も高まります。
チェーン外の非同期並行モデルで、Actorエージェントシステムを代表とし、これは別の並列計算のパラダイムに属します。クロスチェーン/非同期メッセージシステムとして、各エージェントは独立して動作する「エージェントプロセス」として、非同期メッセージ、イベント駆動、同期スケジューリングを必要とせずに並行して動作します。代表的なプロジェクトにはAO、ICP、Cartesiなどがあります。
私たちがよく知るRollupやシャーディングのスケーリングソリューションは、システムレベルの並行処理メカニズムに属し、チェーン内の並列計算には含まれません。これらは「複数のチェーン/実行ドメインを並行して運用する」ことでスケーリングを実現し、単一のブロック/仮想マシン内部の並行度を向上させるわけではありません。このようなスケーリングソリューションは本記事の重点ではありませんが、アーキテクチャの理念の違いを比較する際に依然として使用します。
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二、EVMシステムの並行強化チェーン：互換性の中で性能の限界を突破する
イーサリアムのシリアル処理アーキテクチャは、これまでにシャーディング、ロールアップ、モジュラーアーキテクチャなどの複数の拡張試みを経てきましたが、実行層のスループットボトルネックは依然として根本的な突破口を見出していません。しかしその一方で、EVMとSolidityは現在最も開発者基盤とエコシステムのポテンシャルを持つスマートコントラクトプラットフォームです。したがって、EVM系の並行強化チェーンはエコシステムの互換性と実行性能の向上を兼ね備えた重要な道筋として、新たな拡張進化の重要な方向になりつつあります。MonadとMegaETHはこの方向性において最も代表的なプロジェクトであり、それぞれ遅延実行と状態分解から出発し、高い同時実行性と高スループットのシナリオに向けたEVMの並行処理アーキテクチャを構築しています。
Monadの並列計算メカニズムの解析
Monadは、Ethereum仮想マシンのために再設計された高性能Layer1ブロックチェーンであり、パイプライン処理（Pipelining）という基本的な並列概念に基づいて、合意層では非同期実行（Asynchronous Execution）、実行層では楽観的並行処理（Optimistic Parallel Execution）を実現しています。また、合意層とストレージ層において、Monadはそれぞれ高性能BFTプロトコル（MonadBFT）と専用データベースシステム（MonadDB）を導入し、エンドツーエンドの最適化を実現しています。
パイプライン：マルチステージパイプライン並列実行メカニズム
パイプライン処理はモナドの並行実行の基本理念であり、その核心思想はブロックチェーンの実行プロセスを複数の独立した段階に分割し、これらの段階を並行して処理することで、立体的なパイプラインアーキテクチャを形成することです。各段階は独立したスレッドまたはコアで実行され、ブロックを超えた並行処理を実現し、最終的にスループットを向上させ、遅延を低減する効果を達成します。これらの段階には、取引提案（Propose）、コンセンサスの達成（Consensus）、取引の実行（Execution）、およびブロックのコミット（Commit）が含まれます。
非同期実行：コンセンサス - 実行の非同期デカップリング
従来のブロックチェーンでは、取引のコンセンサスと実行は通常、同期プロセスであり、この直列モデルは性能の拡張を著しく制限します。Monadは「非同期実行」により、コンセンサス層の非同期、実行層の非同期、およびストレージの非同期を実現しました。ブロック時間と確認遅延を大幅に削減し、システムの弾力性を高め、処理プロセスをより細分化し、リソースの利用率を向上させます。
コアデザイン：
オプティミスティック並列実行
従来のイーサリアムは、状態の競合を避けるために厳格な直列モデルを取っています。一方、Monadは「楽観的並行実行」戦略を採用しており、取引処理速度を大幅に向上させています。
実行メカニズム：
Monadは互換性のあるパスを選択しました：EVMルールをできるだけ動かさず、実行中に状態の書き込みを遅延させ、動的に競合を検出することで並行性を実現します。まるで性能向上版のイーサリアムのようで、成熟度が高くEVMエコシステムの移行が容易であり、EVMの世界の並行加速器です。
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MegaETHの並列計算解析
