Web3 Paralel Hesaplama Alanının Panorama Haritası: Yerel Ölçeklenmenin En İyi Çözümü mü?

Blockchain'in "imkansız üçgeni" (Blockchain Trilemma) "güvenlik", "merkeziyetsizlik" ve "ölçeklenebilirlik" blok zinciri sistem tasarımındaki temel dengeyi ortaya koymaktadır; yani blok zinciri projelerinin aynı anda "üst düzey güvenlik, herkesin katılımı, hızlı işlem" sağlanması zordur. "Ölçeklenebilirlik" konusundaki bu sürekli tartışma için, günümüzdeki ana akım blok zinciri genişletme çözümleri paradigmalarına göre sınıflandırılmaktadır, bunlar arasında:

• Gelişmiş genişleme uygulaması: Yerinde yürütme kapasitesini artırmak, örneğin paralel işleme, GPU, çok çekirdekli
• Durum İzolasyonlu Ölçekleme: Yatay Bölme Durumu / Shard, örneğin parça, UTXO, çoklu alt ağ
• Zincir dışı dış kaynak kullanımı genişletme: Yürütmeyi zincir dışında gerçekleştirmek, örneğin Rollup, Coprocessor, DA
• Yapı ayrıştırma tipi genişleme: mimari modüler, işbirliği içinde çalışıyor, örneğin modül zinciri, paylaşılan sıralayıcı, Rollup Mesh
• Asenkron eşzamanlı genişleme: Aktör modeli, işlem izolasyonu, mesaj tabanlı, örneğin akıllı ajanlar, çoklu iş parçacığı asenkron zinciri

Blockchain ölçeklendirme çözümleri şunları içerir: zincir içi paralel hesaplama, Rollup, parçalama, DA modülü, modüler yapı, Actor sistemi, zk kanıtı sıkıştırması, Stateless mimarisi vb. Bu çözümler, yürütme, durum, veri ve yapı gibi çoklu katmanları kapsar ve "çok katmanlı iş birliği, modüler kombinasyon" şeklinde tam bir ölçeklendirme sistemi oluşturur. Bu makalede, ana akım ölçeklendirme yöntemi olarak paralel hesaplama üzerinde durulacaktır.

Zincir içi paralel hesaplama (intra-chain parallelism), blok içindeki işlemlerin / talimatların paralel yürütülmesine odaklanmaktadır. Paralel mekanizmalara göre, ölçeklenme yöntemleri beş ana kategoriye ayrılabilir; her bir kategori farklı performans hedeflerini, geliştirme modellerini ve mimari felsefeleri temsil eder. Paralel iş parçacığı boyutu giderek daha ince hale gelir, paralel yoğunluk giderek artar, zamanlama karmaşıklığı da giderek artar, programlama karmaşıklığı ve gerçekleştirme zorluğu da giderek artar.

• Hesap düzeyinde paralel (Account-level): Solana projesini temsil eder
• Nesne düzeyinde paralellik (Object-level): Sui projesini temsil eder
• İşlem seviyesi paralellik (Transaction-level): Monad, Aptos projelerini temsil eder
• Çağrı seviyesi / Mikro VM paralelliği (Call-level / MicroVM): MegaETH projesini temsil eder.
• Talimat düzeyinde paralellik (Instruction-level): GatlingX projesini temsil eder

Zincir dışı asenkron eşzamanlı model, Temsilci akıllı varlık sistemine (Agent / Actor Model) dayanır; bunlar başka bir paralel hesaplama paradigmasına aittir. Ayrıca, zincirler arası / asenkron mesaj sistemleri (blok zincir senkronizasyon modeli olmayan) olarak, her Temsilci bağımsız çalışan "akıllı varlık süreçleri" olarak, eşzamanlı bir şekilde asenkron mesajlar, olay odaklı, senkronizasyon zamanlaması gerektirmeden çalışır. Temsilci projeleri arasında AO, ICP, Cartesi gibi projeler bulunmaktadır.

