Báo cáo nghiên cứu sâu về tính toán song song Web3: Con đường cuối cùng của mở rộng bản địa

Lời mở đầu: Mở rộng là một vấn đề vĩnh cửu, song song là chiến trường cuối cùng

Hệ thống blockchain từ khi ra đời đã phải đối mặt với vấn đề cốt lõi là mở rộng quy mô. Hiệu suất của Bitcoin và Ethereum không thể so sánh với các hệ thống Web2 truyền thống. Đây không phải là vấn đề đơn giản chỉ cần tăng số lượng máy chủ là có thể giải quyết, mà xuất phát từ những hạn chế hệ thống trong thiết kế cơ sở của blockchain - "phi tập trung, an ninh, khả năng mở rộng" tam khó khăn.

Trong mười năm qua, chúng ta đã chứng kiến vô số nỗ lực mở rộng, từ cuộc tranh luận mở rộng Bitcoin đến phân đoạn Ethereum, từ kênh trạng thái đến Rollup và blockchain mô-đun. Rollup, như một giải pháp mở rộng chính hiện nay, mặc dù đã đạt được sự tăng vọt về TPS, nhưng vẫn chưa chạm tới giới hạn thực sự của "hiệu suất chuỗi đơn" ở tầng blockchain, đặc biệt là ở khía cạnh thực thi vẫn bị giới hạn bởi tính toán tuần tự trong chuỗi.

Tính toán song song trong chuỗi đang dần trở thành tâm điểm của ngành. Nó cố gắng hoàn toàn tái cấu trúc động cơ thực thi trong khi giữ nguyên tính nguyên tử của chuỗi đơn, nâng cấp blockchain từ "thực thi giao dịch theo chuỗi" lên hệ thống đồng thời cao "đa luồng + ống dẫn + lập lịch phụ thuộc". Điều này không chỉ có khả năng mang lại hàng trăm lần nâng cao thông lượng, mà còn có thể trở thành nền tảng quan trọng cho sự bùng nổ của ứng dụng hợp đồng thông minh.

Tính toán song song thách thức mô hình cơ bản của việc thực thi hợp đồng thông minh, định nghĩa lại logic cơ bản của việc đóng gói giao dịch, truy cập trạng thái, quan hệ gọi và bố trí lưu trữ. Mục tiêu của nó không chỉ là nâng cao thông lượng, mà còn cung cấp cơ sở hạ tầng bền vững thực sự cho các ứng dụng gốc Web3 trong tương lai.

Khi đường đua Rollup trở nên đồng nhất, việc song song trong chuỗi đang trở thành biến số quyết định trong cuộc cạnh tranh Layer1 của chu kỳ mới. Đây không chỉ là cuộc đua về công nghệ, mà còn là cuộc chiến giành lấy mô hình. Nền tảng thực thi chủ quyền thế hệ tiếp theo của thế giới Web3 rất có thể sẽ ra đời từ cuộc vật lộn song song này trong chuỗi.

Toàn cảnh mô hình mở rộng: Năm loại lộ trình, mỗi loại có trọng điểm riêng

Mở rộng là một trong những vấn đề quan trọng, liên tục và khó khăn nhất trong sự tiến hóa của công nghệ chuỗi công khai, đã thúc đẩy sự xuất hiện và biến đổi của hầu hết các con đường công nghệ chủ đạo trong gần mười năm qua. Bắt đầu từ cuộc tranh cãi về kích thước khối của Bitcoin, cuộc đua công nghệ về "làm thế nào để cho chuỗi hoạt động nhanh hơn" cuối cùng đã phân hóa thành năm con đường cơ bản, mỗi con đường đều tiếp cận nút thắt từ những góc độ khác nhau, có triết lý công nghệ riêng, độ khó trong việc triển khai, mô hình rủi ro và các tình huống áp dụng riêng.

Lớp đầu tiên của lộ trình là mở rộng chuỗi trực tiếp nhất, đại diện cho các phương pháp như tăng kích thước khối, rút ngắn thời gian tạo khối, hoặc nâng cao khả năng xử lý thông qua tối ưu hóa cấu trúc dữ liệu và cơ chế đồng thuận. Cách thức này giữ lại sự đơn giản của tính nhất quán chuỗi đơn, dễ hiểu và triển khai, nhưng cũng dễ dàng chạm tới các rủi ro tập trung, chi phí vận hành nút tăng lên, độ khó đồng bộ tăng cao và các giới hạn hệ thống khác. Do đó, trong thiết kế ngày nay, nó không còn là giải pháp cốt lõi chủ đạo, mà trở thành một sự kết hợp hỗ trợ cho các cơ chế khác.

