Web3並行計算トラックの全景図：ネイティブスケーリングの最適なソリューション？

一、並行計算サーキットの概要

ブロックチェーンの「不可能な三角形」、「セキュリティ」、「分散化」、「スケーラビリティ」は、ブロックチェーンシステム設計における本質的なトレードオフを明らかにしています。つまり、ブロックチェーンプロジェクトは「極限の安全性、誰もが参加できる、高速処理」を同時に実現することが難しいのです。「スケーラビリティ」という永遠のテーマに関して、現在市場に出ている主流のブロックチェーン拡張ソリューションは、パラダイムによって区別されています。

• 実行の強化型スケーリング：現場での実行能力の向上、例えば並列処理、GPU、マルチコア
• ステートアイソレーション型スケーリング：水平分割ステート、例えばシャーディング、UTXO、多重サブネット
• オフチェーンアウトソーシング型スケーリング：実行をチェーン外に置く、例えば Rollup、Coprocessor、DA
• 構造デカップリング型拡張：アーキテクチャのモジュール化、協調運用、例えばモジュールチェーン、共有ソート装置、Rollup Mesh
• 非同期並行型スケーリング：アクターモデル、プロセス隔離、メッセージ駆動、例えばエージェント、マルチスレッド非同期チェーン

ブロックチェーンのスケーリングソリューションには、オンチェーン並列計算、Rollup、シャーディング、DAモジュール、モジュラー構造、アクターシステム、zk証明圧縮、ステートレスアーキテクチャなどが含まれ、実行、状態、データ、構造の複数のレベルをカバーしています。これは「マルチレベルの協調、モジュールの組み合わせ」の完全なスケーリングシステムです。本稿では、並列計算を主流とするスケーリング手法に重点を置いて紹介します。

チェーン内並列計算 (intra-chain parallelism)は、ブロック内部のトランザクション/命令の並列実行に注目しています。並列メカニズムに基づいて、その拡張方法は5つの大きなカテゴリに分けられ、それぞれが異なる性能追求、開発モデル、アーキテクチャ哲学を表しています。並列の粒度は順次細かくなり、並列強度はますます高くなり、スケジューリングの複雑さも高くなり、プログラミングの複雑性と実装の難易度も増加しています。

• アカウントレベルの並行処理（Account-level）： プロジェクト Solana を代表する
• オブジェクトレベルの並行性（Object-level）：プロジェクト Sui を代表する *トランザクションレベル:プロジェクトMonad、Aptosを表します
• コールレベル / マイクロVMの並列処理（Call-level / MicroVM）: プロジェクト MegaETHを代表する *指導レベル:プロジェクトGatlingXを表します

チェーン外の非同期並行モデルは、エージェント/アクターモデル（Actor Model）を代表とし、別の並列計算のパラダイムに属します。これはクロスチェーン/非同期メッセージシステム（ブロック同期モデルではない）として機能し、各エージェントは独立して動作する「インテリジェントプロセス」として、非同期メッセージ、イベント駆動、同期スケジューリングを必要とせずに並行して機能します。代表的なプロジェクトには AO、ICP、Cartesi などがあります。

私たちがよく知っているRollupやシャーディングのスケーリングソリューションは、システムレベルの並行機構に属し、チェーン内の並列計算には属しません。それらは「複数のチェーン/実行領域を並行して実行する」ことによってスケーリングを実現しており、単一のブロック/仮想マシン内部の並行性を向上させるのではありません。この種のスケーリングソリューションは本稿の主題ではありませんが、私たちはそれをアーキテクチャの理念の異同比較に使用します。

二、EVMシステムの並列強化チェーン：互換性の中で性能の限界を突破する

イーサリアムのシリアル処理アーキテクチャは、これまでにシャーディング、ロールアップ、モジュラーアーキテクチャなどの複数のスケーリング試行を経てきましたが、実行層のスループットのボトルネックは依然として根本的な突破口を見出していません。しかし同時に、EVMとSolidityは、現在最も開発者の基盤とエコシステムのポテンシャルを持つスマートコントラクトプラットフォームであり続けています。したがって、EVM系列の並行強化チェーンは、エコシステムの互換性と実行性能の向上を兼ね備えた重要な道筋として、新たなスケーリング進化の重要な方向性となりつつあります。MonadとMegaETHは、この方向性において最も代表的なプロジェクトであり、それぞれ遅延実行と状態分解から出発し、高同時実行性、高スループットのシナリオに向けたEVM並行処理アーキテクチャを構築しています。

