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

"Tam giác không thể" của blockchain (Blockchain Trilemma) về "an ninh", "phi tập trung" và "khả năng mở rộng" tiết lộ sự đánh đổi cốt lõi trong thiết kế hệ thống blockchain, tức là các dự án blockchain rất khó để đạt được "an toàn tối đa, mọi người có thể tham gia, xử lý nhanh chóng" cùng một lúc. Đối với chủ đề vĩnh cửu "khả năng mở rộng", các giải pháp mở rộng blockchain chính trên thị trường hiện nay được phân loại theo các kiểu dáng, bao gồm:

• Thực hiện mở rộng tăng cường: Nâng cao 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/Shard, chẳng hạn như phân mảnh, UTXO, nhiều subnet
• Mở rộng theo kiểu thuê ngoài không trên chuỗi: Đưa việc thực hiện ra ngoài chuỗi, ví dụ như Rollup, Coprocessor, DA
• Mở rộng kiểu giải cấu trúc: Mô-đun kiến trúc, vận hành phối hợp, ví dụ như chuỗi mô-đun, bộ sắp xếp chia sẻ, Rollup Mesh
• Mở rộng đồng thời bất đồng bộ: Mô hình Actor, cách ly tiến trình, điều khiển theo thông điệp, chẳng hạn như tác nhân, chuỗi bất đồng bộ đa luồng

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 như thực thi, trạng thái, dữ liệu, cấu trúc, là một hệ thống mở rộng hoàn chỉnh "hợp tác đa lớp, kết hợp mô-đun". Bài viết này sẽ tập trung giới thiệu phương pháp 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, 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 khác nhau, lần lượt mức độ chi tiết của song song ngày càng cao, cường độ song song ngày càng lớn, độ phức tạp của 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 theo 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 độ / MicroVM song song (Call-level / MicroVM): đại diện cho dự án MegaETH
• Song song cấp lệnh (Instruction-level): đại diện cho dự án GatlingX

Mô hình đồng thời không đồng bộ ngoài chuỗi, đại diện bởi hệ thống thông minh Actor (Mô hình Đại lý / Actor), thuộc về một loại hình tính toán song song khác, như một hệ thống tin nhắn không đồng bộ/qua chuỗi (mô hình không đồng bộ blockchain), mỗi Đại lý hoạt động như một "tiến trình thông minh độc lập", theo cách đồng thời gửi tin nhắn không đồng bộ, dựa trên sự kiện, không cần lên lịch đồng bộ, các dự án đại diện có AO, ICP, Cartesi, v.v.

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

Hai, EVM hệ thống chuỗi nâng cao song song: Đột phá giới hạn hiệu suất trong khả năng tương thích

Kiến trúc xử lý tuần tự của Ethereum đã phát triển đến nay, trải qua nhiều vòng thử nghiệm mở rộng như phân đoạn, Rollup, kiến trúc mô-đun, nhưng nút thắt về thông lượng ở tầng thực thi vẫn chưa đạt được đột phá cơ bản. Nhưng trong khi đó, EVM và Solidity vẫn là nền tảng hợp đồng thông minh có cơ sở phát triển và tiềm năng sinh thái lớn nhất hiện nay. Do đó, chuỗi tăng cường song song EVM đang trở thành con đường quan trọng cho sự phát triển mở rộng mới, vừa đảm bảo tính tương thích sinh thái vừa nâng cao hiệu suất thực thi. 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 kịch bản có độ đồng thời cao và 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 nguyên tắc song song cơ bản là xử lý theo ống (Pipelining), thực hiện đồng thuận theo cách bất đồng bộ (Asynchronous Execution) ở tầng đồng thuận và thực hiện song song lạc quan (Optimistic Parallel Execution) ở tầng thực thi. Ngoài ra, ở tầng 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), đạt được tối ưu hóa từ đầu đến cuối.

