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

ブロックチェーンの「不可能三角」（Blockchain Trilemma）「安全性」「非中央集権」「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おり、ブロックチェーンプロジェクトが「極端な安全性、全員の参加、高速処理」を同時に実現することが難しいことを示しています。「スケーラビリティ」という永遠のテーマに関して、現在市場に出回っている主流のブロックチェーン拡張ソリューションは、パラダイムに基づいて区別されています。

• 拡張型実行を実行：実行能力をその場で向上させる、例えば並行処理、GPU、マルチコア
• ステータスアイソレーション型スケーリング：水平分割ステータス/シャード、例えば、シャーディング、UTXO、マルチサブネット
• オフチェーンの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スケーリング：アーキテクチャのモジュール化、協調運用、たとえばモジュールチェーン、共有ソート、Rollup Mesh
• 非同期並行型スケーリング：アクターモデル、プロセスの隔離、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、Stateless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おり、"多層協調、モジュールの組み合わせ"の完全なスケーリング体系です。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、ブロック内部の取引/命令の並列実行に注目しています。並列メカニズムによって分類すると、その拡張方法は5つの大きなカテゴリーに分かれ、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。並列粒度は次第に細かくなり、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増し、プログラミングの複雑性と実装の難易度も高まります。

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

チェーン外非同期並行モデルは、Actor スマートエージェントシステム（Agent / Actor Model）を代表とし、別の並列計算パラダイムに属します。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、各エージェントは独立して動作する「スマートプロセス」として、非同期メッセージを並行して処理し、イベント駆動型であり、同期スケジューリングを必要としません。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やシャーディング拡張ソリューションは、システムレベルの並行メカニズムに属し、チェーン内の並行計算には該当しません。これらは「複数のチェーン/実行ドメインを並行して実行する」ことで拡張を実現しますが、単一のブロック/仮想マシン内部の並行性を高めるわけではありません。このような拡張ソリューションは本記事の主な議題ではありませんが、アーキテクチャの理念の異同比較に利用するつもりです。

2. EVM Parallel Enhancement Chain: 互換性の性能境界を突破

イーサリアムの直列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拡張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を果たしていません。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潜在能力を持つスマートコントラクトプラットフォームです。したがって、EVM系の並列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両立させる重要な道筋として、新たな拡張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、高い同時実行性と高スループットのシナリオに向けたEVMの並列処理アーキテクチャを構築しています。

Monadの並行計算メカニズム解析

Monadは、イーサリアム仮想マシン（EVM）向けに再設計された高性能Layer1ブロックチェーンで、パイプライン処理（Pipelining）という基本的な並列理念に基づいており、コンセンサス層では非同期実行（Asynchronous Execution）、実行層では楽観的並行実行（Optimistic Parallel Execution）を実現しています。さらに、コンセンサス層とストレージ層では、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：多段階パイプライン並列実行メカニズム

パイプライン化はモナドの並行実行の基本理念であり、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によって立体的なパイプライン構造を形成し、各段階が独立したスレッドまたはコアで動作し、ブロック間の同時処理を実現し、最終的にスループットの向上と遅延の低減を達成することです。これらの段階には、取引提案（Propose）、合意形成（Consensus）、取引実行（Execution）、およびブロックのコミット（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は通常、同期プロセスであり、この直列モデルは性能の拡張を著しく制限します。Monadは「非同期実行」により、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。ブロック時間と確認遅延を大幅に低下させ、システムをより弾力的にし、処理プロセスをより細分化し、リソースの利用率を向上させます。

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担当し、契約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に非同期でトリガーされます。
• コンセンサスが完了すると、次のブロックのコンセンサスプロセスに即座に移行し、実行の完了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、状態の競合を避けるために厳密な直列モデルを使用して取引を実行します。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ます。

実行メカニズム：

• Monadは、ほとんどの取引に状態の衝突がないと仮定して、楽観的にすべての取引を並行して実行します。
• 同時に "コンフリクトディテクター（Conflict Detector)）" を実行して、トランザクション間で同じ状態にアクセスしているか（例えば、読み取り/書き込みの競合）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、状態の正確性が確保されます。

