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

I. Bối cảnh và thách thức của tính toán song song trên blockchain

Tam giác "không thể" của blockchain (Blockchain Trilemma) "an toàn", "phi tập trung", "khả năng mở rộng" tiết lộ sự đánh đổi bản chất trong thiết kế hệ thống blockchain, tức là các dự án blockchain rất khó để đạt được "an toàn tối đa, mọi người đều có thể tham gia, xử lý nhanh chóng" cùng một lúc. Đối với chủ đề vĩnh cửu "khả năng mở rộng", hiện tại 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: Nâng cao 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 mảnh, UTXO, nhiều subnet
• Mở rộng kiểu thuê ngoài chuỗi: đưa việc thực thi ra bên ngoài chuỗi, ví dụ như Rollup, Coprocessor, DA
• Kiến trúc mở rộng kiểu tách rời cấu trúc: mô-đun kiến trúc, hoạt động hợp tác, chẳng hạn như chuỗi mô-đun, bộ sắp xếp chia sẻ, Rollup Mesh
• Mở rộng đồng thời bất đồng bộ: Mô hình Actor, cách ly quy trình, điều khiển thông điệp, ví dụ như tác nhân, chuỗi bất đồng bộ đa luồng

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 gồm nhiều cấp độ thực thi, trạng thái, dữ liệu và cấu trúc, là một hệ thống mở rộng hoàn chỉnh "hợp tác đa lớp, kết hợp mô-đun". Bài viết này tập trung vào việc giới thiệu phương thức mở rộng chủ yếu là tính toán song song.

Tính toán song song trong chuỗi (intra-chain parallelism), chú trọng vào việc thực hiện song song các giao dịch / lệnh bên trong khối. Theo cơ chế song song, phương pháp mở rộng của nó có thể được chia thành năm loại lớn, mỗi loại đại diện cho các mục tiêu hiệu suất, mô hình phát triển và triết lý kiến trúc khác nhau, lần lượt độ phân giải song song ngày càng tinh vi hơn, cường độ song song ngày càng cao, độ phức tạp lập lịch cũng ngày càng tăng, và độ phức tạp lập trình và khó khăn trong việc triển khai 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
• Gọi cấp / Vi VM song song (Call-level / MicroVM): Đại diện cho dự án MegaETH
• Song song cấp lệnh (Instruction-level): Đại diện cho dự án GatlingX

Mô hình đồng thời bất đồng bộ ngoài chuỗi, đại diện bởi hệ thống trí tuệ nhân tạo Actor (Mô hình Đại lý / Actor), thuộc về một kiểu hình thức tính toán song song khác, như hệ thống tin nhắn chéo chuỗi / bất đồng bộ (mô hình không đồng bộ khối), mỗi Đại lý hoạt động như một "tiến trình thông minh" độc lập, theo cách thức song song gửi tin nhắn bất đồng bộ, kích hoạt sự kiện, không cần lập lịch đồng bộ, các dự án tiêu biểu 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 cấp hệ thống, không thuộc về tính toán song song trong chuỗi. Chúng thực hiện mở rộng bằng cách "chạy song song nhiều chuỗi / miền thực thi" thay vì nâng cao độ song song bên trong một khối / máy ảo đơn lẻ. Những 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 và khác biệt trong các khái niệm kiến trúc.

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

Đến nay, kiến trúc xử lý tuần tự của Ethereum đã trải qua nhiều lần thí nghiệm mở rộng, bao gồm phân đoạn, Rollup, kiến trúc mô-đun, nhưng vẫn chưa có bước đột phá căn bản nào về khả năng xử lý của 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 mạnh mẽ nhất hiện nay. Do đó, chuỗi tăng cường song song EVM đang trở thành hướng đi quan trọng trong sự tiến hóa mở rộng mới, vừa bảo đảm tính tương thích sinh thái vừa 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 hướng đến các tình huống có độ đồng thời cao và khả năng thông lượng cao, từ việc thực thi trì hoãn và phân tách 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 khái niệm song song cơ bản của xử lý theo pipeline (Pipelining), thực hiện thực thi không đồng bộ ở tầng đồng thuận (Asynchronous Execution) và thực thi đồng thời lạc quan ở tầng thực thi (Optimistic Parallel Execution). Ngoài ra, ở tầng 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 đầu cuối.

