Web3 Paralel Hesaplama Alanı Panorama Haritası: Yerel Ölçeklenmenin En İyi Çözümü mü?

1. Paralel Hesaplama Teknolojisinin Blok Zinciri Ölçeklendirmedeki Yeri ve Değeri

Blockchain'in "imkansız üçgeni" (Blockchain Trilemma) "güvenlik", "merkeziyetsizlik" ve "ölçeklenebilirlik" olarak adlandırılan unsurlar, blockchain sistem tasarımındaki temel dengeyi ortaya koymaktadır; bu da blockchain projelerinin "maksimum güvenlik, herkesin katılımı, hızlı işlem" hedeflerinin aynı anda gerçekleştirilmesinin zor olduğunu göstermektedir. "Ölçeklenebilirlik" konusuna gelince, şu anda piyasada bulunan ana akım blockchain ölçekleme çözümleri paradigmalarına göre sınıflandırılmaktadır, bunlar arasında:

• Gelişmiş genişletme uygulaması: Yerinde yürütme yeteneklerini artırmak, örneğin paralel, GPU, çok çekirdekli
• Durum İzolasyonlu Ölçekleme: Yatay Bölme Durumu/Shard, örneğin parçalama, UTXO, çoklu alt ağ
• Zincir dışı dış kaynaklı ölçekleme: yürütmeyi zincir dışına taşımak, örneğin Rollup, Coprocessor, DA
• Yapı çözümlemesi genişlemesi: Mimari modüler, iş birliği içinde çalışıyor, örneğin modül zinciri, paylaşılan sıralayıcı, Rollup Mesh
• Asenkron eşzamanlı genişleme: Aktör modeli, süreç izolasyonu, mesaj odaklı, örneğin akıllı ajanlar, çoklu iş parçacığı asenkron zinciri

Blok zinciri ölçeklendirme çözümleri arasında: zincir içi paralel hesaplama, Rollup, parçalama, DA modülü, modüler yapı, Aktör sistemi, zk kanıt sıkıştırma, Stateless mimarisi gibi unsurlar bulunmaktadır. Bu unsurlar, yürütme, durum, veri ve yapı gibi birçok katmanı kapsamaktadır ve "çok katmanlı işbirliği, modül kombinasyonu" olan tamamlayıcı bir ölçeklendirme sistemi oluşturmaktadır. Bu makalede, ana akım olarak paralel hesaplamayı temel alan ölçeklendirme yöntemine odaklanılacaktır.

Zincir içi paralel hesaplama ( intra-chain parallelism ), blok içindeki işlemlerin/komutların paralel yürütülmesine odaklanır. Paralel mekanizmalara göre sınıflandırıldığında, ölçeklendirme yöntemleri beş ana kategoriye ayrılabilir; her bir kategori farklı performans hedeflerini, geliştirme modellerini ve mimari felsefelerini temsil eder. Paralel parçacık boyutu giderek daha ince, paralel yoğunluğu giderek daha yüksek, planlama karmaşıklığı da giderek daha yüksek, programlama karmaşıklığı ve uygulama zorluğu da giderek daha yüksektir.

• Hesap düzeyinde paralel (Account-level): Solana projesini temsil eder
• Nesne düzeyinde paralellik (Object-level): Sui projesini temsil eder
• İşlem seviyesinde paralellik (Transaction-level): Projeleri Monad, Aptos temsil eder.
• Çağrı seviyesi / MikroVM paralel (Call-level / MicroVM): MegaETH projesini temsil eder.
• Talimat seviyesinde paralellik (Instruction-level): GatlingX projesini temsil eder

Zincir dışı asenkron eşzamanlı model, Aktör akıllı ajan sistemi (Agent / Actor Model) ile temsil edilmektedir. Bu, başka bir paralel hesaplama paradigmasına aittir ve zincirler arası/asenkron mesaj sistemleri (blok zinciri senkronizasyon modeli değil) olarak işlev görür. Her bir Ajan, bağımsız bir "akıllı ajan süreci" olarak çalışır ve asenkron mesajlar, olay tetikleme ve senkronizasyon zamanlaması gerektirmeksizin paralel olarak işler. Temsilci projeler arasında AO, ICP, Cartesi vb. bulunmaktadır.

