Bản đồ toàn cảnh về đường đua tính toán song song Web3: Giải pháp mở rộng bản địa tốt nhất?

Tam giác "không thể" của blockchain (Blockchain Trilemma) "an ninh", "phi tập trung", "khả năng mở rộng" tiết lộ những thỏa hiệp cốt lõi trong thiết kế hệ thống blockchain, tức là các dự án blockchain rất khó để đạt được "an toàn tuyệt đối, mọi người có thể tham gia, xử lý nhanh chóng" cùng một lúc. Đối với chủ đề vĩnh cửu "khả năng mở rộng", hiện nay các giải pháp mở rộng blockchain chính trên thị trường được phân loại theo các mô hình, bao gồm:

• Thực hiện mở rộng cải tiến: Nâng cao khả năng thực thi tại chỗ, chẳng hạn như song song, GPU, đa lõi
• Mở rộng cách ly trạng thái: Phân tách trạng thái theo chiều ngang / Shard, chẳng hạn như phân đoạn, UTXO, nhiều mạng con
• Mở rộng kiểu thuê ngoài không trên chuỗi: đưa việc thực hiện ra ngoài chuỗi, ví dụ như Rollup, Coprocessor, DA
• Kiến trúc mở rộng tách rời cấu trúc: mô-đun kiến trúc, hoạt động phối hợp, chẳng hạn như chuỗi mô-đun, bộ sắp xếp chia sẻ, Rollup Mesh
• Mở rộng kiểu đồng thời bất đồng bộ: Mô hình Actor, cách ly 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 trùm nhiều cấp độ như thực thi, trạng thái, dữ liệu, 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 chủ yếu dựa trên tính toán song song.

Tính toán song song trong chuỗi (intra-chain parallelism), chú ý đến việc thực thi song song giao dịch / lệnh bên trong khối. Theo cơ chế song song, phương pháp 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, độ phân giải song song lần lượt càng trở nên tinh vi hơn, cường độ song song càng cao, độ phức tạp của lập lịch cũng ngày càng tăng, độ phức tạp lập trình và độ khó thực hiện cũng ngày càng cao.

• Song song cấp tài khoản (Account-level): đại diện cho dự án Solana
• Song song mức 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 / Micro VM song song (Call-level / MicroVM): đại diện cho dự án MegaETH
• Song song theo cấp lệnh (Instruction-level): Đại diện cho dự án GatlingX

Mô hình đồng thời không đồng bộ ngoài chuỗi, đại diện là hệ thống thông minh Actor (Mô hình Agent / Actor), thuộc một kiểu mô hình tính toán song song khác, như một hệ thống tin nhắn xuyên chuỗi / không đồng bộ (mô hình không đồng bộ khối), mỗi Agent là một "tiến trình thông minh" hoạt động độc lập, theo cách đồng thời không đồng bộ tin nhắn, sự kiện điều khiển, không cần lập lịch đồng bộ, các dự án đại diện bao gồm AO, ICP, Cartesi, v.v.

Và các giải pháp mở rộng mà chúng ta quen thuộc như Rollup hoặc chia tách, thuộc về cơ chế đồng thời cấp hệ thống, không thuộc về tính toán song song trong chuỗi. Chúng thực hiện việc mở rộng thông qua "chạy song song nhiều chuỗi / miền thực thi" chứ không phải nâng cao độ song song bên trong một khối / máy ảo đơn lẻ. Các giải pháp mở rộng này không phải là trọng tâm của bài viết này nhưng chúng tôi vẫn sẽ sử dụng chúng để so sánh sự tương đồng trong 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 cơ bản về nút thắt công suất ở tầng thực thi. Tuy nhiên, 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 đã trở thành con đường quan trọng cho sự phát triển mở rộng mới, cân bằng giữa tính tương thích sinh thái và việc nâng cao hiệu suất thực thi. Monad và MegaETH là hai dự án đại diện cho hướng đi này, lần lượt xây dựng kiến trúc xử lý song song EVM nhằm phục vụ cho các tình huống có tính đồng thời cao và thông lượng lớn, từ việc thực thi trì hoãn 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 lý song song cơ bản là xử lý theo dòng (Pipelining), thực hiện thực thi không đồng bộ ở lớp đồng thuận (Asynchronous Execution), và thực thi song song 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), đạt được tối ưu hóa từ đầu đến cuối.

Pipelining: Cơ chế thực thi song song nhiều giai đoạn

Pipelining là ý tưởng cơ bản của việc thực hiện song song Monad, với tư tưởng cốt lõi là phân tách quy trình thực thi của blockchain thành nhiều giai đoạn độc lập và xử lý các giai đoạn này song song, hình thành cấu trúc ống dẫn ba chiều, mỗi giai đoạn hoạt động trên các luồng hoặc nhân độc lập, thực hiện xử lý đồng thời qua các khối, cuối cùng đạt được hiệu quả nâng cao thông lượng và giảm độ trễ. Các 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 thi bất đồng bộ: Đồng thuận - Thực thi tách rời bất đồng bộ

Trong chuỗi truyền thống, sự đồng thuận và thực thi giao dịch thường là quá trình đồng bộ, mô hình tuần tự này nghiêm trọng hạn chế khả năng mở rộng hiệu suất. Monad đã đạt được sự đồng thuận bất đồng bộ, thực thi bất đồng bộ và lưu trữ bất đồng bộ thông qua «thực thi 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 chi tiết hơn và tỷ lệ sử dụng tài nguyên cao hơn.

