Панорама паралельних обчислень у Web3: найкраще рішення для рідного масштабування?

I. Огляд сектора паралельних обчислень

«Неможливий трикутник» блокчейну — «безпека», «децентралізація», «масштабованість» — вказує на сутнісні компроміси в дизайні блокчейн-систем, а саме на те, що блокчейн-проекти важко реалізувати одночасно з «максимальною безпекою, участю всіх і швидкою обробкою». Щодо вічної теми «масштабованості», на сьогоднішній день основні рішення для розширення блокчейну на ринку класифікуються за парадигмами, зокрема:

• Виконання покращеного масштабування: підвищення виконавчих можливостей на місці, наприклад, паралельна обробка, GPU, багатоядерність
• Ізольоване масштабування стану: горизонтальне розділення стану, наприклад, шардінг, UTXO, багато підмереж
• Офлайн аутсорсинг розширення: виконання відбувається поза ланцюгом, наприклад, Rollup, Coprocessor, DA
• Декуплінгова типова розширювальність: модульна архітектура, спільна робота, наприклад, модульні ланцюги, спільні сортувальники, Rollup Mesh
• Асинхронне паралельне масштабування: модель актора, ізоляція процесів, керування повідомленнями, наприклад, агент, багатопоточний асинхронний ланцюг

Рішення щодо розширення блокчейну включають: паралельні обчислення в межах ланцюга, Rollup, шардінг, модулі DA, модульну структуру, систему Actor, стиснення zk-доказів, Stateless архітектуру тощо, охоплюючи кілька рівнів виконання, стану, даних і структури, є «повною системою розширення на основі багаторівневої координації та модульної комбінації». У цій статті основна увага приділяється способу розширення, що ґрунтується на паралельних обчисленнях.

Внутрішня паралельна обробка (intra-chain parallelism), зосереджена на паралельному виконанні транзакцій/інструкцій всередині блокчейну. За механізмами паралелізму, способи масштабування можна поділити на п’ять основних категорій, кожна з яких представляє різні вимоги до продуктивності, моделі розробки та архітектурну філософію; з кожною наступною категорією паралельний гранулярність стає дедалі тоншою, інтенсивність паралелізму зростає, складність розподілу також зростає, а програмна складність і складність реалізації також зростають.

• Рівень облікового запису (Account-level): представляє проект Solana
• Об'єктний рівень паралельності (Object-level): представляє проект Sui
• Торговий рівень паралельності (Transaction-level): представляє проекти Monad, Aptos
• Виклик рівня/Мікро VM паралельно (Call-level / MicroVM): представляє проект MegaETH
• Інструкційний рівень паралелізму (Instruction-level): представляє проект GatlingX

Зовнішня асинхронна конкурентна модель, представлена системою акторів (Agent / Actor Model), яка належить до іншої парадигми паралельних обчислень. Як міжланцюгова/асинхронна система повідомлень (не модель синхронізації блоків), кожен агент діє як незалежний «інтелектуальний процес», що обробляє асинхронні повідомлення в паралельному режимі, керуючи подіями без необхідності синхронізації. Представлені проекти: AO, ICP, Cartesi тощо.

А добре відомі нам рішення з Rollup або шардінгу належать до механізмів системного рівня паралелізму і не є паралельними обчисленнями в межах блокчейну. Вони досягають масштабування, «паралельно запускаючи кілька ланцюгів/виконавчих областей», а не підвищуючи ступінь паралелізму всередині окремого блоку/віртуальної машини. Ці рішення з масштабування не є основною темою даної статті, але ми все ж будемо використовувати їх для порівняння архітектурних концепцій.

Два, EVM-сумісний паралельний посилений ланцюг: прорив продуктивності в межах сумісності

Розробка серійної обробної архітектури Ethereum до сьогодні пройшла через кілька спроб розширення, включаючи шардінг, Rollup, модульну архітектуру тощо, але вузьке місце в пропускній спроможності виконавчого рівня все ще не отримало принципового прориву. Однак, у той же час, EVM та Solidity залишаються найбільш розвиненими платформами смарт-контрактів з точки зору бази розробників та екосистемного потенціалу. Тому посилена паралельна ланцюгова система EVM стає ключовим шляхом, який поєднує екосистемну сумісність та підвищення виконавчої продуктивності, і вона стає важливим напрямком нової хвилі еволюції розширення. Monad та MegaETH є найбільш представницькими проектами в цьому напрямку, які, починаючи з затриманої виконання та розподілу стану, будують паралельну обробну архітектуру EVM, орієнтуючи на сценарії з високою конкурентністю та високою пропускною здатністю.