Ve sıkça duyduğumuz Rollup veya shardleme ölçeklendirme çözümleri, sistem düzeyinde bir eşzamanlılık mekanizmasıdır ve zincir içi paralel hesaplama ile ilgili değildir. Bu çözümler, "birden fazla zinciri/işletim alanını paralel olarak çalıştırarak" ölçeklendirme sağlar, tek bir blok/virtuelleştirilmiş makine içindeki paralellik derecesini artırmak yerine. Bu tür ölçeklendirme çözümleri, bu makalenin odak noktası değildir ancak mimari kavramların karşılaştırılmasında yine de kullanılacaktır.

İki, EVM tabanlı paralel artırıcı zincir: Uyumlulukta performans sınırlarını aşmak

Ethereum'un seri işleme mimarisi, parçalama, Rollup, modüler mimari gibi birçok genişleme denemesi ile gelişti, ancak yürütme katmanındaki throughput dar boğazı hala köklü bir atılım gerçekleştiremedi. Ancak bu sırada, EVM ve Solidity hâlâ mevcut en güçlü geliştirici tabanına ve ekosistem potansiyeline sahip akıllı sözleşme platformlarıdır. Bu nedenle, ekosistem uyumluluğunu ve yürütme performansını artırmayı amaçlayan EVM tabanlı paralel geliştirme zinciri, yeni bir genişleme evriminin önemli yönü haline gelmektedir. Monad ve MegaETH, sırasıyla gecikmeli yürütme ve durum ayrıştırması ile yüksek eşzamanlılık ve yüksek throughput senaryolarına yönelik EVM paralel işleme mimarisini inşa etmekte olan bu yöndeki en temsilci projelerdir.

Monad'ın paralel hesaplama mekanizması analizi

Monad, Ethereum Sanal Makinesi (EVM) için yeniden tasarlanmış yüksek performanslı bir Layer1 blok zinciridir. Temel paralel işleme fikri olan pipeline işleme (Pipelining) üzerine inşa edilmiştir. Konsensüs katmanında asenkron yürütme (Asynchronous Execution), yürütme katmanında ise iyimser paralel yürütme (Optimistic Parallel Execution) uygulanmaktadır. Ayrıca, konsensüs ve depolama katmanlarında, Monad yüksek performanslı BFT protokolü (MonadBFT) ve özel veritabanı sistemi (MonadDB) getirmiştir ve uçtan uca optimizasyon sağlamaktadır.

Pipelining: Çok aşamalı boru hattı paralel yürütme mekanizması

Pipelining, Monad'ın paralel yürütme temel ilkesidir. Temel düşüncesi, blockchain'in yürütme sürecini birkaç bağımsız aşamaya ayırmak ve bu aşamaları paralel olarak işlemek, çok katmanlı bir boru hattı mimarisi oluşturmaktır. Aşamalar, bağımsız iş parçacıkları veya çekirdekler üzerinde çalışarak, bloklar arası eşzamanlı işleme gerçekleştirir ve nihayetinde throughput'u artırmayı ve gecikmeyi azaltmayı hedefler. Bu aşamalar arasında; işlem önerisi (Propose), mutabakat sağlama (Consensus), işlem yürütme (Execution) ve blok onaylama (Commit) bulunmaktadır.

Asenkron İcra: Konsensüs - İcra Asenkron Ayrıştırma

Geleneksel blok zincirinde, işlem mutabakatı ve yürütme genellikle senkron bir süreçtir; bu seri model, performans ölçeklenmesini ciddi şekilde kısıtlar. Monad, "asenkron yürütme" ile mutabakat katmanını asenkron, yürütme katmanını asenkron ve depolamayı asenkron hale getirmiştir. Blok zamanını (block time) ve onay gecikmesini önemli ölçüde azaltarak sistemi daha esnek hale getirir, işlem süreçlerini daha ayrıntılı hale getirir ve kaynak kullanım oranını artırır.

Kilit Tasarım:

• Konsensüs süreci (konsensüs katmanı) yalnızca işlemleri sıralamakla sorumludur, sözleşme mantığını yerine getirmez.
• İcra süreci (icra katmanı) konsensüs tamamlandıktan sonra asenkron olarak tetiklenir.
• Konsensüs tamamlandıktan sonra hemen bir sonraki blok konsensüs sürecine geçilir, yürütme tamamlanmasını beklemeye gerek yoktur.

İyimser Paralel İşlem: İyimser Paralel İcra

Geleneksel Ethereum, durum çakışmalarını önlemek için işlemlerin yürütülmesinde katı bir seri model kullanır. Oysa Monad, işlem işleme hızını önemli ölçüde artıran "iyimser paralel yürütme" stratejisini benimser.