Thiết kế cốt lõi:

• Quá trình đồng thuận (tầng đồng thuận) chỉ chịu trách nhiệm sắp xếp giao dịch, không thực hiện logic hợp đồng.
• Quá trình thực thi (tầng thực thi) được kích hoạt bất đồng bộ sau khi hoàn tất đồng thuận.
• Sau khi hoàn thành đồng thuận, ngay lập tức tiến vào quy trình đồng thuận khối tiếp theo, không cần chờ đợi hoàn thành thực thi.

Thực thi song song lạc quan：乐观并行执行

Ethereum truyền thống sử 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", nâng cao đáng kể tốc độ xử lý giao dịch.

Cơ chế thực hiện:

• Monad sẽ thực thi tất cả các giao dịch một cách lạc quan và song song, giả định rằng hầu hết các giao dịch không có xung đột trạng thái.
• Chạy một "Máy 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 và thực thi lại để đảm bảo tính chính xác của trạng thái.

Monad chọn đường đi tương thích: điều chỉnh quy tắc EVM càng ít càng tốt, trong quá trình thực thi thông qua việc hoãn ghi trạng thái, phát hiện xung đột động để thực hiện song song, giống như phiên bản hiệu suất của Ethereum, độ trưởng thành tốt dễ dàng thực hiện di cư hệ sinh thái EVM, là bộ tăng tốc song song của 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 có khả năng tương thích với EVM, có thể hoạt động như một chuỗi công khai L1 độc lập hoặc như một lớp tăng cường thực thi trên Ethereum hoặc như một thành phần mô-đun. Mục tiêu thiết kế cốt lõi của nó là phân tách logic tài khoản, môi trường thực thi và trạng thái thành các đơn vị tối thiểu có thể lên lịch độc lập, nhằm đạt được khả năng thực thi đồng thời cao và phản hồi độ trễ thấp trong chuỗi. Đổi mới quan trọng mà MegaETH đề xuất là: Kiến trúc Micro-VM + State Dependency DAG (đồ thị phụ thuộc trạng thái có hướng không chu trình) và cơ chế đồng bộ hóa mô-đun, cùng nhau xây dựng hệ thống thực thi song song hướng tới "luồng trong chuỗi".

Kiến trúc Micro-VM (máy ảo vi mô): Tài khoản chính là luồng

MegaETH đã giới thiệu mô hình thực thi "mỗi tài khoản một máy ảo vi mô (Micro-VM)", biến môi trường thực thi thành "đa luồng", cung cấp đơn vị cách ly tối thiểu cho lập lịch song song. Các VM này giao tiếp với nhau thông qua tin nhắn bất đồng bộ (Asynchronous Messaging), thay vì gọi đồng bộ, nhiều VM có thể thực thi độc lập, lưu trữ độc lập, tự nhiên song song.

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 trực tiếp, các giao dịch có mối quan hệ phụ thuộc sẽ được lập lịch theo thứ tự chu trình hoặc trì hoãn. Đồ thị phụ thuộc đảm bảo tính nhất quán trạng thái và không ghi đè 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 toàn diện từ "cấu trúc tài khoản → kiến trúc lập lịch → quy trình thực thi", cung cấp một ý tưởng cấp mẫu mới cho việc xây dựng hệ thống chuỗi trên hiệu suất cao 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 lập lịch thực thi bất đồng bộ để giải phóng tiềm năng song song tối đa. 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 theo triết lý của Ethereum.

Monad và MegaETH đều có thiết kế khác biệt với phân đoạn (Sharding): phân đoạn chia blockchain thành nhiều chuỗi con độc lập (phân đoạn 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 trên tầng mạng; trong khi Monad và MegaETH giữ nguyên tính toàn vẹn của chuỗi đơn, chỉ mở rộng 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 khác nhau 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 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 độ giao dịch hoặc tài khoản. Pharos Network, với tư cách là một mạng lưới blockchain L1 mô-đun và toàn diện, có cơ chế tính toán song song chính 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), đồng thời tích hợp các công nghệ tiên tiến như chứng minh không kiến thức (ZK) và môi trường thực thi đáng tin cậy (TEE).

Phân tích cơ chế tính toán song song Rollup Mesh:

1. Xử lý ống dẫn bất đồng bộ suốt vòng đời (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos tách biệt các giai đoạn của giao dịch (như đồng thuận, thực thi, lưu trữ) và áp dụng phương thức xử lý bất đồng bộ, cho phép mỗi giai đoạn có thể diễn ra 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 chọn môi trường thực thi phù hợp theo nhu cầu. Kiến trúc hai VM 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 chính trong kiến trúc Pharos, tương tự như các mạng con mô-đun, chuyên xử lý các loại nhiệm vụ hoặc ứng dụng cụ thể. Thông qua SPNs, Pharos có thể thực hiện 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 đặt cược (Modular Consensus & Restaking): Pharos đã giới thiệu một cơ chế đồng thuận linh hoạt, hỗ trợ nhiều mô hình đồng thuận (như PBFT, PoS, PoA), và thông qua giao thức tái đặt cược (Restaking) để thực hiện mạng chính và SPNs.