Web3の並列計算の5つの道を探る:ネイティブスケーリングの究極のソリューション

Web3並列計算デプス研究報告:ネイティブスケーリングの究極の道

前言:拡張は永遠の命題であり、並行は究極の戦場である

ブロックチェーンシステムは誕生以来、拡張性という核心的な問題に直面しています。ビットコインとイーサリアムのパフォーマンスボトルネックは、従来のWeb2システムに比べてはるかに劣っています。これは単にサーバーを増やすことで解決できる問題ではなく、ブロックチェーンの基盤設計におけるシステム的な制約、すなわち「分散化、安全性、スケーラビリティ」の三重のジレンマに起因しています。

10年間、私たちは無数のスケーリング試行を目撃してきました。ビットコインのスケーリング争いからイーサリアムのシャーディング、ステートチャンネルからRollupやモジュラーブロックチェーンまで。Rollupは現在の主流のスケーリングソリューションとして、TPSの大幅な向上を実現しましたが、ブロックチェーンの基盤となる「単一チェーンの性能」の真の限界には達しておらず、特に実行レイヤーは依然としてチェーン内の逐次計算に制約されています。

チェーン内並列計算は徐々に業界の焦点となっています。それは、単一チェーンの原子性を維持しながら、実行エンジンを根本的に再構築し、ブロックチェーンを「逐次トランザクションの直列実行」から「マルチスレッド+パイプライン+依存スケジューリング」の高並列システムにアップグレードしようとしています。これは、数百倍のスループット向上をもたらす可能性があるだけでなく、スマートコントラクトアプリケーションの爆発的な普及の重要な基盤となる可能性があります。

並列計算は、スマートコントラクトの実行の根本的なパターンに挑戦し、取引のパッケージング、状態アクセス、呼び出し関係、ストレージレイアウトの基本的な論理を再定義します。その目標はスループットを向上させるだけでなく、将来のWeb3ネイティブアプリケーションに真に持続可能なインフラ支援を提供することです。

Rollupの競技が同質化していく中で、チェーン内の並行処理が新しい周期のLayer1競争の決定的な要素となりつつある。これは単なる技術競争ではなく、パラダイムの争奪戦でもある。Web3の世界における次世代の主権実行プラットフォームは、このチェーン内の並行処理の力比べから生まれる可能性が高い。

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拡張パラダイムの全景図:5つのルート、各々の重点

スケーリングは、パブリックブロックチェーン技術の進化の中で最も重要で、最も持続的で、最も難しい課題の一つとして、ここ10年でほぼすべての主流技術経路の出現と進化を促しました。ビットコインのブロックサイズを巡る争いから始まった、「チェーンをより速く走らせる方法」に関するこの技術競争は、最終的に5つの基本的なルートに分化しました。それぞれのルートは、異なる角度からボトルネックに切り込み、各自の技術哲学、実現の難易度、リスクモデル、および適用シーンを持っています。

第一類ルートは最も直接的なオンチェーンのスケーリングであり、代表的な手法はブロックサイズの増加、ブロック生成時間の短縮、またはデータ構造とコンセンサス機構の最適化による処理能力の向上です。この方法は単一チェーンの整合性のシンプルさを保持し、理解と展開が容易ですが、中央集権リスク、ノードの運用コストの上昇、同期の難易度の増加などのシステム的上限に触れやすいため、今日の設計ではもはや主流の核心的なソリューションではなく、他のメカニズムの補助的な組み合わせとなっています。

第二のルートはオフチェーンのスケーリングで、代表的なものはステートチャンネルとサイドチェーンです。この種類のルートの基本的な考え方は、ほとんどの取引活動をオフチェーンに移し、最終結果のみをメインチェーンに書き込むことです。メインチェーンは最終的な清算レイヤーとして機能します。この考え方は理論的には無限にスループットを拡張できる可能性がありますが、オフチェーン取引の信頼モデル、資金の安全性、インタラクションの複雑さなどの問題により、その適用は制限されています。

第三のルートは、現在最も人気があり、最も広く展開されているLayer2 Rollupルートです。この方式は、オフチェーン実行とオンチェーン検証のメカニズムを通じてスケーリングを実現します。Optimistic RollupとZK Rollupはそれぞれ利点があります:前者は高速で互換性が高いですが、チャレンジ期間の遅延と詐欺証明メカニズムの問題があります;後者はセキュリティが強く、データ圧縮能力が優れていますが、開発が複雑でEVM互換性が不足しています。

第四のタイプのルートは、近年登場したモジュラーブロックチェーンアーキテクチャであり、Celestia、Avail、EigenLayerなどが代表例です。この方向性は、ブロックチェーンのコア機能 - 実行、コンセンサス、データの可用性、決済 - を完全にデカップリングし、複数の専門チェーンが異なる機能を果たし、それらをクロスチェーンプロトコルで組み合わせてスケーラブルなネットワークを形成することを提唱しています。

