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

Một, chủ đề vĩnh cửu về mở rộng blockchain

"Tam giác không thể" của blockchain (Blockchain Trilemma) "an ninh", "phi tập trung", "mở rộng" tiết lộ sự đánh đổi cốt lõi trong thiết kế hệ thống blockchain, tức là các dự án blockchain rất khó có thể đạt được "an toàn tuyệt đối, mọi người đều có thể tham gia, xử lý nhanh chóng" đồng thời. Đối với chủ đề "mở rộng" vĩnh cửu này, hiện tại các giải pháp mở rộng blockchain chủ đạo trên thị trường được phân loại theo chuẩn mực, 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 loại 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: Đưa việc thực thi ra ngoài chuỗi, chẳng hạn như Rollup, Coprocessor, DA
• Kiến trúc mở rộng loại giải cấu trúc: mô-đun hóa kiến trúc, hoạt động đồng bộ, 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 tiến trình, điều khiển bằng thông điệp, chẳng hạn như tác nhân, chuỗi bất đồng bộ nhiều 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 gồm nhiều cấp độ thực thi, trạng thái, dữ liệu và cấu trúc, là một hệ thống mở rộng "hợp tác đa tầng, kết hợp mô-đun" hoàn chỉnh. Bài viết này 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), tập trung vào việc thực hiện song song các 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 khác nhau, mô hình phát triển và triết lý kiến trúc, lần lượt có kích thước phân đoạn 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 độ khó thực hiện cũng ngày càng cao.

• Song song cấp tài khoản (Account-level): Đại diện cho dự án Solana
• Song song cấp 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 mô VM song song (Call-level / MicroVM): Đại diện cho dự án MegaETH
• Song song cấp chỉ thị (Instruction-level): đại diện cho dự án GatlingX

Mô hình bất đồng bộ và đồng thời ngoài chuỗi, đại diện bởi hệ thống thể thông minh Actor (Mô hình Đại lý / Actor), thuộc về một loại hình tính toán song song khác, như một hệ thống tin nhắn xuyên 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 đồng thời gửi tin nhắn bất đồng bộ, dựa trên sự kiện, không cần lên 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 phân đoạn, thuộc về cơ chế đồng thời cấp hệ thống, không thuộc về tính toán song song trên chuỗi. Chúng thực hiện việc mở rộng thông qua "vận hành đồng thời nhiều chuỗi/miền thực thi" thay vì nâng cao độ song song bên trong một khối/virtual machine duy nhất. 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 khác biệt trong tư tưởng kiến trúc.

Hai, Chuỗi Tăng Cường Song Song EVM: Đột Phá Ranh Giới Hiệu Suất Trong Tính Tương Thích

Cho đến nay, kiến trúc xử lý tuần tự của Ethereum đã trải qua nhiều nỗ lực mở rộng như phân mảnh, Rollup, kiến trúc mô-đun, nhưng vẫn chưa có bước đột phá căn bản trong việc tăng công suất 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, vừa đảm bảo tính tương thích sinh thái vừa nâng cao hiệu suất thực thi, đang trở thành hướng đi quan trọng trong đợt mở rộng tiếp theo. Monad và MegaETH là hai dự án đại diện tiêu biểu cho hướng đi này, lần lượt từ việc thực thi trễ và phân tách trạng thái, xây dựng kiến trúc xử lý song song EVM hướng tới các tình huống có độ 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 khái niệm song song cơ bản là xử lý theo chuỗi (Pipelining), thực hiện thực thi không đồng bộ ở lớp đồng thuận (Asynchronous Execution) và thực thi song song lạc quan ở lớp thực thi (Optimistic Parallel Execution). 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 nguyên lý cơ bản của việc thực thi song song của Monad, với ý tưởng cốt lõi là chia quy trình thực thi blockchain thành nhiều giai đoạn độc lập và xử lý các giai đoạn này song song, hình thành cấu 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 sự đồng thuận (Consensus), thực thi giao dịch (Execution) và cam kết khối (Commit).