Ve hepimizin aşina olduğu Rollup veya parça genişletme çözümleri, sistem düzeyinde eşzamanlılık mekanizmalarına aittir ve zincir içi paralel hesaplama ile ilgili değildir. Bunlar, "birden fazla zincir / yürütme alanını eşzamanlı çalıştırarak" ölçeklenmeyi sağlar, tek bir blok / sanal makine içindeki paralellik derecesini artırmak yerine. Bu tür genişletme çözümleri bu makalenin ana konusu değildir, ancak yine de mimari kavramların benzerlik ve farklılıklarını karşılaştırmak için kullanılacaktır.

İki, EVM Sistemi Paralel Geliştirme Zinciri: Uyumlulukta Performans Sınırlarını Aşmak

Ethereum'un seri işleme mimarisi bugüne kadar, parçalama, Rollup, modüler mimari gibi bir dizi ölçeklenme denemesi geçirdi, ancak yürütme katmanındaki yığılma dar boğazı hala köklü bir kırılma yaşamadı. Ancak bu arada, EVM ve Solidity, hala mevcut en büyük geliştirici tabanına ve ekosistem potansiyeline sahip akıllı sözleşme platformlarıdır. Bu nedenle, ekosistem uyumluluğu ile yürütme performansını artırmayı dengeleyen EVM tabanlı paralel güçlendirilmiş zincir, yeni bir ölçeklenme evriminin önemli yönü haline geliyor. Monad ve MegaETH, bu yönde en temsili projeler olup, sırasıyla gecikmeli yürütme ve durum ayrıştırması ile yüksek eşzamanlılık ve yüksek yığılma senaryolarına yönelik EVM paralel işleme mimarisi inşa ediyorlar.

Monad'ın paralel hesaplama mekanizması analizi

Monad, Ethereum Sanal Makinesi (EVM) için yeniden tasarlanmış yüksek performanslı bir Layer1 blok zinciridir. Temel paralel işleme (Pipelining) ilkesine dayanan bu sistem, konsensüs katmanında asenkron yürütme (Asynchronous Execution) ve yürütme katmanında iyimser eşzamanlılık (Optimistic Parallel Execution) sağlar. Ayrıca, konsensüs ve depolama katmanlarında, Monad sırasıyla yüksek performanslı BFT protokolü (MonadBFT) ve özel veritabanı sistemi (MonadDB) getirerek uçtan uca optimizasyonu gerçekleştirir.

Pipelining: Çok aşamalı boru hattı paralel işleme mekanizması

Pipelining, Monad'ın paralel yürütme temel ilkesidir. Temel düşüncesi, blok zincirinin yürütme sürecini birden fazla bağımsız aşamaya ayırmak ve bu aşamaları paralel olarak işlemek, üç boyutlu bir akışkan yapı oluşturmak, her aşamanın bağımsız iş parçacıkları veya çekirdeklerde çalışmasını sağlamak ve bloklar arası eşzamanlı işleme ulaşmaktır. Sonuç olarak, verimliliği artırmak ve gecikmeyi azaltmak hedeflenmektedir. Bu aşamalar şunları içerir: İşlem önerisi (Propose), konsensüs sağlama (Consensus), işlem yürütme (Execution) ve blok onayı (Commit).

Asenkron İcra: Konsensüs - İcra Asenkron Olarak Ayrıştırılmış

Geleneksel zincirlerde, işlem konsensüsü ve yürütmesi genellikle senkronize bir süreçtir, bu seri model performans ölçeklenmesini ciddi şekilde kısıtlar. Monad, "asenkron yürütme" ile konsensüs katmanını asenkron, yürütme katmanını asenkron ve depolamayı asenkron hale getirmiştir. Blok süresini (block time) ve onay gecikmesini önemli ölçüde azaltarak sistemi daha dayanıklı, işlem süreçlerini daha ayrıntılı ve kaynak verimliliğini daha yüksek hale getirir.

Kilit Tasarım:

• Konsensüs süreci (konsensüs katmanı) yalnızca işlemleri sıralamakla sorumludur, sözleşme mantığını yürütmez.
• İcra süreci (icra katmanı) konsensüs tamamlandıktan sonra asenkron olarak tetiklenir.
• Konsensüs tamamlandıktan sonra hemen bir sonraki blok konsensüs sürecine geçilir, yürütmenin tamamlanmasını beklemeye gerek yoktur.