最後の種類のルートは、チェーン内の並列計算最適化パスです。前の4つの種類が主に構造的な観点から「横方向の分割」を行うのとは異なり、並列計算は「縦方向のアップグレード」を強調します。つまり、単一のチェーン内部で実行エンジンのアーキテクチャを変更することによって、原子取引の同時処理を実現します。Solanaは、並列VMの概念をチェーンレベルのシステムに最初に実装したプロジェクトです。そして、Monad、Sei、Fuel、MegaETHなどの新世代プロジェクトは、パイプライン実行、楽観的並列処理、ストレージパーティショニング、並列デカップリングなどの最先端のアイデアを導入し、現代のCPUに類似した高性能の実行コアを構築することをさらに試みています。

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並行計算分類図譜:アカウントから命令への五大パス

ブロックチェーンのスケーリング技術が進化し続ける文脈において、並列計算は性能突破の核心的な道筋となりつつあります。実行モデルから出発し、この技術系譜の発展の脈絡を振り返ると、私たちは明確な並列計算の分類図を整理することができ、これは大まかに5つの技術的な道筋に分けることができます:アカウントレベルの並列、オブジェクトレベルの並列、トランザクションレベルの並列、仮想マシンレベルの並列、そして命令レベルの並列です。この5つの道筋は、粗粒度から細粒度へと進むものであり、並列論理の不断の細分化プロセスであると同時に、システムの複雑さとスケジューリングの難易度が絶えず上昇する道筋でもあります。

最初に登場したアカウントレベルのパラレル処理は、Solanaを代表とするパラダイムです。このモデルはアカウント-ステートのデカップリング設計に基づいており、トランザクションに関与するアカウントの集合を静的分析することで、競合関係が存在するかどうかを判断します。もし二つのトランザクションがアクセスするアカウントの集合が重複しない場合、複数のコアで並行して実行できます。このメカニズムは、構造が明確で、入力と出力が明瞭なトランザクションを処理するのに非常に適しています。特にDeFiのような予測可能なパスのプログラムに対してです。しかし、自然な仮定としてアカウントアクセスが予測可能であり、ステート依存性が静的に推論できることが求められるため、複雑なスマートコントラクトに直面したときには、保守的な実行や並行性の低下という問題が発生しやすくなります。

アカウントモデルに基づいてさらに詳細化すると、オブジェクトレベルの並列技術の層に入ります。オブジェクトレベルの並列は、リソースとモジュールの意味的抽象を導入し、より細かいグラニュラリティの「状態オブジェクト」を単位として並行スケジューリングを行います。AptosとSuiはこの方向での重要な探求者であり、特に後者はMove言語の線形型システムを通じて、コンパイル時にリソースの所有権と可変性を定義することで、ランタイムでのリソースアクセスの衝突を正確に制御することを可能にします。この方法はアカウントレベルの並列に比べて、より汎用性と拡張性が高く、より複雑な状態の読み書きロジックをカバーでき、ゲーム、ソーシャル、AIなどの高い異種度のシーンに自然にサービスを提供します。

さらに進んだトランザクションレベルの並行処理は、Monad、Sei、Fuelを代表とする新世代の高性能チェーンが探求する方向です。この道はもはや状態やアカウントを最小の並行単位として扱うのではなく、取引トランザクション自体を中心に依存グラフを構築します。取引を原子操作単位と見なし、静的または動的分析を通じて取引グラフを構築し、スケジューラーに依存して並行パイプライン実行を行います。この設計により、システムは基盤となる状態構造を完全に理解する必要なしに、並行性を最大限に引き出すことが可能になります。Monadは特に注目すべきで、楽観的並行制御、並行パイプラインスケジューリング、乱数実行などの現代のデータベースエンジン技術を組み合わせ、チェーンの実行を"GPUスケジューラー"のパラダイムにより近づけます。

そして、仮想マシンレベルの並行処理は、並行実行能力をVMの基本指令スケジューリングロジックに直接組み込むことで、EVMの系列実行の制約を根本的に突破することを目指しています。MegaETHは、イーサリアムエコシステム内の「スーパー仮想マシン実験」として、EVMを再設計し、マルチスレッドの並行実行をサポートすることを試みています。その基盤は、セグメント実行、状態隔離、非同期呼び出しなどのメカニズムを通じて、各契約が異なる実行コンテキストで独立して実行され、並行同期層を利用して最終的な一貫性を確保します。

最後のカテゴリのパス、すなわち最も細かい粒度で、技術的なハードルが最も高い命令レベルの並列処理。これは、現代のCPU設計におけるアウトオーダー実行と命令パイプラインに由来する考え方です。このパラダイムは、各スマートコントラクトが最終的にバイトコード命令にコンパイルされる以上、CPUがx86命令セットを実行するように、各操作をスケジューリング分析し、並列再配置することが完全に可能であると考えています。Fuelチームは、そのFuelVMに命令レベルの再配置可能な実行モデルを初めて導入しており、長期的には、ブロックチェーン実行エンジンが命令依存の予測実行と動的再配置を実現すれば、その並列度は理論的な限界に達するでしょう。

