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

Tam giác "không thể" của blockchain (Blockchain Trilemma) "độ an toàn", "phi tập trung", "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 đồng thời đạt được "an toàn tối đa, mọi người đều có thể tham gia, xử lý nhanh chóng". 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 nâng cao: Tăng cường 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 đoạn, UTXO, nhiều subnet
• Mở rộng kiểu gia công ngoài chuỗi: đưa thực thi ra ngoài chuỗi, ví dụ như Rollup, Coprocessor, DA
• Mở rộng kiểu giải cấu trúc: mô-đun kiến trúc, hoạt động phối hợp, ví dụ như chuỗi mô-đun, bộ sắp xếp chia sẻ, Rollup Mesh
• Mở rộng kiểu đồng thời bất đồng bộ: Mô hình Actor, cách ly quy trình, điều khiển tin nhắn, ví dụ 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, cấu trúc Stateless, v.v., bao gồm nhiều cấp độ thực thi, trạng thái, dữ liệu, cấu trúc, là một hệ thống mở rộng hoàn chỉnh "hợp tác đa lớp, kết hợp mô-đun". Bài viết này tập trung vào cách mở rộng chủ yếu dựa trên tính toán song song.

Tính toán song song trong chuỗi (intra-chain parallelism), chú ý đến 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 kích thước hạt song song ngày càng nhỏ, cường độ song song ngày càng cao, độ phức tạp lập lịch cũng ngày càng cao, độ phức tạp lập trình và khó khăn trong thực hiện cũng ngày càng cao.

• Song song cấp tài khoản (Account-level): Đại diện cho dự án Solana
• Song song theo đối tượng (Object-level): đại diện cho dự án Sui
• Song song cấp giao dịch (Transaction-level): Đại diện cho dự án Monad, Aptos
• Cấp gọi / Vi mô VM song song (Call-level / MicroVM): đại diện cho dự án MegaETH
• Song song ở cấp độ lệnh (Instruction-level): Đại diện cho dự án GatlingX

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

Và các giải pháp mở rộng mà chúng ta quen thuộc như Rollup hoặc phân đoạn, thuộc về cơ chế đồng thời ở cấp hệ thống, không thuộc về tính toán song song trong chuỗi. Chúng thực hiện 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 đơn lẻ. Các giải pháp mở rộng loại này không phải là trọng tâm của bài viết này nhưng chúng tôi vẫn sẽ sử dụng chúng để so sánh sự tương đồng và khác biệt trong tư tưởng kiến trúc.

Hai, Chuỗi Tăng cường song song EVM: Đột phá ranh giới hiệu suất trong sự tương thích

Cho đến nay, kiến trúc xử lý tuần tự của Ethereum đã trải qua nhiều vòng thử nghiệm mở rộng như phân đoạn, Rollup, kiến trúc mô-đun, nhưng vẫn chưa có sự đột phá căn bản trong việc giải quyết nút thắt công suất của lớp 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, vừa đảm bảo tính tương thích sinh thái vừa cải thiện hiệu suất thực thi, đang trở thành một hướng quan trọng trong sự tiến hóa mở rộng mới. Monad và MegaETH là hai dự án tiêu biểu trong hướng đi này, lần lượt xây dựng kiến trúc xử lý song song EVM cho các kịch bản có độ trễ thực thi và phân tách trạng thái, nhằm hướng tới khả năng xử lý đồng thời cao và công suất lớn.

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 xử lý theo chuỗi (Pipelining) cơ bản này với việc thực hiện bất đồng bộ ở lớp đồng thuận (Asynchronous Execution) và thực hiện 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 nhiều giai đoạn

Pipelining là ý tưởng cơ bản của việc thực thi song song trong Monad, với tư tưởng cốt lõi là chia nhỏ quy trình thực thi của blockchain thành nhiều giai đoạn độc lập và xử lý các giai đoạn này một cách song song, hình thành nên kiến trúc đường ống ba chiều. Mỗi giai đoạn chạy trên các luồng hoặc nhân độc lập, đạt được 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 đồng thuận (Consensus), thực thi giao dịch (Execution) và cam kết khối (Commit).

Thực thi không đồng bộ: Đồng thuận - Thực hiện tách rời không 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 hạn chế nghiêm trọng 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 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.
• Quá trình thực thi (tầng thực thi) được kích hoạt không đồng bộ sau khi hoàn thành sự đồng thuận.
• Ngay sau khi hoàn thành sự đồng thuận, quy trình đồng thuận cho khối tiếp theo sẽ được bắt đầu mà không cần chờ đợi việc thực hiện kết thúc.