Pipelining: Cơ chế thực thi song song nhiều giai đoạn

Pipelining là khái niệm cơ bản của việc thực thi song song trong Monad, với ý tưởng cốt lõi là tách quy trình thực thi 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 chạy trên các luồng hoặc nhân độc lập, đạt được xử lý đồng thời qua các khối, cuối cùng 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 thi 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 nghiêm trọng hạn chế khả năng mở rộng hiệu suất. Monad 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 (lớp thực thi) được kích hoạt bất đồng bộ sau khi hoàn thành đồng thuận.
• Sau khi hoàn tất đồng thuận, ngay lập tức tiến vào quy trình đồng thuận của khối tiếp theo, không cần chờ 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 để thực hiện giao dịch nhằm tránh xung đột trạng thái. Trong khi đó, Monad áp dụng chiến lược "thực thi song song lạc quan", tăng đáng kể tốc độ xử lý giao dịch.

Cơ chế thực thi:

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

Monad đã chọn con đường tương thích: giảm thiểu việc thay đổi quy tắc EVM, trong quá trình thực hiện thông qua việc hoãn ghi trạng thái, phát hiện xung đột động để đạt được tính song song, giống như một 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, tương thích với EVM và có thể hoạt động như một chuỗi công khai L1 độc lập hoặc như một lớp tăng cường thực thi trên Ethereum hoặc thành phần mô-đun. Mục tiêu thiết kế cốt lõi của nó là tách biệt và cấu trúc 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 khả năng phản hồi với độ trễ thấp. Đổi mới chính mà MegaETH đưa ra là: kiến trúc Micro-VM + State Dependency DAG (đồ thị phụ thuộc trạng thái có hướng và không chu trình) và cơ chế đồng bộ 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 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 phân cách tối thiểu cho việc 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, cho phép nhiều VM 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 sẽ mô hình hóa các tài khoản bị thay đổi, các tài khoản được đọc thành các mối quan hệ phụ thuộc. Các giao dịch không mâu thuẫn có thể được thực hiện song song ngay lập tức, trong khi các giao dịch có mối quan hệ phụ thuộc sẽ được lên lịch theo thứ tự topo hoặc hoãn lại. Đồ thị phụ thuộc đảm bảo tính nhất quán trạng thái và việc ghi không lặp lại trong quá trình thực hiện 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 đóng gói vi máy ảo theo đơn vị tài khoản, thông qua biểu đồ phụ thuộc trạng thái để điều phối giao dịch và thay thế ngăn xếp gọi đồng bộ bằng cơ chế tin nhắn bất đồng bộ. Đây là một nền tảng tính toán song song được thiết kế lại ở mọi chiều từ "cấu trúc tài khoản → kiến trúc điều phối → quy trình thực thi", cung cấp một tư duy mới cấp độ mẫu 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 cực kỳ. 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 cấp dưới triết lý của Ethereum.

Thiết kế của Monad và MegaETH có sự khác biệt lớn với phân đoạn (Sharding): Phân đoạn chia blockchain thành nhiều chuỗi con độc lập (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 ở cấp độ mạng; trong khi đó, Monad và MegaETH đều duy trì tính toàn vẹn của chuỗi đơn, chỉ mở rộng theo chiều ngang ở tầng thực thi, tối ưu hóa hiệu suất bằng cách thực hiện song song cực hạn bên trong chuỗi đơn. Cả hai đại diện cho hai hướng 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 con đường tối ưu hóa thông lượng, với mục tiêu cốt lõi là nâng cao TPS trong chuỗi, thông qua việc thực hiện trễ (Deferred Execution) và kiến trúc 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 song song, toàn diện và mô-đun, cơ chế tính toán song song cốt lõi của nó 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 đường ống bất đồng bộ trong toàn bộ vòng đời (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos tách rời 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 thực hiện 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 máy ảo này không chỉ nâng cao tính linh hoạt của hệ thống mà còn cải thiện khả năng xử lý giao dịch thông qua thực thi song song.
3. Mạng xử lý đặc biệt (SPNs): SPNs là thành phần chính trong kiến trúc Pharos, giống 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 khác nhau (như PBFT