Monadの並列計算メカニズムの解析

Monadは、Ethereum仮想マシン（EVM）を再設計した高性能のLayer1ブロックチェーンであり、パイプライン処理（Pipelining）という基本的な並列の概念に基づいて、合意層での非同期実行（Asynchronous Execution）と、実行層での楽観的並行実行（Optimistic Parallel Execution）を実現しています。さらに、合意層とストレージ層において、Monadはそれぞれ高性能BFTプロトコル（MonadBFT）と専用データベースシステム（MonadDB）を導入し、エンドツーエンドの最適化を実現しています。

パイプライン：複数段階のパイプライン並列実行メカニズム

パイプライン処理はモナドの並行実行の基本的な理念であり、その核心的な考え方はブロックチェーンの実行プロセスを複数の独立した段階に分割し、これらの段階を並行処理することで立体的なパイプラインアーキテクチャを形成し、各段階が独立したスレッドまたはコアで実行され、ブロックを超えた同時処理を実現し、最終的にスループットの向上とレイテンシの低下を達成することです。これらの段階には、取引提案（Propose）、コンセンサス達成（Consensus）、取引実行（Execution）、およびブロック提出（Commit）が含まれます。

非同期実行：コンセンサス - 実行の非同期デカップリング

従来のブロックチェーンでは、取引のコンセンサスと実行が通常同期プロセスであり、この直列モデルはパフォーマンスの拡張を厳しく制限します。Monadは「非同期実行」によって、コンセンサス層の非同期、実行層の非同期、ストレージの非同期を実現しました。ブロック時間（block time）と確認遅延を大幅に削減し、システムの弾力性を高め、処理プロセスをより細分化し、リソースの利用効率を向上させます。

コアデザイン：

• コンセンサスプロセス（コンセンサス層）は、トランザクションの順序付けのみを行い、契約のロジックを実行しません。
• 実行プロセス（実行層）は、コンセンサスが完了した後、非同期にトリガーされます。
• コンセンサスが完了した後、すぐに次のブロックのコンセンサスプロセスに入ります。実行が完了するのを待つ必要はありません。

オプティミスティック並列実行

従来のイーサリアムは取引実行に厳格な直列モデルを採用し、状態の競合を避けています。一方、Monadは「楽観的並行実行」戦略を採用し、取引処理速度を大幅に向上させています。

実行メカニズム：

• Monadは、ほとんどのトランザクション間に状態の競合がないと仮定して、すべてのトランザクションを楽観的に並行実行します。
• 同時に「衝突検出器（Conflict Detector)」を実行して、取引間で同じ状態にアクセスしているか（読み取り/書き込みの競合など）を監視します。
• 衝突が検出された場合、衝突トランザクションは直列化されて再実行され、状態の正確性が保証されます。

Monadは互換性のあるパスを選択しました：EVMルールをできるだけ変更せず、実行中に状態の書き込みを遅延させ、動的に衝突を検出することで並行性を実現します。これはパフォーマンス版のイーサリアムに近く、成熟度が高くEVMエコシステムの移行が容易で、EVM世界の並行アクセラレータです。

MegaETHの並列計算メカニズムの解析

Monadとは異なるL1の位置付けとして、MegaETHはEVM互換のモジュール型高性能並列実行層として位置付けられ、独立したL1パブリックチェーンとしても、Ethereum上の実行強化層（Execution Layer）またはモジュール型コンポーネントとしても機能します。そのコア設計目標は、アカウントロジック、実行環境、および状態を隔離して構造化し、独立してスケジュール可能な最小単位に分解することで、チェーン内の高い並行実行と低遅延応答能力を実現することです。MegaETHが提案する重要な革新は、Micro-VMアーキテクチャとState Dependency DAG（有向無環状状態依存グラフ）およびモジュール型同期メカニズムの組み合わせにより、「チェーン内スレッド化」を目指した並列実行システムを構築することです。

マイクロVM（マイクロバーチャルマシン）アーキテクチャ：アカウントはスレッドである

MegaETHは「各アカウントに1つのマイクロ仮想マシン（Micro-VM）」の実行モデルを導入し、実行環境を「スレッド化」し、並行スケジューリングのための最小隔離単位を提供します。これらのVMは非同期メッセージ通信（Asynchronous Messaging）を介して相互に通信し、同期呼び出しではなく、大量のVMが独立して実行され、独立してストレージを持ち、自然に並行します。

状態依存DAG：依存グラフ駆動のスケジューリングメカニズム

MegaETHは、アカウントの状態アクセス関係に基づいたDAGスケジューリングシステムを構築しました。このシステムは、リアルタイムでグローバル依存グラフ（Dependency Graph）を維持し、各取引がどのアカウントを変更し、どのアカウントを読み取るかをすべて依存関係としてモデル化します。競合のない取引は直接並行して実行でき、依存関係のある取引はトポロジー順に直列または遅延してスケジューリングされます。依存グラフは、並行実行プロセス中の状態の一貫性と非重複書き込みを保証します。