Uygulama Mekanizması:

• Monad, çoğu işlem arasında durum çatışması olmadığını varsayarak tüm işlemleri iyimser bir şekilde paralel olarak yürütür.
• Aynı anda bir "Çatışma Dedektörü (Conflict Detector))" çalıştırarak işlemler arasında aynı duruma erişilip erişilmediğini (örneğin, okuma/yazma çatışmaları) izler.
• Çatışma tespit edilirse, çatışma işlemleri sıralı olarak yeniden yürütülecek ve durumun doğruluğu sağlanacaktır.

Monad, uyumlu bir yol seçti: EVM kurallarını mümkün olduğunca az değiştirmek, yürütme sürecinde durumu yazmayı geciktirerek ve çakışmaları dinamik olarak tespit ederek paralellik sağlamak, daha çok performans odaklı bir Ethereum gibi, olgunluğu iyi olan EVM ekosisteminin göçünü kolaylaştırıyor, EVM dünyasının paralel hızlandırıcısı.

MegaETH'nin paralel hesaplama mekanizmasının analizi

Monad'tan farklı olarak, MegaETH, EVM uyumlu modüler yüksek performanslı paralel yürütme katmanı olarak konumlandırılmaktadır. Hem bağımsız bir L1 halka zinciri olarak hem de Ethereum üzerindeki yürütme artırma katmanı (Execution Layer) veya modüler bileşen olarak kullanılabilir. Temel tasarım hedefi, hesap mantığını, yürütme ortamını ve durumu ayrıştırarak bağımsız olarak planlanabilen en küçük birimlere dönüştürmektir. Bu sayede zincir içindeki yüksek eşzamanlı yürütme ve düşük gecikme yanıt yeteneği sağlanmaktadır. MegaETH'in önerdiği temel yenilik, Micro-VM mimarisi + State Dependency DAG (yönlendirilmiş asiklik durum bağımlılık grafiği) ve modüler senkronizasyon mekanizmasıdır; bunlar birlikte "zincir içi iş parçacıklaştırma" odaklı bir paralel yürütme sistemi oluşturur.

Micro-VM (mikro sanal makine) mimarisi: hesap bir iş parçacığıdır

MegaETH, "her hesap için bir mikro sanal makine (Micro-VM)" yürütme modelini tanıtarak yürütme ortamını "iş parçacıklı" hale getirir ve paralel zamanlama için en küçük yalıtım birimini sağlar. Bu VM'ler, senkron çağrılar yerine asenkron mesajlaşma (Asynchronous Messaging) yoluyla iletişim kurar, bu sayede çok sayıda VM bağımsız olarak çalışabilir ve bağımsız olarak depolanabilir, doğal olarak paraleldir.

Eyalet Bağımlılığı DAG: Bağımlılık Grafiği Tabanlı Zamanlama Mekanizması

MegaETH, hesap durumu erişim ilişkilerine dayalı bir DAG zamanlama sistemi inşa etmiştir. Sistem, her zaman bir küresel bağımlılık grafiğini (Dependency Graph) gerçek zamanlı olarak sürdürmektedir. Her işlem, hangi hesapların değiştirildiğini ve hangi hesapların okunduğunu tam olarak bağımlılık ilişkisi olarak modellemektedir. Çatışma içermeyen işlemler doğrudan paralel olarak gerçekleştirilebilirken, bağımlılık ilişkisi olan işlemler topolojik sıraya göre sıralanacak veya ertelenecektir. Bağımlılık grafiği, paralel yürütme sürecindeki durum tutarlılığını ve tekrarlanan yazmayı garanti eder.

Asenkron yürütme ve geri çağırma mekanizması

B

Sonuç olarak, MegaETH, geleneksel EVM tek iş parçacıklı durum makinesi modelini kırarak, hesaplar bazında mikro sanal makine kapsüllemesi gerçekleştirmekte, durum bağımlılık grafiği aracılığıyla işlem zamanlaması yapmakta ve senkron çağrı yığınları yerine asenkron mesaj mekanizması kullanmaktadır. Bu, "hesap yapısı → zamanlama mimarisi → yürütme süreci" tüm boyutlarıyla yeniden tasarlanmış bir paralel hesaplama platformudur ve bir sonraki nesil yüksek performanslı zincir içi sistemlerin inşası için paradigmada yeni bir yaklaşım sunmaktadır.