Monadは、EVMルールをできるだけ変更せずに、実行中に状態の書き込みを遅延させ、動的に競合を検出することで並行性を実現する互換パスを選択しました。これは、パフォーマンス版のイーサリアムに似ており、成熟度が高くEVMエコシステムの移行が容易で、EVMの世界の並行アクセラレーターです。

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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互換のモジュール化された高性能並行実行層として位置付けられ、独立したL1ブロックチェーンとしても、Ethereum上の実行強化層（Execution Layer）やモジュール化コンポーネントとしても機能します。その核心設計目標は、アカウントロジック、実行環境、状態を分離して構築し、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 + State Dependency DAG（有向無環状態依存グラフ）およびモジュラー同期メカニズムであり、これらが共同で「チェーン内スレッド化」に向けた並行実行システムを構築します。

マイクロVM（微小仮想マシン）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」して並列スケジューリング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）を通じて通信し、同期呼び出しではなく、多数のVMが独立して実行および独立してストレージを持ち、自然に並列化されています。

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関係グラフ（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カル順序に従って直列または遅延してスケジュールされます。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、Actor Modelに似た非同期メッセージングを用いた非同期プログラミングパラダイムの上に構築されており、従来のEVMの直列呼び出しの問題を解決します。コントラクトの呼び出しは非同期（非再帰実行）であり、コントラクトAからB、BからCへの呼び出しの際、各呼び出しは非同期化されており、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（コールグラフ）に展開されます；トランザクション処理＝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。

要するに、MegaETHは従来のEVMの単一スレッド状態機械モデルを突破し、アカウント単位でマイクロVMのカプセル化を実現し、状態依存グラフを通じて取引スケジューリングを行い、非同期メッセージメカニズムを同期呼び出しスタックに置き換えています。これは「アカウント構造 → スケジューリングアーキテクチャ → 実行フロー」という全次元で再設計された並行計算プラットフォームであり、次世代の高性能チェーン上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供します。

MegaETHは再構築の道を選択しました：アカウントと契約を完全に独立したVMに抽象化し、非同期実行スケジューリングを通じて究極の並列性のポテンシャルを解放します。理論的には、MegaETHの並列上限はより高いですが、複雑さの制御が難しく、イーサリアムの理念に基づくスーパー分散オペレーティングシステムのようになります。

MonadとMegaETHの設計理念は、シャーディング（Sharding）とは大きく異なる。シャーディングはブロックチェーンを横に切り分けて複数の独立したサブチェーン（シャード）を作り、それぞれのサブチェーンが一部の取引と状態を担当し、ネットワーク層の拡張における単一チェーンの制限を打破する。一方、MonadとMegaETHは単一チェーンの完全性を保ちながら、実行層での横の拡張を行い、単一チェーン内部の限界並行実行最適化を通じて性能を突破する。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二つの方向を代表している。

MonadとMegaETHなどの並列計算プロジェクトは、チェーン内TPSを向上させることを核心目標として、スループット最適化パスに主に集中しています。遅延実行（Deferred Execution）とマイクロバーチャルマシン（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はモジュラーでフルスタックの並列L1ブロックチェーンネットワークであり、その核心の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、メインネットと特殊処理ネットワーク（SPNs）の協調作業を通じて、複数のバーチャルマシン環境（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（合意、実行、保存など）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実行できるようにし、全体的な処理効率を向上させます。
2. デュアルVM並列実行（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、並列実行によっ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のモジュラーサブネットワークのようなものです。SPNsを通じて、Pharosはリソースの動的割り当てとタスクの並行処理を実現し、システムのスケーラビリティとパフォーマンスをさらに向上させます。
4. モジュラーコンセンサスと再ステーキングメカニズム（Modular Consensus & Restaking）：Pharosは柔軟なコンセンサスメカニズムを導入し、複数のコンセンサスモデル（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SPNsを実現します。