非同期実行とコールバックメカニズム

MegaETHは非同期プログラミングパラダイムに基づいて構築されており、Actor Modelに似た非同期メッセージ伝達を使用して、従来のEVMの直列呼び出しの問題を解決します。コントラクト呼び出しは非同期であり（再帰的実行ではなく）、コントラクトAからB、BからCへの呼び出しでは、各呼び出しが非同期化され、ブロッキング待機は不要です。呼び出しスタックは非同期呼び出しグラフ（Call Graph）に展開されます。取引処理は=非同期グラフの遍歴 + 依存関係の解決 + 並列スケジューリングです。

要するに、MegaETHは従来のEVM単一スレッド状態機械モデルを打破し、アカウント単位でマイクロバーチャルマシンのカプセル化を実現し、状態依存グラフを通じてトランザクションスケジューリングを行い、非同期メッセージメカニズムで同期呼び出しスタックを代替しています。これにより、「アカウント構造 → スケジューリングアーキテクチャ → 実行プロセス」という全次元で再設計された並列計算プラットフォームが提供され、次世代高性能オンチェーンシステムを構築するためのパラダイムレベルの新しいアイデアを提示しています。

MegaETHは再構築の道を選択しました：アカウントと契約を独立したVMに完全に抽象化し、非同期実行スケジューリングを通じて極限の並行性の可能性を解放します。理論的には、MegaETHの並行上限はより高いですが、複雑さを制御するのも難しく、Ethereumの理念に基づくスーパー分散型オペレーティングシステムに近いです。

MonadとMegaETHの両者の設計理念は、シャーディング（分片）とは大きく異なります。シャーディングはブロックチェーンを複数の独立したサブチェーン（分片Shards）に横方向に分割し、各サブチェーンが一部の取引と状態を担当し、ネットワーク層のスケーラビリティを向上させます。一方で、MonadとMegaETHは単一のチェーンの完全性を維持し、実行層での横方向のスケーリングを行い、単一チェーン内部での限界並行実行の最適化により性能を突破します。両者はブロックチェーンの拡張パスにおける縦の強化と横の拡張という2つの方向を代表しています。

MonadとMegaETHなどの並列計算プロジェクトは、主にスループット最適化のパスに集中し、チェーン内TPSの向上を核心目標としています。遅延実行（Deferred Execution）とマイクロ仮想マシン（Micro-VM）アーキテクチャを通じて、取引レベルまたはアカウントレベルの並列処理を実現しています。一方、Pharos Networkはモジュール式のフルスタック並列L1ブロックチェーンネットワークであり、そのコア並列計算メカニズムは「Rollup Mesh」と呼ばれています。このアーキテクチャは、メインネットと特別処理ネットワーク（SPNs）の協調作業を通じて、多仮想マシン環境（EVMとWasm）をサポートし、ゼロ知識証明（ZK）、信頼実行環境（TEE）などの先進技術を統合しています。

ロールアップ メッシュ並列計算解析:

1. フルライフサイクル非同期パイプライン処理（Full Lifecycle Asynchronous Pipelining）：Pharosは、取引の各段階（コンセンサス、実行、ストレージなど）をデカップリングし、非同期処理方式を採用することで、各段階が独立して並行して進行できるようにし、全体的な処理効率を向上させます。
2. デュアルVM並行実行（Dual VM Parallel Execution）：PharosはEVMとWASMの2つの仮想マシン環境をサポートしており、開発者はニーズに応じて適切な実行環境を選択できます。このデュアルVMアーキテクチャは、システムの柔軟性を高めるだけでなく、並行実行を通じて取引処理能力を向上させます。
3. 特殊処理ネットワーク（SPNs）：SPNsはPharosアーキテクチャの重要なコンポーネントであり、特定のタイプのタスクやアプリケーションを処理するために特化されたモジュール化されたサブネットワークに似ています。SPNsを通じて、Pharosはリソースの動的配分とタスクの並列処理を実現し、システムのスケーラビリティと性能をさらに向上させます。
4. モジュラー合意と再ステーキングメカニズム（Modular Consensus & Restaking）：Pharosは柔軟な合意メカニズムを導入し、複数の合意モデル（PBFT、PoS、PoAなど）をサポートし、再ステーキングプロトコル（Restaking）を通じてメインネットとSPNを実現します。