Lộ trình loại hai là mở rộng ngoài chuỗi, đại diện cho các kênh trạng thái và chuỗi bên. Ý tưởng cơ bản của con đường này là chuyển hầu hết các hoạt động giao dịch ra ngoài chuỗi, chỉ ghi lại kết quả cuối cùng vào chuỗi chính, chuỗi chính đóng vai trò là tầng thanh toán cuối cùng. Mặc dù ý tưởng này về lý thuyết có thể mở rộng khả năng thông lượng vô hạn, nhưng mô hình tin cậy của giao dịch ngoài chuỗi, tính an toàn của quỹ, độ phức tạp trong tương tác và các vấn đề khác đã hạn chế việc áp dụng của nó.

Lộ trình loại ba là lộ trình Layer2 Rollup được ưa chuộng nhất và được triển khai rộng rãi hiện nay. Phương pháp này đạt được khả năng mở rộng thông qua cơ chế thực thi ngoài chuỗi và xác thực trên chuỗi. Optimistic Rollup và ZK Rollup đều có những lợi thế riêng: cái trước thực hiện nhanh, tương thích cao, nhưng gặp phải vấn đề về độ trễ trong thời gian thách thức và cơ chế chứng minh gian lận; cái sau có độ an toàn cao, khả năng nén dữ liệu tốt, nhưng phát triển phức tạp, độ tương thích EVM không đủ.

Loại đường đi thứ tư là kiến trúc blockchain mô-đun đã nổi lên trong những năm gần đây, đại diện như Celestia, Avail, EigenLayer, v.v. Hướng đi này ủng hộ việc tách biệt hoàn toàn các chức năng cốt lõi của blockchain - thực thi, đồng thuận, khả năng truy cập dữ liệu, và thanh toán - để nhiều chuỗi chuyên biệt thực hiện các chức năng khác nhau, sau đó kết hợp lại thành một mạng có khả năng mở rộng thông qua giao thức đa chuỗi.

Lớp cuối cùng của lộ trình là tối ưu hóa đường đi tính toán song song trong chuỗi. Khác với bốn loại trước chủ yếu thực hiện "phân tách ngang" từ góc độ cấu trúc, tính toán song song nhấn mạnh "nâng cấp dọc", tức là trong một chuỗi duy nhất thông qua việc thay đổi kiến trúc của động cơ thực thi, đạt được xử lý đồng thời các giao dịch nguyên tử. Solana là dự án đầu tiên đưa khái niệm VM song song vào hệ thống cấp chuỗi. Trong khi đó, các dự án thế hệ mới như Monad, Sei, Fuel, MegaETH,... thì cố gắng tiến xa hơn nữa khi áp dụng các ý tưởng tiên tiến như thực thi theo đường ống, đồng thời lạc quan, phân vùng lưu trữ, tách rời song song, xây dựng lõi thực thi hiệu suất cao tương tự như CPU hiện đại.

Bản đồ phân loại tính toán song song: Năm con đường từ tài khoản đến lệnh

Trong bối cảnh công nghệ mở rộng blockchain liên tục tiến hóa, tính toán song song dần trở thành con đường cốt lõi để đạt được hiệu suất vượt trội. Xuất phát từ mô hình thực thi, nhìn lại sự phát triển của hệ thống công nghệ này, chúng ta có thể xây dựng một sơ đồ phân loại rõ ràng về tính toán song song, có thể chia thành năm con đường công nghệ: tính toán song song cấp tài khoản, tính toán song song cấp đối tượng, tính toán song song cấp giao dịch, tính toán song song cấp máy ảo và tính toán song song cấp lệnh. Năm con đường này từ thô đến tinh, vừa là quá trình tinh chỉnh logic song song, vừa là con đường mà độ phức tạp của hệ thống và độ khó lập lịch không ngừng gia tăng.

Tài khoản cấp độ song song xuất hiện sớm nhất, đại diện cho mô hình của Solana. Mô hình này dựa trên thiết kế tách biệt tài khoản-trạng thái, thông qua phân tích tĩnh tập hợp tài khoản liên quan trong giao dịch, xác định xem có mối quan hệ xung đột hay không. Nếu hai giao dịch truy cập vào tập hợp tài khoản không chồng chéo, có thể thực hiện song song trên nhiều lõi. Cơ chế này rất phù hợp để xử lý các giao dịch có cấu trúc rõ ràng, đầu vào đầu ra rõ ràng, đặc biệt là các chương trình có đường đi dự đoán như DeFi. Nhưng giả định tự nhiên của nó là việc truy cập tài khoản có thể dự đoán, trạng thái phụ thuộc có thể suy diễn tĩnh, điều này khiến nó dễ xuất hiện các vấn đề thực thi bảo thủ và giảm độ song song khi đối mặt với hợp đồng thông minh phức tạp.