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2つのメイントラックを深く掘り下げる:Monad vs MegaETH

並列計算の進化における多重の道筋の中で、現在の市場で最も注目され、声が高く、物語が最も完全な2つの主要な技術ルートは、間違いなくMonadを代表とする「ゼロから並列計算チェーンを構築する」ことと、MegaETHを代表とする「EVM内部の並列革命」です。これら2つは、現在の暗号原則エンジニアが最も集中的に投入している研究開発の方向性であり、また現在のWeb3コンピュータ性能競争において最も確実な2極の象徴でもあります。

Monadは徹底的な"計算原教旨主義者"であり、その設計哲学は既存のEVMとの互換性を目的とせず、現代のデータベースや高性能マルチコアシステムからインスピレーションを得て、ブロックチェーン実行エンジンの基盤運用方式を再定義します。そのコア技術体系は楽観的同時制御、トランザクションDAGスケジューリング、乱序実行、バッチ処理パイプラインなどのデータベース分野の成熟したメカニズムに依存し、チェーンのトランザクション処理性能を百万TPSレベルまで引き上げることを目指しています。Monadアーキテクチャでは、トランザクションの実行と順序付けが完全にデカップリングされ、システムはまずトランザクション依存グラフを構築し、その後スケジューラーによってパイプライン並列実行が行われます。すべてのトランザクションはトランザクション原子単位として扱われ、明確な読み書き集合と状態スナップショットを持ち、スケジューラーは依存グラフに基づいて楽観的実行を行い、衝突が発生した場合にはロールバックと再実行を行います。

より重要なのは、MonadがEVMとの相互運用性を放棄していないことです。これは「Solidity-Compatible Intermediate Language」に似た中間層を通じて、開発者がSolidity構文で契約を作成できるようにし、同時に実行エンジンで中間言語の最適化と並列スケジューリングを行います。この「表層互換、底層再構築」の設計戦略により、Ethereumエコシステムの開発者に対する友好性を維持しつつ、底層実行の可能性を最大限に引き出すことができ、典型的な「EVMを飲み込み、次に再構築する」という技術戦略です。

Monadの「新世界構築者」とは異なり、MegaETHは完全に反対のタイプのプロジェクトです。これは、Ethereumの既存の世界から出発し、非常に小さな変更コストで実行効率を大幅に向上させることを選択しました。MegaETHはEVM仕様を覆すのではなく、既存のEVM実行エンジンに並列計算の能力を組み込むことを目指し、「マルチコアEVM」の未来版を作り出そうとしています。その基本原理は、現在のEVM命令実行モデルを徹底的に再構築し、スレッドレベルの隔離、コントラクトレベルの非同期実行、状態アクセスの競合検出などの能力を備え、複数のスマートコントラクトが同一区画内で同時に実行され、最終的に状態変更を統合できるようにすることです。このモデルは、開発者が既存のSolidityコントラクトを変更する必要がなく、新しい言語やツールチェーンを使用することなく、MegaETHチェーン上にデプロイされた同じコントラクトを通じて、顕著な性能向上を得ることを要求します。

MegaETHのコアの突破は、そのVMのマルチスレッドスケジューリングメカニズムにあります。従来のEVMはスタックベースのシングルスレッド実行モデルを採用しており、各命令は線形に実行され、状態の更新は同期的に発生する必要があります。しかし、MegaETHはこのモデルを打破し、非同期呼び出しスタックと実行コンテキストの分離メカニズムを導入することで、「並行EVMコンテキスト」の同時実行を実現しました。各契約は独立したスレッドで自身のロジックを呼び出すことができ、すべてのスレッドが最終的に状態を提出する際には、並行同期層を通じて状態の衝突検出と収束を統一的に行います。このメカニズムは、現代のブラウザのJavaScriptマルチスレッドモデルに非常に似ており、主スレッドの動作の決定性を保持しつつ、バックグラウンドの非同期高性能スケジューリングメカニズムを導入しています。

更に重要なのは、MegaETHがイーサリアムエコシステムと深く結びつくことを選択したことであり、その未来の主要な着地点は、Optimism、BaseなどのEVM L2 Rollupネットワークのいずれかである可能性が高い。

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コメント
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TokenDustCollectorvip
· 07-30 08:30
また話題に便乗しているのか、シリアルを理解しましたか?
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OfflineNewbievip
· 07-30 08:30
拡張することになると、みんながますます派手になっていく。
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SnapshotLaborervip
· 07-30 08:28
またまた拡張するのか? 車輪を作ることは永遠に止まらない
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GweiTooHighvip
· 07-30 08:09
巻きが早すぎてL2が追いつけない
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ApeWithNoFearvip
· 07-30 08:05
下手で大口を叩く
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