İyimser Paralel Yürütme：乐观并行执行

Geleneksel Ethereum, durum çakışmalarını önlemek için işlem yürütümünde katı bir seri model kullanır. Monad ise "iyimser paralel yürütme" stratejisini benimseyerek işlem işleme hızını önemli ölçüde artırır.

Yürütme Mekanizması:

• Monad, çoğu işlem arasında durum çatışması olmadığını varsayarak tüm işlemleri iyimser bir şekilde paralel olarak yürütür.
• Aynı anda bir "Çatışma Tespit Cihazı (Conflict Detector))" çalıştırarak işlemler arasında aynı duruma (örneğin, okuma/yazma çatışması) erişilip erişilmediğini izleyin.
• Çatışma tespit edilirse, çatışma işlemleri seri hale getirilerek yeniden yürütülecek, durumun doğruluğu sağlanacaktır.

Monad uyumlu bir yol seçti: EVM kurallarını mümkün olduğunca az değiştirmek, yürütme sürecinde durumu yazmayı erteleyerek ve çakışmaları dinamik olarak tespit ederek paralellik sağlamak, daha çok performans odaklı bir Ethereum gibi, olgunluk seviyesi yüksek ve EVM ekosistemine geçişi kolaylaştırıyor, EVM dünyasının paralel hızlandırıcısı.

MegaETH'nin paralel hesaplama mekanizması analizi

Monad'tan farklı olarak, MegaETH, EVM uyumlu modüler yüksek performanslı paralel yürütme katmanı olarak konumlandırılmıştır; hem bağımsız bir L1 halka olarak hem de Ethereum üzerinde yürütme güçlendirici katman (Execution Layer) veya modüler bileşen olarak kullanılabilir. Temel tasarım hedefi, hesap mantığını, yürütme ortamını ve durumu bağımsız planlanabilen en küçük birimlere ayrıştırmak ve böylece zincir içi yüksek eşzamanlı yürütme ve düşük gecikme yanıt yeteneği sağlamaktır. MegaETH'nin sunduğu temel yenilikler, "zincir içi iş parçacıklaştırmaya" yönelik paralel yürütme sistemi oluşturmak için Micro-VM mimarisi + Durum Bağımlılığı DAG (yönlendirilmiş döngüsel olmayan durum bağımlılık grafiği) ve modüler senkronizasyon mekanizmasıdır.

Micro-VM (Mikro Sanal Makine) Mimarisi: Hesap, iş parçacığıdır

MegaETH, "her hesap için bir mikro sanal makine (Micro-VM)" yürütme modelini tanıtarak yürütme ortamını "iş parçacığına dayalı" hale getirir ve paralel planlama için en küçük izolasyon birimini sağlar. Bu VM'ler, senkron çağrılar yerine asenkron mesaj iletişimi (Asynchronous Messaging) ile birbirleriyle iletişim kurar; çok sayıda VM bağımsız olarak çalışabilir ve bağımsız olarak depolanabilir, doğal olarak paralel.

Durum Bağımlılığı DAG: Bağımlılık Grafiğine Dayalı Zamanlama Mekanizması

MegaETH, hesap durumu erişim ilişkisine dayalı bir DAG zamanlama sistemi kurmuştur. Sistem, sürekli olarak global bir bağımlılık grafiği (Dependency Graph) tutar; her işlem, hangi hesapların değiştirildiğini ve hangi hesapların okunduğunu, tamamen bağımlılık ilişkisi olarak modelleyerek kaydeder. Çatışmasız işlemler doğrudan paralel olarak yürütülebilir, bağımlılık ilişkisi olan işlemler ise topolojik sıralama ile seri veya gecikmeli olarak zamanlama sırasına alınır. Bağımlılık grafi, paralel yürütme sürecindeki durum tutarlılığını ve tekrarlı yazmayı sağlar.