Аналіз механізму паралельних обчислень Monad

Monad – це високопродуктивна Layer1 блокчейн, яка була перероблена для віртуальної машини Ethereum (EVM). Вона базується на основній паралельній концепції конвеєрної обробки (Pipelining) з асинхронним виконанням на рівні консенсусу (Asynchronous Execution) та оптимістичним паралельним виконанням (Optimistic Parallel Execution) на рівні виконання. Крім того, на рівнях консенсусу та зберігання Monad відповідно впровадила високопродуктивний BFT протокол (MonadBFT) та спеціалізовану систему бази даних (MonadDB), забезпечуючи оптимізацію від початку до кінця.

Пайплайнинг: механізм паралельного виконання з багатоступеневим конвеєром

Пайплайнінг — це основна концепція паралельного виконання Monad, основна ідея якої полягає в розділенні процесу виконання блокчейну на кілька незалежних етапів і паралельній обробці цих етапів, що формує тривимірну архітектуру конвеєра. Кожен етап виконується в незалежному потоці або ядрі, що дозволяє здійснювати паралельну обробку між блоками, в результаті чого досягається підвищення пропускної здатності та зменшення затримки. Ці етапи включають: пропозиція транзакції (Propose), досягнення консенсусу (Consensus), виконання транзакції (Execution) та подання блоку (Commit).

Асинхронне виконання: консенсус - виконання асинхронного розділення

У традиційних блокчейнах процеси консенсусу та виконання зазвичай є синхронними, і ця послідовна модель серйозно обмежує можливості масштабування продуктивності. Monad реалізує асинхронний консенсус, асинхронне виконання та асинхронне зберігання за допомогою «асинхронного виконання». Це суттєво зменшує час блокування (block time) та затримку підтвердження, роблячи систему більш гнучкою, процеси більш детальними та ефективність використання ресурсів вищою.

Основний дизайн:

• Процес консенсусу (рівень консенсусу) відповідає лише за впорядкування транзакцій, не виконуючи логіку контракту.
• Виконавчий процес (виконавчий рівень) асинхронно запускається після завершення консенсусу.
• Після завершення консенсусу негайно переходьте до процесу консенсусу наступного блоку, не чекаючи завершення виконання.

Оптимістичне паралельне виконання：乐观并行执行

Традиційний Ethereum використовує сувору послідовну модель для виконання транзакцій, щоб уникнути конфліктів стану. Натомість Monad використовує стратегію «оптимістичного паралельного виконання», що суттєво підвищує швидкість обробки транзакцій.

Механізм виконання:

• Monad оптимістично виконає всі транзакції паралельно, припускаючи, що більшість транзакцій не має конфліктів стану.
• Одночасно запустіть «Детектор конфліктів (Conflict Detector))», щоб контролювати, чи доступали транзакції до одного й того ж стану (наприклад, конфлікти читання/запису).
• Якщо буде виявлено конфлікт, конфліктні транзакції будуть серіалізовані та повторно виконані, щоб забезпечити коректність стану.

Monad обрав сумісний шлях: мінімально змінюючи правила EVM, під час виконання досягаючи паралелізму шляхом відстрочки запису стану та динамічного виявлення конфліктів, більше нагадує продуктивну версію Ethereum, має хорошу зрілість та легкість у реалізації міграції екосистеми EVM, є паралельним прискорювачем світу EVM.

Аналіз механізму паралельних обчислень MegaETH

На відміну від позиціонування Monad L1, MegaETH позиціонується як модульний високопродуктивний паралельний виконавчий шар, сумісний з EVM, який може виконуватися як незалежна L1 публічна блокчейн-мережа, так і як шар підвищення виконання (Execution Layer) або модульний компонент на Ethereum. Його основна мета полягає в розділенні логіки облікового запису, виконавчого середовища та стану на незалежно плановані мінімальні одиниці для досягнення високої пропускної здатності виконання в ланцюзі та низької затримки відповіді. Ключова інновація MegaETH полягає в: архітектурі Micro-VM + State Dependency DAG (орієнтований ациклічний граф залежностей стану) та модульному механізмі синхронізації, які разом створюють паралельну виконавчу систему, орієнтовану на "потокову обробку в ланцюзі".

Архітектура Micro-VM (мікровіртуальна машина): обліковий запис як потік

MegaETH впроваджує модель виконання «один мікровіртуальний комп'ютер (Micro-VM) на рахунок», «потокуючи» середовище виконання та забезпечуючи мінімальну одиницю ізоляції для паралельного планування. Ці ВМ взаємодіють через асинхронне повідомлення (Asynchronous Messaging), а не через синхронні виклики, що дозволяє великій кількості ВМ виконуватись незалежно та зберігатись окремо, що природно сприяє паралелізму.