Thực thi không đồng bộ: Đồng thuận - Giải quyết 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 không đồng bộ và thực thi không đồng bộ qua "thực thi không đồng bộ" và lưu trữ không đồng bộ. Giảm đáng kể thời gian khối (block time) và độ trễ xác nhận, khiến hệ thống linh hoạt hơn, quy trình xử lý được phân tách rõ ràng 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.
• Quy trình thực hiện (tầng thực hiện) được kích hoạt không đồng bộ sau khi đạt được sự đồng thuận.
• Sau khi hoàn thành sự đồng thuận, ngay lập tức vào quy trình đồng thuận khối tiếp theo, không cần chờ đợi hoàn thành thực hiện.

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 thi song song lạc quan", tăng cường đáng kể tốc độ xử lý giao dịch.

Cơ chế thực hiện:

• 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 đồng thời một "Bộ phát hiện xung đột (Conflict Detector)" để giám sát xem các giao dịch có truy cập vào cùng một trạng thái hay không (ví dụ 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 đã chọn một lộ trình tương thích: ít thay đổi quy tắc EVM nhất có thể, trong quá trình thực hiện 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 chuyển hệ sinh thái EVM, là bộ tăng tốc song song cho 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 hiệu suất cao mô-đun 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 các thành phần mô-đun. Mục tiêu thiết kế cốt lõi của nó là tách biệt 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 đề xuất là: kiến trúc Micro-VM + DAG phụ thuộc trạng thái (đồ thị phụ thuộc trạng thái có hướng không chu trình) và cơ chế đồng bộ mô-đun, cùng nhau xây dựng một hệ thống thực thi song song hướng tới "luồng trong chuỗi".

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

MegaETH đã giới thiệu mô hình thực thi "mỗi tài khoản một máy ảo vi mô (Micro-VM)", làm "tách biệt" môi trường thực thi, 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, 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 bị sửa đổi, những tài khoản nào được đọc thành mối quan hệ phụ thuộc. Các giao dịch không có xung đột có thể được thực hiện song song ngay lập tức, trong khi các giao dịch có mối quan hệ phụ thuộc sẽ được sắp xếp theo thứ tự topo hoặc trì hoãn thực hiện. 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 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 đồ thị phụ thuộc trạng thái để tiến hành điều độ 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 từ "cấu trúc tài khoản → kiến trúc điều độ → quy trình thực thi" ở mọi chiều, cung cấp một cách tiếp cận mới mang tính mẫu mực 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, giống như một hệ điều hành phân tán siêu cấp dưới triết lý của Ethereum.

Monad và MegaETH có thiết kế khác biệt lớn so với phân mảnh (Sharding): phân mảnh chia blockchain thành nhiều chuỗi con độc lập (phân mảnh Shards) theo chiều ngang, mỗi chuỗi con chịu trách nhiệm một phần giao dịch và trạng thái, phá vỡ hạn chế của chuỗi đơn trong việc mở rộng ở tầng mạng; trong khi Monad và MegaETH giữ nguyên tính toàn vẹn của chuỗi đơn, chỉ mở rộng theo chiều ngang ở tầng thực thi, tối ưu hóa thực hiện 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: 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 các con đường tối ưu hóa thông lượng, với mục tiêu chính 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 giao dịch hoặc cấp tài khoản. Trong khi đó, Pharos Network là một mạng blockchain L1 mô-đun và toàn diện, cơ chế tính toán song song cốt lõi của nó được gọi là "Rollup Mesh". Kiến trúc này hỗ trợ các môi trường máy ảo đa dạng (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 bằng chứng không kiến thức (ZK), môi trường thực thi đáng tin cậy (TEE), v.v.

Phân tích cơ chế tính toán song song Rollup Mesh:

1. Xử lý ống dẫn bất đồng bộ theo 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 trên hai máy ảo (Dual VM Parallel Execution): Pharos hỗ trợ hai môi trường máy ảo EVM và WASM, cho phép các nhà phát triển lựa 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 then chốt trong kiến trúc Pharos, tương tự như các mạng con mô-đun, được thiết kế đặc biệt để xử lý các loại nhiệm vụ hoặc ứng dụng cụ thể. Thông qua SPNs, Pharos có thể thực hiện việc 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 stake (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 tái stake.