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 để tránh xung đột trạng thái. Trong khi đó, Monad áp dụng chiến lược "thực thi song song lạc quan", nâng cao tốc độ xử lý giao dịch đáng kể.

Cơ chế thực thi:

• Monad sẽ thực hiện song song tất cả các giao dịch một cách lạc quan, giả định rằng hầu hết các giao dịch không có xung đột trạng thái.
• Chạy một "Bộ phát hiện xung đột (Conflict Detector)" để theo dõi xem các giao dịch có truy cập cùng một trạng thái hay không (như xung đột đọc / ghi).
• Nếu phát hiện có xung đột, các giao dịch xung đột sẽ được tuần tự hóa và thực hiện lại, đảm bảo tính chính xác của trạng thái.

Monad chọn đường tương thích: điều chỉnh quy tắc EVM càng ít càng tốt, trong quá trình thực hiện thông qua việc trì hoãn ghi trạng thái, phát hiện xung đột động để đạt được song song, giống như 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 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 tương thích EVM theo mô-đun, có thể hoạt động như một chuỗi công khai L1 độc lập hoặc như một lớp tăng cường thực thi trên Ethereum (Execution Layer) hoặc 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 lập lịch độc lập, nhằm đạt được khả năng thực thi đồng thời cao trong chuỗi và phản hồi với độ trễ thấp. Đổi mới chính mà MegaETH đưa ra là: Kiến trúc Micro-VM + DAG phụ thuộc trạng thái (State Dependency DAG) và cơ chế đồng bộ hóa mô-đun, cùng nhau xây dựng một hệ thống thực thi song song hướng tới "luồng trong chuỗi".

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

MegaETH đã giới thiệu mô hình thực thi "một máy ảo vi mô (Micro-VM) cho mỗi tài khoản", biến môi trường thực thi thành "nhiều luồng", cung cấp đơn vị cách ly tối thiểu cho lập lịch song song. Các VM này giao tiếp với nhau thông qua thông điệp bất đồng bộ (Asynchronous Messaging), thay vì gọi đồng bộ, cho phép nhiều VM có thể thực thi độc lập, lưu trữ độc lập, và 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 sẽ mô hình hóa những tài khoản nào được sửa đổi, những tài khoản nào được đọc thành mối quan hệ phụ thuộc. Các giao dịch không xung đột có thể được thực thi song song trực tiếp, các giao dịch có mối quan hệ phụ thuộc sẽ được sắp xếp theo thứ tự topo để thực hiện tuần tự hoặc trì hoãn. Đồ thị phụ thuộc đảm bảo tính nhất quán trạng thái và việc ghi không lặp lại trong quá trình thực thi song song.

Thực thi bất đồng bộ và cơ chế callback

B

Tóm lại, MegaETH đã phá vỡ mô hình máy trạng thái đơn luồng EVM truyền thống, thực hiện việc đóng gói vi máy ảo theo đơn vị tài khoản, thông qua đồ thị phụ thuộc trạng thái để thực hiện 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 cách tiếp cận mới mang tính mô hình cho việc xây dựng hệ thống chuỗi 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 việc 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 dưới triết lý của Ethereum.

Monad và MegaETH có thiết kế khác biệt lớn với phân đoạn (Sharding): phân đoạn chia blockchain thành nhiều chuỗi con độc lập (phân đoạn Shards), mỗi chuỗi con chịu trách nhiệm một phần giao dịch và trạng thái, phá vỡ giới hạn của chuỗi đơn trong việc mở rộng tầng mạng; trong khi đó, Monad và MegaETH giữ nguyên tính toàn vẹn của chuỗi đơn, chỉ mở rộng theo chiều ngang ở tầng thực thi, tối ưu hóa việc 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: củng cố chiều dọc và mở rộng chiều ngang.

Các dự án tính toán song song như Monad và MegaETH chủ yếu tập trung vào việc tối ưu hóa thông lượng, với mục tiêu cốt lõi là nâng cao TPS trên 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 blockchain L1 mô-đun và toàn diện, có cơ chế tính toán song song cốt lõi được gọi là "Rollup Mesh". Kiến trúc này hỗ trợ môi trường đa 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) 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 trong suốt vòng đời (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos tách biệt các giai đoạn khác nhau của giao dịch (như đồng thuận, thực thi, lưu trữ) và áp dụng cách xử lý bất đồng bộ, cho phép mỗi giai đoạn có thể tiến hành 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 VM đôi 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 dùng để 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 staking (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 staking (Restaking) để thực hiện mạng chính và SPNs.