Даг залежності стану: механізм планування на основі графа залежностей

MegaETH побудував систему планування DAG, засновану на доступі до стану облікових записів, яка в реальному часі підтримує глобальний граф залежностей (Dependency Graph). Кожна транзакція модифікує певні облікові записи, читає певні облікові записи, все моделюється як залежності. Неконфліктні транзакції можуть виконуватись паралельно, а транзакції з залежностями будуть плануватись у порядку топологічної черги або затримуватись. Граф залежностей забезпечує узгодженість стану та неповторне записування під час паралельного виконання.

Асинхронне виконання та механізм зворотного виклику

MegaETH побудований на основі парадигми асинхронного програмування, аналогічно асинхронному обміну повідомленнями моделі актора, яка вирішує проблему традиційних послідовних викликів EVM. Виклики контрактів є асинхронними (нерекурсивним виконанням), і при виклику контракту A -> B -> C кожен виклик є асинхронним без блокування очікування; Стек викликів розгортається в асинхронний графік дзвінків; Обробка транзакцій = обхід асинхронного графіка + дозвіл залежностей + паралельне планування.

У підсумку, MegaETH руйнує традиційну модель EVM з однонитковою машинною станом, реалізуючи мікровіртуальну машину на основі облікових записів, здійснюючи розкладку транзакцій за допомогою графіка залежностей стану та замінюючи синхронний стек викликів асинхронним механізмом повідомлень. Це паралельна обчислювальна платформа, яка була переосмислена з усіх вимірів "структура облікових записів → архітектура розподілу → процес виконання", що надає нові парадигмальні ідеї для створення наступного покоління високопродуктивних систем на блокчейні.

MegaETH обрала шлях реконструкції: повністю абстрагувати облікові записи та контракти в незалежну VM, звільняючи максимальний потенціал паралельного виконання через асинхронне виконання планування. Теоретично, паралельний ліміт MegaETH вищий, але також складніше контролювати складність, більше нагадує суперрозподілену операційну систему в концепції Ethereum.

Дизайнерські концепції Monad та MegaETH істотно відрізняються від шардінгу (Sharding): шардінг розподіляє блокчейн на кілька незалежних підланок (шарди), кожна з яких відповідає за частину транзакцій та стану, розриваючи обмеження одноланкового в мережевому масштабуванні; тоді як Monad та MegaETH зберігають цілісність одноланки, лише горизонтально масштабуючи на рівні виконання, максимально паралельно виконуючи оптимізації всередині одноланки для покращення продуктивності. Обидва представляють два напрямки в розширенні блокчейну: вертикальне посилення та горизонтальне масштабування.

Проекти паралельних обчислень, такі як Monad і MegaETH, здебільшого зосереджені на оптимізації пропускної спроможності, щоб підвищити TPS в мережі блокчейн, реалізуючи паралельну обробку на рівні транзакцій або облікового запису за допомогою відкладеного виконання (Deferred Execution) та архітектури мікровіртуальної машини (Micro-VM). Pharos Network, як модульна, повноцінна паралельна L1 блокчейн-мережа, має основний механізм паралельних обчислень, відомий як «Rollup Mesh». Ця архітектура підтримує співпрацю між основною мережею та спеціальними оброблювальними мережами (SPNs), підтримує багато віртуальних машин (EVM та Wasm) та інтегрує такі передові технології, як нульові знання (ZK) та довірене середовище виконання (TEE).

Аналіз механізму паралельних обчислень Rollup Mesh:

1. Повний життєвий цикл асинхронної конвеєрної обробки (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos розділяє різні етапи транзакції (такі як консенсус, виконання, зберігання) та використовує асинхронний підхід, що дозволяє кожному етапу незалежно та паралельно виконуватися, тим самим підвищуючи загальну ефективність обробки.
2. Паралельне виконання двох віртуальних машин (Dual VM Parallel Execution): Pharos підтримує дві віртуальні середовища EVM та WASM, що дозволяє розробникам обирати відповідне середовище виконання відповідно до потреб. Ця архітектура з двома віртуальними машинами не лише підвищує гнучкість системи, але й покращує потужність обробки транзакцій завдяки паралельному виконанню.
3. Спеціалізовані мережі (SPNs): SPNs є ключовими компонентами архітектури Pharos, подібно до модульних підмереж, які спеціально призначені для обробки певних типів завдань або додатків. За допомогою SPNів Pharos може реалізувати динамічний розподіл ресурсів та паралельну обробку завдань, що ще більше підвищує масштабованість і продуктивність системи.
4. Модульний консенсус та механізм повторної застави (Modular Consensus & Restaking): Pharos впроваджує гнучкий механізм консенсусу, що підтримує різноманітні моделі консенсусу (наприклад, PBFT, PoS, PoA), і реалізує зв'язок між основною мережею та SPN через протокол повторної застави (Restaking).