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

I. Vị trí và giá trị của công nghệ tính toán song song trong việc mở rộng blockchain

"Tam giác không thể" của blockchain (Blockchain Trilemma) "an toàn", "phi tập trung" và "khả năng mở rộng" tiết lộ sự đánh đổi thiết yếu trong thiết kế hệ thống blockchain, tức là các dự án blockchain rất khó để thực hiện đồng thời "an toàn tuyệt đối, mọi người đều có thể tham gia, xử lý nhanh chóng". Đối với "khả năng mở rộng", một chủ đề vĩnh cửu, hiện tại các giải pháp mở rộng blockchain phổ biến trên thị trường được phân loại theo các mô hình, bao gồm:

• Thực hiện mở rộng hiệu suất nâng cao: Nâng cao 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, chẳng hạn như phân mảnh, UTXO, nhiều mạng con
• Mở rộng kiểu thuê ngoài chuỗi: đưa việc thực thi ra bên ngoài chuỗi, ví dụ như Rollup, Coprocessor, DA
• Mở rộng kiểu tách cấu trúc: mô-đun kiến trúc, vận hành phối hợp, ví dụ như chuỗi mô-đun, bộ sắp xếp chia sẻ, Rollup Mesh
• Mở rộng theo kiểu đồng thời bất đồng bộ: Mô hình Actor, phân cách 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 gồm nhiều cấp độ như thực thi, trạng thái, dữ liệu và cấu trúc, là một hệ thống mở rộng "hợp tác đa tầng, kết hợp mô-đun" hoàn chỉnh. Bài viết này sẽ tập trung giới thiệu phương thức mở rộng 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 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, mô hình phát triển và triết lý kiến trúc khác nhau, lần lượt độ mịn của hạt song song ngày càng nhỏ, cường độ song song ngày càng cao, độ phức tạp của lịch trình cũng ngày càng cao, cũng như độ phức tạp lập trình và khó khăn trong việc thực hiện ngày càng tăng.

• Song song cấp tài khoản (Account-level): đại diện cho dự án Solana
• Song song 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 bất đồng bộ đồng thời ngoài chuỗi, đại diện là hệ thống tác nhân thông minh (Mô hình Tác nhân / Actor), thuộc một loại hình thức tính toán song song khác, như một hệ thống tin nhắn chéo chuỗi / bất đồng bộ (mô hình không đồng bộ của chuỗi khối), mỗi Tác nhân hoạt động như một "tiến trình thông minh" độc lập, theo cách thức đồng thời bất đồng bộ tin nhắn, điều khiển sự kiện, không cần lập lịch đồng bộ, các dự án đại diện có AO, ICP, Cartesi, v.v.

Các giải pháp mở rộng mà chúng ta đều quen thuộc như Rollup hoặc phân đoạn thuộc cơ chế đồng thời cấp hệ thống, không thuộc tính toán song song trong chuỗi. Chúng thực hiện việc mở rộng thông qua "chạy song song nhiều chuỗi/ miền thực thi" thay vì nâng cao độ song song bên trong một khối/ máy ảo duy nhất. Các 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 khác biệt trong 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 trải qua nhiều vòng thử nghiệm mở rộng như phân đoạn, Rollup, và kiến trúc mô-đun, nhưng vẫn chưa có bước đột phá căn bản về nút thắt thông lượng ở lớp thực thi. Trong khi đó, 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 đang trở thành con đường quan trọng trong sự tiến hóa mở rộng mới, với sự cân bằng giữa tính tương thích sinh thái và cải thiện hiệu suất thực thi. 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 hướng tới các kịch bản đồng thời cao và thông lượng lớn dựa trên thực thi trễ và phân tích trạng thái.

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 tắc xử lý theo chuỗi (Pipelining) cơ bản của xử lý song song, thực hiện thực thi bất đồng bộ (Asynchronous Execution) ở lớp đồng thuận và thực thi đồng thời lạc quan (Optimistic Parallel Execution) ở lớp thực thi. Ngoài ra, ở lớp 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 nguyên lý cơ bản của việc thực thi song song trong Monad, ý tưởng cốt lõi là chia quy trình thực thi của blockchain thành nhiều giai đoạn độc lập và xử lý các giai đoạn này song song, hình thành một kiến trúc ống dẫn ba chiều, mỗi giai đoạn hoạt động 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 được sự đồng thuận (Consensus), Thực thi giao dịch (Execution) và Cam kết khối (Commit).

Thực hiện bất đồng bộ: Tách rời đồng thuận - thực hiện bất 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 nghiêm trọng hạn chế khả năng mở rộng hiệu suất. Monad đạt được sự đồng thuận bất đồng bộ thông qua "thực thi bất đồng bộ", đồng thuận lớp và lớp 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 linh hoạt hơn, quy trình xử lý 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.
• Quy trình thực thi (tầng thực thi) được kích hoạt không đồng bộ sau khi hoàn thành đồng thuận.
• Sau khi hoàn thành đồng thuận sẽ ngay lập tức vào quy trình đồng thuận khối tiếp theo, không cần chờ đợi việc thực hiện hoàn tất.