MegaETH, hesapları ve sözleşmeleri bağımsız bir VM'ye tamamen soyutlayarak yeniden yapılandırma yolunu seçti ve aşamalı yürütme zamanlamasıyla son derece paralel potansiyeli serbest bırakmayı hedefliyor. Teorik olarak, MegaETH'nin paralel üst sınırı daha yüksek, ancak karmaşıklığı kontrol etmek de daha zor; bu, Ethereum felsefesi altında süper dağıtılmış bir işletim sistemine daha çok benziyor.

Monad ve MegaETH'nin tasarım felsefeleri, parçalama (Sharding) ile büyük ölçüde farklılık göstermektedir: parçalama, blok zincirini yatay olarak birden fazla bağımsız alt zincire (parçalar Shards) böler, her alt zincir belirli işlemler ve durumlar ile ilgilenir, tek zincir sınırlamalarını ağ katmanında aşar; oysa Monad ve MegaETH tek zincir bütünlüğünü koruyarak sadece yürütme katmanında yatay genişleme sağlamakta, tek zincir içinde maksimum paralel yürütme optimizasyonları ile performansı artırmaktadır. Her iki yaklaşım, blok zinciri genişleme yollarındaki dikey güçlendirme ve yatay genişleme yönlerini temsil etmektedir.

Monad ve MegaETH gibi paralel hesaplama projeleri, zincir içi TPS'yi artırma hedefiyle throughput optimizasyonu yollarına odaklanmaktadır. Bu, işlem düzeyinde veya hesap düzeyinde paralel işleme gerçekleştirmek için Gecikmeli Yürütme (Deferred Execution) ve Mikro Sanal Makine (Micro-VM) mimarisi aracılığıyla sağlanmaktadır. Pharos Network ise modüler, tam yığın paralel bir L1 blockchain ağıdır ve temel paralel hesaplama mekanizması "Rollup Mesh" olarak adlandırılmaktadır. Bu mimari, ana ağ ile özel işleme ağlarının (SPN'ler) işbirliği yoluyla, çoklu sanal makine ortamlarını (EVM ve Wasm) desteklemekte ve sıfır bilgi kanıtı (ZK), güvenilir yürütme ortamı (TEE) gibi ileri teknolojileri birleştirmektedir.

Rollup Mesh paralel hesaplama mekanizması analizi:

1. Tam Yaşam Döngüsü Asenkron Boru Hattı İşlemi (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos, işlemin çeşitli aşamalarını (örneğin, konsensüs, yürütme, depolama) birbirinden ayırır ve asenkron işleme yöntemini benimser, böylece her aşama bağımsız ve paralel bir şekilde gerçekleştirilebilir ve bu da genel işlem verimliliğini artırır.
2. İki Sanal Makine Paralel Çalıştırma (Dual VM Parallel Execution): Pharos, EVM ve WASM olmak üzere iki sanal makine ortamını destekler ve geliştiricilerin ihtiyaçlarına göre uygun çalışma ortamını seçmelerine olanak tanır. Bu çift VM mimarisi, sistemin esnekliğini artırmakla kalmaz, aynı zamanda paralel çalıştırma ile işlem işleme kapasitesini de artırır.
3. Özel İşlem Ağı (SPN'ler): SPN'ler, Pharos mimarisinin kilit bileşenleridir ve belirli türdeki görevler veya uygulamalar için özel olarak tasarlanmış modüler alt ağlar gibidir. SPN'ler aracılığıyla, Pharos dinamik kaynak tahsisi ve görevlerin paralel işlenmesini gerçekleştirerek sistemin ölçeklenebilirliğini ve performansını daha da artırmaktadır.
4. Modüler Konsensüs ve Yeniden Stake Etme Mekanizması (Modular Consensus & Restaking): Pharos, çeşitli konsensüs modellerini (örneğin PBFT, PoS, PoA) destekleyen esnek bir konsensüs mekanizması sunar ve yeniden stake etme protokolü (Restaking) aracılığıyla ana ağ ile SPN'ler arasında güvenli paylaşım ve kaynak entegrasyonu sağlar.

Ayrıca, Pharos çoklu versiyonlu Merkle ağaçları, delta kodlama (Delta Encoding), versiyon adresleme (Versioned Addressing) ve ADS aşağı itme (ADS Pushdown) teknolojileri aracılığıyla, depolama motorunun alt katmanlarını yeniden yapılandırarak yerel blok zinciri yüksek performanslı depolama motoru Phar'ı tanıttı.