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

Một, Tổng quan về lĩnh vực tính toán song song

Tam giác "không thể" của blockchain "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 đồng thời đạt được "an toàn tối đa, tất cả mọi người đều có thể tham gia, xử lý nhanh chóng". 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: Tăng cường khả năng thực thi tại chỗ, chẳng hạn như song song, GPU, đa nhân.
• Mở rộng tách biệt trạng thái: phân tách trạng thái theo chiều ngang, chẳng hạn như phân mảnh, UTXO, nhiều mạng con
• Mở rộng kiểu thuê ngoài không trên chuỗi: chuyển việc thực thi ra ngoài chuỗi, ví dụ như Rollup, Coprocessor, DA
• Kiến trúc mở rộng tách rời cấu trúc: mô-đun hóa kiến trúc, vận hành phối hợp, chẳng hạn như chuỗi mô-đun, bộ sắp xếp chia sẻ, Rollup Mesh
• Mở rộng đồng thời phi đồng bộ: Mô hình Actor, cách ly tiến trình, điều khiển bằng thông điệp, ví dụ như tác nhân, chuỗi phi đồng bộ đa luồng

Các giải pháp mở rộng blockchain bao gồm: tính toán song song trong chuỗi, Rollup, phân mảnh, mô-đun DA, cấu trúc mô-đun, hệ thống Actor, nén chứng minh zk, kiến trúc Stateless, v.v., bao gồm nhiều cấp độ như thực thi, trạng thái, dữ liệu, cấu trúc, là một hệ thống mở rộng hoàn chỉnh "hợp tác đa cấp, kết hợp mô-đun". Bài viết này sẽ 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 thi song song các giao dịch/lệnh bên trong khối. Theo cơ chế song song, cách mở rộng của nó 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 mức độ chi tiết của song song ngày càng cao, cường độ song song ngày càng lớn, độ phức tạp của việc 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 MicroVM song song (Call-level / MicroVM): đại diện cho dự án MegaETH
• Song song mức lệnh (Instruction-level): đại diện cho dự án GatlingX

Mô hình bất đồng bộ song song ngoài chuỗi, đại diện bởi hệ thống thông minh Actor (Mô hình Agent / Actor), chúng thuộc một kiểu mô hình tính toán song song khác, như một hệ thống tin nhắn giữa các chuỗi/bất đồng bộ (mô hình không đồng bộ khối), mỗi Agent là một "tiến trình thông minh" hoạt động độc lập, theo phương thức song song bất đồng bộ tin nhắn, dựa trên sự kiện, không cần lập lịch đồng bộ, các dự án đại diện bao gồm AO, ICP, Cartesi, v.v.

Và các giải pháp mở rộng quen thuộc như Rollup hoặc sharding thuộc cơ chế đồng thời cấp hệ thống, không thuộc tính toán song song bên trong chuỗi. Chúng thực hiện mở rộng thông qua "chạy song song nhiều chuỗi/miền thực thi" chứ không phải nâng cao độ song song bên trong một khối/virtual machine đơn lẻ. Các giải pháp mở rộng như vậy không phải là trọng tâm của bài viết này nhưng chúng tôi vẫn sẽ sử dụng chúng để so sánh sự khác biệt trong ý tưởng kiến trúc.

Hai, EVM hệ thống chuỗi tăng cường song song: Đột phá ranh giới hiệu suất trong tương thích

Kiến trúc xử lý tuần tự của Ethereum đã phát triển đến nay, trải qua nhiều nỗ lực mở rộng như phân đoạn, Rollup, kiến trúc mô-đun, nhưng vẫn chưa có bước đột phá căn bản về khả năng thông lượng của lớp 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 một con đường quan trọng cho sự mở rộng tiếp theo, vừa đảm bảo 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 từ việc thực hiện trì hoãn và phân giải trạng thái, xây dựng kiến trúc xử lý song song EVM cho các tình huống có độ đồng thời cao và khả năng thông lượng 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 bất đồng bộ (Asynchronous Execution) ở lớp đồng thuận và thực thi song song lạc quan (Optimistic Parallel Execution) ở lớp thực thi. Ngoài ra, ở lớp đồng thuận và lưu trữ, Monad đã 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 hiện song song nhiều giai đoạn

Pipelining là ý tưởng cơ bản về việc thực thi song song của Monad, với tư tưởng cốt lõi là chia nhỏ 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. Các giai đoạn hoạt động trên các luồng hoặc lõi 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 Nộp 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 hạn chế nghiêm trọng 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 được phân tách tốt hơn và hiệu quả 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 thi (tầng thực thi) được kích hoạt một cách không đồng bộ sau khi hoàn thành đồng thuận.
• Sau khi đồng thuận hoàn tất, ngay lập tức tiến vào quy trình đồng thuận của khối tiếp theo, không cần phải chờ hoàn tất thực hiện.