Asenkron yürütme ve geri çağırma mekanizması

B

Özetle, MegaETH, geleneksel EVM tek iş parçacıklı durum makinesi modelini kırarak, hesap bazında mikro sanal makine kapsüllemesi gerçekleştirir, işlem zamanlaması için durum bağımlılık grafiği kullanır ve senkron çağrı yığını yerine asenkron mesaj mekanizması kullanır. Bu, "hesap yapısı → zamanlama mimarisi → yürütme süreci" tam boyutlu yeniden tasarlanmış bir paralel hesaplama platformudur ve bir sonraki nesil yüksek performanslı zincir üstü sistemlerin inşası için paradigma düzeyinde yeni bir düşünce sunar.

MegaETH, hesapları ve sözleşmeleri bağımsız VM'lere tamamen soyutlayarak yeniden yapılandırma yolunu seçti ve aşamalı yürütme planlaması ile aşırı paralel potansiyeli serbest bırakmayı hedefliyor. Teorik olarak, MegaETH'nin paralel sınırı daha yüksek, ancak karmaşıklığı kontrol etmek daha zor; bu, Ethereum felsefesi altında süper dağıtılmış bir işletim sistemine daha çok benziyor.

Monad ve MegaETH'nin tasarım felsefeleri, parçalama (Sharding) ile oldukça farklıdır: parçalama, blok zincirini yatay olarak birden fazla bağımsız alt zincire (parçalar Shards) ayırır; her alt zincir, belirli işlem ve durumlardan sorumludur ve tek zincir sınırlamalarını aşarak ağ katmanında ölçeklenmeyi sağlar; Monad ve MegaETH ise tek zincir bütünlüğünü koruyarak, yalnızca yürütme katmanında yatay olarak ölçeklenir ve tek zincir içinde sınır paralel yürütme optimizasyonu ile performansı artırır. İkisi, blok zinciri genişletme yolundaki dikey güçlendirme ve yatay genişleme yönlerini temsil eder.

Monad ve MegaETH gibi paralel hesaplama projeleri, zincir içi TPS'yi artırmayı hedefleyen işlem optimizasyon yollarına odaklanmaktadır. Gecikmeli yürütme (Deferred Execution) ve mikro sanal makine (Micro-VM) mimarisi aracılığıyla işlem düzeyinde veya hesap düzeyinde paralel işleme gerçekleştirmektedir. Pharos Network ise modüler, tam yığın bir L1 blok zincir ağıdır ve temel paralel hesaplama mekanizması "Rollup Mesh" olarak adlandırılmaktadır. Bu mimari, ana ağ ile özel işlem ağlarının (SPN'ler) işbirliği sayesinde çoklu sanal makine ortamlarını (EVM ve Wasm) desteklemekte ve sıfır bilgi kanıtı (ZK), güvenilir yürütme ortamı (TEE) gibi ileri teknolojileri entegre etmektedir.

Rollup Mesh paralel hesaplama mekanizması analizi:

1. Tam Yaşam Döngüsü Asenkron Boru Hattı İşlemi (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos, işlemin çeşitli aşamalarını (örneğin, konsensüs, yürütme, depolama) birbirinden ayırır ve asenkron işlem yöntemi kullanarak her aşamanın bağımsız ve paralel olarak gerçekleştirilmesine olanak tanır, böylece genel işlem verimliliğini artırır.
2. İkili Sanal Makine Paralel İcrası (Dual VM Parallel Execution): Pharos, EVM ve WASM olmak üzere iki sanal makine ortamını destekler, geliştiricilerin ihtiyaçlarına göre uygun yürütme ortamını seçmelerine olanak tanır. Bu çift VM mimarisi, sistemin esnekliğini artırmanın yanı sıra, paralel yürütme ile işlem işleme kapasitesini de artırır.
3. Özel İşlem Ağları (SPN'ler): SPN'ler, Pharos mimarisinin ana bileşenleri olup, belirli türdeki görevler veya uygulamalar için özel olarak tasarlanmış modüler alt ağlara benzer. SPN'ler aracılığıyla, Pharos kaynakların dinamik dağıtımını ve görevlerin paralel işlenmesini gerçekleştirebilir, böylece sistemin ölçeklenebilirliğini ve performansını artırır.
4. Modüler Konsensüs ve Yeniden