Thực thi song song lạc quan：乐观并行执行

Ethereum truyền thống áp dụng mô hình tuần tự nghiêm ngặt cho việc thực hiện giao dịch nhằm tránh xung đột trạng thái. Trong khi đó, Monad áp dụng chiến lược "thực hiện song song lạc quan", giúp tăng tốc độ xử lý giao dịch đáng kể.

Cơ chế thực hiện:

• Monad sẽ thực hiện tất cả các giao dịch một cách lạc quan và song song, 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 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 lại và thực hiện lại, đảm bảo tính chính xác của trạng thái.

Monad đã chọn con đường tương thích: cố gắng ít thay đổi quy tắc EVM nhất có thể, trong quá trình thực hiện thông qua việc hoãn ghi trạng thái, phát hiện xung đột động để đạt được 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 trong 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 với EVM, có thể vừa là chuỗi công cộng L1 độc lập, vừa là lớp tăng cường thực thi trên Ethereum 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 phản hồi có độ trễ thấp. Sáng kiến chính mà MegaETH đưa ra là: kiến trúc Micro-VM + DAG phụ thuộc trạng thái (đồ thị phụ thuộc trạng thái có hướng không chu trình) và cơ chế đồng bộ mô-đun, cùng nhau xây dựng hệ thống thực thi song song hướng tới "đa luồng trong chuỗi".

Kiến trúc Micro-VM (Máy Ảo Nhỏ): Tài khoản là luồng

MegaETH giới thiệu mô hình thực thi "một máy ảo vi mô (Micro-VM) cho mỗi tài khoản", làm cho môi trường thực thi trở thành "đa luồng", cung cấp đơn vị cách ly tối thiểu cho lập lịch đồng thời. Những VM này giao tiếp với nhau thông qua tin nhắn bất đồng bộ (Asynchronous Messaging), thay vì gọi đồng bộ, cho phép nhiều VM thực thi độc lập, lưu trữ độc lập, một cách 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 được mô hình hóa thành mối quan hệ phụ thuộc. Các giao dịch không xung đột có thể được thực hiện song song ngay lập tức, 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 chép lại trong quá trình thực hiện song song.

Thực thi bất đồng bộ và cơ chế gọi lại

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 tiến hành 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 tất cả các khía cạnh, cung cấp một hướng đi mới mang tính mẫu mực cho việc xây dựng hệ thống chuỗi cao cấp 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 ưu. 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 triết lý của Ethereum.

Cả Monad và MegaETH đều có triết lý thiết kế rất khác với phân mảnh (Sharding): phân mảnh chia blockchain thành nhiều chuỗi con độc lập (phân mảnh Shards), mỗi chuỗi con chịu trách nhiệm cho một phần giao dịch và trạng thái, phá vỡ giới hạn của chuỗi đơn trong việc mở rộng ở cấp độ mạng; trong khi đó, Monad và MegaETH đều duy trì tính toàn vẹn của chuỗi đơn, chỉ mở rộng theo chiều ngang ở tầng 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 cốt lõi là nâng cao TPS trong chuỗi, thông qua việc thực hiện trì hoãn (Deferred Execution) và kiến trúc vi máy ảo (Micro-VM) để thực hiện xử lý song song ở cấp giao dịch hoặc cấp tài khoản. Trong khi đó, Pharos Network là một mạng lưới blockchain L1 song song toàn diện và mô-đun, cơ chế tính toán song song cốt lõi của nó được gọi là "Rollup Mesh". Kiến trúc này hỗ trợ môi trường nhiều 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), môi trường thực thi đáng tin cậy (TEE) và nhiều công nghệ khác.

Phân tích cơ chế tính toán song song Rollup Mesh:

1. Xử lý đường ống bất đồng bộ theo vòng đời toàn bộ (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos tách rời các giai đoạn của giao dịch (như đồng thuận, thực hiện, lưu trữ) và áp 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 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 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, 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 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 ký quỹ (Modular Consensus & Restaking): Pharos đã 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 ký quỹ (Restaking) để thực hiện chia sẻ an toàn và tích hợp tài nguyên giữa mạng chính và SPNs.

Ngoài ra, Pharos đã tái cấu trúc mô hình thực thi từ tầng lưu trữ bằng cách sử dụng các phiên bản Merkle tree, mã hóa khác biệt (Delta Encoding), địa chỉ phiên bản (Versioned Addressing) và công nghệ đẩy ADS (ADS Pushdown), giới thiệu động cơ lưu trữ hiệu suất cao trên blockchain nguyên bản Phar.