Thực thi song song lạc quan：乐观并行执行

Ethereum truyền thống áp 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", nâng cao đáng kể tốc độ xử lý giao dịch.

Cơ chế thực hiện:

• Monad sẽ lạc quan thực hiện song song tất cả các giao dịch, giả định rằng phần lớn các giao dịch không có xung đột trạng thái.
• Chạy một "Bộ 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, các giao dịch xung đột sẽ được tuần tự hóa và thực hiện lại để đảm bảo tính chính xác của trạng thái.

Monad đã chọn con đường tương thích: giảm thiểu tối đa sự thay đổi quy tắc EVM, trong quá trình thực thi thông qua việc hoãn ghi trạng thái, phát hiện xung đột động để thực hiện song song, giống như một phiên bản hiệu suất của Ethereum, độ trưởng thành tốt dễ dàng thực hiện việc di chuyển 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 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 (Execution Layer) trên Ethereum hoặc thành phần mô-đun. Mục tiêu thiết kế cốt lõi của nó là phân tách logic tài khoản, môi trường thực thi và trạng thái thành các đơn vị nhỏ nhất có thể lập lịch độc lập để đạt được khả năng thực thi đồng thời cao trong chuỗi và khả năng phản hồi 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 không vòng) và cơ chế đồng bộ hóa mô-đun, cùng nhau xây dựng hệ thống thực thi đồng thời hướng tới "luồng trong chuỗi".

Micro-VM (máy ảo vi mô) kiến trúc: tài khoản chính là luồng

MegaETH đã giới thiệu mô hình thực thi "một máy ảo vi mô (Micro-VM) cho mỗi tài khoản", biến môi trường thực thi thành "đa luồng", cung cấp đơn vị cách ly 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 này duy trì một đồ thị phụ thuộc toàn cầu (Dependency Graph) theo thời gian thực, mỗi giao dịch sửa đổi những tài khoản nào, đọc những tài khoản nào, tất cả đều được mô hình hóa thành mối quan hệ phụ thuộc. Các giao dịch không xung đột có thể được thực hiện song song trực tiếp, 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 lại nhiều lần 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 việc đóng gói vi máy ảo theo đơn vị tài khoản, điều phối giao dịch thông qua đồ thị phụ thuộc trạng thái 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 từ mọi chiều "cấu trúc tài khoản → kiến trúc điều phối → quy trình thực thi", 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 lộ trình tái cấu trúc: hoàn toàn trừu tượng hóa tài khoản và hợp đồng thành VM độc lập, thông qua lập lịch thực thi không 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 tư tưởng thiết kế rất khác nhau 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 giới hạn của chuỗi đơn trong việc mở rộng ở tầng mạng; trong khi đó, Monad và MegaETH đều giữ nguyên tính toàn vẹn của chuỗi đơn, chỉ mở rộng theo chiều ngang ở tầng thực thi, tối ưu hóa thực thi song song cực hạn bên trong chuỗi đơn để phá vỡ hiệu suất. Cả hai đại diện cho hai hướng trong con đường mở rộng blockchain: củng cố 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 lộ trình tối ưu hóa thông lượng, với mục tiêu chính là nâng cao TPS trong chuỗi, thông qua thực thi trì hoãn (Deferred Execution) và kiến trúc vi máy ảo (Micro-VM) để thực hiện xử lý song song ở cấp giao dịch hoặc tài khoản. Trong khi đó, Pharos Network là một mạng lưới blockchain L1 mô-đun, toàn diện và song song, với cơ chế tính toán song song cốt lõi được gọi là "Rollup Mesh". Kiến trúc này hỗ trợ môi trường nhiều máy ảo (EVM và Wasm) thông qua sự phối hợp 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), môi trường thực thi đáng tin cậy (TEE),...

Phân tích cơ chế tính toán song song Rollup Mesh:

1. Xử lý ống dẫn bất đồng bộ trong toàn bộ vòng đời (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos tách biệt các giai đoạn khác nhau của giao dịch (như đồng thuận, thực thi, lưu trữ) và áp dụng phương pháp xử lý bất đồng bộ, giúp cho mỗi giai đoạn có thể hoạt động độc lập và song song, từ đó nâng cao hiệu suất 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 lựa 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 then chốt trong kiến trúc Pharos, tương tự như các mạng con mô-đun, chuyên 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 đặt cọc (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 giao thức tái đặt cọc (Restaking) để thực hiện mạng chính và SPN.