Dựa trên mô hình tài khoản, chúng ta tiếp tục tinh chỉnh hơn nữa, tiến vào cấp độ kỹ thuật song song theo đối tượng. Song song theo đối tượng giới thiệu trừu tượng ngữ nghĩa của tài nguyên và mô-đun, thực hiện lập lịch đồng thời theo đơn vị "đối tượng trạng thái" có độ chi tiết cao hơn. Aptos và Sui là những nhà khám phá quan trọng trong hướng này, đặc biệt là Sui thông qua hệ thống kiểu tuyến tính của ngôn ngữ Move, định nghĩa quyền sở hữu và tính biến đổi của tài nguyên ngay trong thời gian biên dịch, từ đó cho phép kiểm soát chính xác xung đột truy cập tài nguyên trong thời gian chạy. Cách tiếp cận này so với song song cấp tài khoản có tính tổng quát và khả năng mở rộng cao hơn, có thể bao trùm logic đọc ghi trạng thái phức tạp hơn, và phục vụ tự nhiên cho các cảnh cao độ đa dạng như trò chơi, mạng xã hội, AI.

Một cấp độ song song ở cấp độ giao dịch cao hơn đang được khám phá bởi các chuỗi hiệu suất cao thế hệ mới như Monad, Sei, Fuel. Con đường này không còn lấy trạng thái hoặc tài khoản làm đơn vị song song tối thiểu, mà xây dựng đồ thị phụ thuộc xung quanh toàn bộ giao dịch. Nó coi giao dịch như một đơn vị thao tác nguyên tử, xây dựng đồ thị giao dịch thông qua phân tích tĩnh hoặc động, và dựa vào bộ lập lịch để thực hiện luồng song song. Thiết kế này cho phép hệ thống tối đa hóa khả năng khai thác song song mà không cần hiểu hoàn toàn cấu trúc trạng thái cơ sở. Monad đặc biệt nổi bật, kết hợp kiểm soát đồng thời lạc quan, lập lịch luồng song song, và thực thi không theo thứ tự, cùng với các công nghệ của động cơ cơ sở dữ liệu hiện đại, giúp thực thi chuỗi gần hơn với hình thức "bộ lập lịch GPU".

Và mức độ song song của máy ảo sẽ tích hợp khả năng thực thi đồng thời trực tiếp vào logic lập lịch lệnh của VM, nhằm phá vỡ hoàn toàn những hạn chế cố hữu của việc thực thi tuần tự EVM. MegaETH, như một "thí nghiệm máy ảo siêu" trong hệ sinh thái Ethereum, đang cố gắng thiết kế lại EVM để nó hỗ trợ thực thi mã hợp đồng thông minh đa luồng đồng thời. Ở cấp độ cơ sở, thông qua việc thực thi phân đoạn, phân cách trạng thái, gọi không đồng bộ và các cơ chế khác, cho phép mỗi hợp đồng hoạt động độc lập trong các ngữ cảnh thực thi khác nhau, và nhờ vào lớp đồng bộ song song để đảm bảo tính nhất quán cuối cùng.

Loại đường dẫn cuối cùng, tức là mức độ chi tiết nhất, có rào cản kỹ thuật cao nhất là song song cấp lệnh. Ý tưởng này bắt nguồn từ việc thực thi không theo thứ tự và ống dẫn lệnh trong thiết kế CPU hiện đại. Mô hình này cho rằng, vì mỗi hợp đồng thông minh cuối cùng đều được biên dịch thành lệnh bytecode, nên hoàn toàn có thể phân tích lịch trình và tái sắp xếp song song cho từng thao tác giống như CPU thực hiện tập lệnh x86. Nhóm Fuel đã bước đầu giới thiệu mô hình thực thi có thể tái sắp xếp cấp lệnh trong FuelVM của họ, và về lâu dài, một khi động cơ thực thi blockchain thực hiện dự đoán và tái sắp xếp động cho các phụ thuộc lệnh, độ song song của nó sẽ đạt đến giới hạn lý thuyết.

Hai lĩnh vực chính được phân tích sâu: Monad vs MegaETH

Trong quá trình tiến hóa đa đường của tính toán song song, hai hướng công nghệ chính mà thị trường hiện đang tập trung nhiều nhất, được kêu gọi nhiều nhất và có câu chuyện rõ ràng nhất, không nghi ngờ gì nữa, là "xây dựng chuỗi tính toán song song từ con số không" đại diện bởi Monad, và "cách mạng song song bên trong EVM" đại diện bởi MegaETH. Cả hai không chỉ là hướng nghiên cứu mà các kỹ sư nguyên thủy tiền điện tử hiện tại đang đầu tư mạnh mẽ nhất, mà còn là hai biểu tượng chắc chắn nhất trong cuộc cạnh tranh hiệu suất máy tính Web3 hiện nay.