Pipelining: Cơ chế thực thi song song đa giai đoạn

Pipelining là nguyên tắc cơ bản của việc thực thi song song trong 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 nên kiến trúc ống dẫn ba chiều, các giai đoạn chạy trên các luồng hoặc nhân 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 bất đồng bộ: Nhận thức - Thực thi tách rời bất đồng bộ

Trong chuỗi truyền thống, 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 đồng thuận không đồng bộ ở lớp đồng thuận, thực thi không đồng bộ ở lớp thực thi và lưu trữ không đồng bộ thông qua "thực thi không đồng bộ". Giảm đáng kể thời gian khối (block time) và độ trễ xác nhận, làm cho hệ thống có tính linh hoạt hơn, quy trình xử lý được chi tiết hóa 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 hoàn thành sự đồng thuận.
• Sau khi đồng thuận hoàn tất, ngay lập tức vào quy trình đồng thuận khối tiếp theo mà không cần chờ hoàn thành thực thi.

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 để 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 thi:

• Monad sẽ lạc quan thực hiện song song tất cả các giao dịch, 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 cùng một trạng thái hay không (ví dụ: 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: hạn chế tối đa việc thay đổi quy tắc EVM, trong quá trình thực thi thông qua việc hoãn ghi trạng thái, phát hiện xung đột động để đạt được sự song song, giống như phiên bản hiệu suất của Ethereum, độ trưởng thành cao 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 song song hiệu suất cao, 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 tách biệt và cấu trúc logic tài khoản, môi trường thực thi và trạng thái thành các đơn vị tối thiểu có thể lên lịch độc lập, nhằm đạt được khả năng thực thi đồng thời cao trong chuỗi và khả năng phản hồi độ trễ thấp. Sự đổi mới chính mà MegaETH đưa ra là: Kiến trúc Micro-VM + State Dependency DAG (Đồ thị phụ thuộc trạng thái có hướng vô chu kỳ) và cơ chế đồng bộ hóa mô-đun, cùng nhau xây dựng một hệ thống thực thi song song hướng tới "đa luồng trong chuỗi".

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

MegaETH đã giới thiệu mô hình thực thi "mỗi tài khoản một máy ảo vi mô (Micro-VM)", biến môi trường thực thi thành "đa luồng", cung cấp đơn vị cách ly tối thiểu cho lập lịch song song. Những VM này giao tiếp với nhau qua thông điệp 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 duy trì một đồ thị phụ thuộc toàn cầu (Dependency Graph) theo thời gian thực, mỗi giao dịch thay 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 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 để 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 máy ảo vi mô theo đơn vị tài khoản, thông qua biểu đồ phụ thuộc trạng thái để thực hiện lập lịch 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 toàn bộ chiều "cấu trúc tài khoản → kiến trúc lập lịch → quy trình thực thi", cung cấp một cách tiếp cận mới cấp độ mô hình 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 cực hạn. Về lý thuyết, giới hạn song song của MegaETH cao hơn, nhưng cũng khó kiểm soát độ phức tạp hơn, giống như một hệ điều hành phân tán siêu cấp dưới lý tưởng của Ethereum.

Thiết kế của Monad và MegaETH có sự khác biệt lớn với phân đoạn (Sharding): phân đoạn chia blockchain thành nhiều chuỗi con độc lập (shards), mỗi chuỗi con chịu trách nhiệm cho 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 duy trì 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 phương 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 tối ưu hóa thông lượng, với mục tiêu cốt lõi là nâng cao TPS trong chuỗi, thông qua thực thi trì hoãn (Deferred Execution) và kiến trúc vi máy ảo (Micro-VM) để đạt được xử lý song song ở cấp giao dịch hoặc tài khoản. Trong khi đó, Pharos Network là một mạng blockchain L1 song song, mô-đun và toàn diện, với cơ chế tính toán song song cốt lõi được gọi là "Rollup Mesh". Kiến trúc này hỗ trợ làm việc phối hợp giữa mạng chính và mạng xử lý đặc biệt (SPNs), hỗ trợ môi trường nhiều máy ảo (EVM và Wasm), 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 rời các giai đoạn của giao dịch (như đồng thuận, thực thi, lưu trữ) và áp dụng phương pháp 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 hai máy ảo (Dual VM Parallel Execution): Pharos hỗ trợ hai môi trường máy ảo EVM và WASM, cho phép các nhà phát triển 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 việc thực thi song song.
3. Mạng xử lý đặc biệt (SPNs): SPNs là thành phần quan trọng trong kiến trúc Pharos, tương tự như 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 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 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 SPNs.