Monadとは異なるL1の位置付けとして、MegaETHはEVM互換のモジュラー高性能並列実行レイヤーとして位置付けられており、独立したL1パブリックチェーンとしても、Ethereum上の実行強化レイヤーまたはモジュラーコンポーネントとしても機能します。その核心設計目標は、アカウントロジック、実行環境、状態を分離して独立してスケジューリング可能な最小単位に構成し、チェーン内での高い同時実行性と低遅延の応答能力を実現することです。MegaETHが提案する重要な革新は、Micro-VMアーキテクチャとState Dependency DAG（有向非循環状態依存グラフ）およびモジュラー同期メカニズムであり、これらが共同で「チェーン内スレッド化」を目指す並列実行システムを構築します。
マイクロVM（微仮想マシン）アーキテクチャ：アカウントはスレッドである
MegaETHは「各アカウントに1つのミニ仮想マシン」という実行モデルを導入し、実行環境を「スレッド化」して並行スケジューリングのための最小隔離単位を提供します。これらのVMは非同期メッセージ通信を通じて相互に通信し、同期呼び出しではありません。多数のVMは独立して実行・独立して保存でき、自然に並行します。
状態依存DAG：依存グラフ駆動のスケジューリングメカニズム
MegaETHは、アカウントステータスアクセス関係に基づくDAGスケジューリングシステムを構築しました。このシステムは、リアルタイムでグローバル依存グラフを維持し、各取引がどのアカウントを変更し、どのアカウントを読み取るかを依存関係としてモデル化します。衝突のない取引は直接並行して実行でき、依存関係のある取引はトポロジー順に直列または遅延してスケジュールされます。依存グラフは、並行実行中の状態の一貫性と非重複書き込みを保証します。
非同期実行とコールバックメカニズム
MegaETHは非同期プログラミングのパラダイムに基づいて構築されており、Actor Modelに似た非同期メッセージングを使用して、従来のEVMの直列呼び出しの問題を解決します。コントラクトの呼び出しは非同期であり、コントラクトAからB、BからCへの呼び出しの際に、各呼び出しが非同期化され、ブロックして待つ必要はありません。呼び出しスタックは非同期呼び出しグラフに展開されます。取引処理は=非同期グラフのトラバース + 依存関係の解決 + 並行スケジューリングです。
要するに、MegaETHは従来のEVM単一スレッド状態機械モデルを打破し、アカウント単位でマイクロバーチャルマシンのカプセル化を実現し、状態依存グラフを通じて取引スケジューリングを行い、非同期メッセージメカニズムを同期コールスタックの代わりに使用しています。これは「アカウント構造 → スケジューリングアーキテクチャ → 実行フロー」の全次元で再設計された並列計算プラットフォームであり、次世代の高性能なオンチェーンシステムを構築するためのパラダイムレベルの新しいアイデアを提供します。
MegaETHは再構築パスを選択しました：アカウントと契約を完全に独立したVMとして抽象化し、非同期実行スケジューリングを通じて極限の並列ポテンシャルを解放します。理論的には、MegaETHの並列上限はより高いですが、複雑さを制御するのが難しく、Ethereumの理念に基づくスーパー分散オペレーティングシステムのようになります。
MonadとMegaETHの設計理念は、シャーディング（Sharding）とは大きく異なります。シャーディングはブロックチェーンを横に切り分けて複数の独立したサブチェーンを作り、各サブチェーンが一部の取引と状態を担当し、単一チェーンの制限を打破してネットワーク層での拡張を実現します。一方、MonadとMegaETHは単一チェーンの完全性を保持し、実行層での横方向の拡張にのみ注力し、単一チェーン内部での極限的な並行実行の最適化を通じて性能を突破します。両者はブロックチェーンの拡張経路における縦の強化と横の拡張の二つの方向を代表しています。
MonadとMegaETHなどの並列計算プロジェクトは、主にスループット最適化パスに集中しており、チェーン内のTPSを向上させることを核心目標としています。遅延実行とマイクロバーチャルマシンアーキテクチャを通じて、取引レベルまたはアカウントレベルの並列処理を実現しています。一方、Pharos Networkはモジュール化された全スタックのL1ブロックチェーンネットワークであり、そのコア並列計算メカニズムは「Rollup Mesh」と呼ばれています。このアーキテクチャは、メインネットと特殊処理ネットワーク（SPN）の協調作業を通じて、複数のバーチャルマシン環境（EVMおよびWasm）をサポートし、ゼロ知識証明（ZK）や信頼実行環境（TEE）などの先進技術を統合しています。
ロールアップ メッシュ並列計算解析:
さらに、Pharosは多バージョンMerkleツリー、差分符号化、バージョンアドレッシング、及びADSダウンデジテクノロジーを通じて、ストレージエンジンの底層から実行モデルを再構築し、ネイティブブロックチェーンの高性能ストレージエンジンPharos Storeをリリースしました。これにより、高スループット、低遅延、強い検証可能なオンチェーン処理が実現されました。