Monad là một "nguyên tắc tính toán thuần túy", triết lý thiết kế của nó không nhằm mục đích tương thích với EVM hiện có, mà lấy cảm hứng từ cơ sở dữ liệu hiện đại và hệ thống đa lõi hiệu suất cao, để định nghĩa lại cách thức hoạt động cơ bản của động cơ thực thi blockchain. Hệ thống công nghệ cốt lõi của nó dựa trên kiểm soát đồng thời lạc quan, lập lịch DAG giao dịch, thực thi không theo thứ tự, và các cơ chế xử lý hàng loạt trưởng thành trong lĩnh vực cơ sở dữ liệu, nhằm nâng cao hiệu suất xử lý giao dịch của chuỗi lên tới triệu TPS. Trong kiến trúc Monad, việc thực thi và sắp xếp giao dịch hoàn toàn được tách rời, hệ thống trước tiên xây dựng đồ thị phụ thuộc giao dịch, sau đó để cho bộ lập lịch thực hiện song song theo quy trình. Tất cả các giao dịch đều được coi là đơn vị nguyên tử giao dịch, có tập hợp đọc/ghi rõ ràng và ảnh chụp trạng thái, bộ lập lịch thực hiện lạc quan dựa trên đồ thị phụ thuộc, và khi xảy ra xung đột, sẽ quay lại và thực hiện lại.

Và điều quan trọng hơn là, Monad không từ bỏ khả năng tương tác với EVM. Nó hỗ trợ các nhà phát triển viết hợp đồng bằng cú pháp Solidity thông qua một lớp trung gian tương tự như "Ngôn ngữ trung gian tương thích với Solidity", đồng thời tiến hành tối ưu hóa ngôn ngữ trung gian và lập lịch song song trong động cơ thực thi. Chiến lược thiết kế "tương thích bề mặt, tái cấu trúc dưới đáy" này, vừa giữ lại sự thân thiện với các nhà phát triển trong hệ sinh thái Ethereum, vừa có thể giải phóng tối đa tiềm năng thực thi bên dưới, là một chiến lược công nghệ điển hình của "nuốt EVM, rồi tái cấu trúc nó".

Khác với tư thế "người xây dựng thế giới mới" của Monad, MegaETH là một loại dự án hoàn toàn ngược lại, nó chọn xuất phát từ thế giới hiện có của Ethereum, với chi phí thay đổi tối thiểu để đạt được sự nâng cao lớn về hiệu suất thực thi. MegaETH không lật đổ tiêu chuẩn EVM, mà cố gắng tích hợp khả năng tính toán song song vào động cơ thực thi EVM hiện có, tạo ra một phiên bản tương lai "EVM đa nhân". Nguyên lý cơ bản của nó là tái cấu trúc hoàn toàn mô hình thực thi lệnh EVM hiện tại, cho phép nó có khả năng cách ly cấp luồng, thực thi bất đồng bộ cấp hợp đồng, phát hiện xung đột truy cập trạng thái, từ đó cho phép nhiều hợp đồng thông minh chạy đồng thời trong cùng một khối và cuối cùng hợp nhất các thay đổi trạng thái. Mô hình này yêu cầu các nhà phát triển không cần thay đổi hợp đồng Solidity hiện có, cũng không cần sử dụng ngôn ngữ hoặc công cụ mới, chỉ cần triển khai cùng một hợp đồng trên chuỗi MegaETH là có thể đạt được lợi ích hiệu suất đáng kể.

Đột phá cốt lõi của MegaETH nằm ở cơ chế lập lịch đa luồng VM của nó. EVM truyền thống sử dụng mô hình thực thi đơn luồng theo kiểu ngăn xếp, mỗi lệnh được thực hiện tuyến tính, và việc cập nhật trạng thái phải diễn ra đồng bộ. MegaETH đã phá vỡ mô hình này, giới thiệu ngăn xếp gọi bất đồng bộ và cơ chế cách ly ngữ cảnh thực thi, từ đó thực hiện "ngữ cảnh EVM đồng thời" để thực thi. Mỗi hợp đồng có thể gọi logic của chính nó trong một luồng độc lập, trong khi tất cả các luồng khi cuối cùng cam kết trạng thái sẽ thông qua lớp đồng bộ song song để kiểm tra và hội tụ xung đột trạng thái. Cơ chế này rất giống với mô hình đa luồng JavaScript của trình duyệt hiện đại, vừa giữ lại tính xác định của hành vi luồng chính, vừa giới thiệu cơ chế lập lịch hiệu suất cao bất đồng bộ ở phía sau.

Hơn nữa, MegaETH chọn gắn bó sâu sắc với hệ sinh thái Ethereum, địa điểm chính trong tương lai của nó rất có thể là mạng EVM L2 Rollup nào đó, như Optimism, Base hoặc