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

I. Giới thiệu: Chủ đề vĩnh cửu về mở rộng blockchain

"Tam giác không thể" của blockchain (Blockchain Trilemma) "an toàn", "phi tập trung", "mở rộng" tiết lộ những thỏa hiệp cốt lõi trong thiết kế hệ thống blockchain, tức là các dự án blockchain rất khó để đạt được "an toàn tuyệt đối, mọi người đều có thể tham gia, xử lý nhanh chóng" cùng một lúc. Về "mở rộng", một chủ đề vĩnh cửu, 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 tăng cường: Nâng cao khả năng thực thi tại chỗ, chẳng hạn như song song, GPU, đa nhân
• Tăng cường cách ly trạng thái: Phân tách trạng thái theo chiều ngang/Shard, chẳng hạn như phân mảnh, UTXO, nhiều mạng con
• Mở rộng kiểu thuê ngoài chuỗi: đưa việc thực thi ra ngoài chuỗi, chẳng hạn như Rollup, Coprocessor, DA
• Mở rộng kiểu tách rời cấu trúc: mô-đun kiến trúc, hoạt động hợp tác, ví dụ như chuỗi mô-đun, bộ phân loại chia sẻ, Rollup Mesh
• Mở rộng kiểu đồng thời không đồng bộ: Mô hình Actor, cách ly tiến trình, điều khiển thông điệp, ví dụ như tác nhân, chuỗi bất đồng bộ đa luồng

Các 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 trùm nhiều cấp độ như thực thi, trạng thái, dữ liệu, cấu trúc, là một "hệ thống mở rộng hoàn chỉnh theo kiểu "hợp tác đa tầng, tổ 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 ), chú trọng vào việc thực hiện song song các giao dịch/lệnh bên trong khối. Theo cơ chế song song, cách mở rộng có thể được chia thành năm loại lớn, mỗi loại đại diện cho những mục tiêu hiệu suất, mô hình phát triển và triết lý kiến trúc khác nhau, lần lượt độ phân giải song song ngày càng tinh vi, cường độ song song ngày càng cao, độ phức tạp của lịch trình cũng ngày càng tăng, 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 bất đồng bộ ngoài chuỗi, đại diện là hệ thống tác nhân thông minh (Mô hình Tác nhân / Tác nhân), thuộc một kiểu tính toán song song khác, như là hệ thống tin nhắn chéo chuỗi/bất đồng bộ (mô hình không đồng bộ chuỗi), mỗi Tác nhân hoạt động như một "quá trình thông minh" độc lập, theo cách đồng thời gửi tin nhắn bất đồng bộ, dựa trên sự kiện, không cần lập lịch đồng bộ, các dự án đại diện có AO, ICP, Cartesi, v.v.

Và các giải pháp mở rộng như Rollup hoặc phân đoạn mà chúng ta quen thuộc, thuộc về cơ chế đồng thời cấp hệ thống, không thuộc về tính toán song song trong chuỗi. Chúng thực hiện mở rộng bằng cách "chạy song song nhiều chuỗi/ miền thực thi" thay vì nâng cao mức độ song song bên trong một khối/ máy ảo đơn lẻ. Các giải pháp mở rộng này không phải là trọng tâm của bài viết này nhưng chúng tôi vẫn sẽ sử dụng chúng để so sánh sự khác biệt trong quan niệm kiến trúc.

Hai, chuỗi tăng cường song song EVM: Đột phá giới hạn hiệu suất trong sự tương thích

Kiến trúc xử lý tuần tự của Ethereum đã phát triển đến nay, trải qua nhiều lần thử nghiệm mở rộng như phân đoạn, Rollup, kiến trúc mô-đun, nhưng nút thắt về thông lượng của lớp thực thi vẫn chưa có bước đột phá cơ bản. Tuy nhiên, 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 như một con đường chính để cân bằng khả năng tương thích sinh thái và nâng cao hiệu suất thực thi, đang trở thành một hướng quan trọng trong sự tiến hóa mở rộng mới. Monad và MegaETH là hai dự án đại diện nhất trong hướng đi này, lần lượt bắt đầu từ việc thực thi trễ và phân tách trạng thái, xây dựng kiến trúc xử lý song song EVM hướng tới các tình huống có tính 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 lý song song cơ bản là xử lý theo chuỗi (Pipelining), thực hiện thực thi không đồng bộ ở lớp đồng thuận (Asynchronous Execution) và thực thi song song lạc quan ở lớp thực thi (Optimistic Parallel Execution). Ngoài ra, ở lớp đồng thuận và lưu trữ, Monad đã 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 nhiều giai đoạn

Pipelining là khái niệm cơ bản của việc thực thi song song trong Monad, với ý tưởng cốt lõi là phân chia quy trình thực thi blockchain thành nhiều giai đoạn độc lập và xử lý các giai đoạn này song song, hình thành cấu trúc ống dẫn ba chiều, các giai đoạn chạy trên các luồng hoặc nhân độc lập, đạt được xử lý đồng thời giữa các khối, cuối cùng đạt được hiệu quả 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: đồng thuận - giải quyết bất 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 chia chi tiết 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 thi logic hợp đồng.
• Quá trình thực thi (tầng thực thi) được kích hoạt không đồng bộ sau khi hoàn thành đồng thuận.
• Sau khi đồng thuận hoàn tất, sẽ ngay lập tức vào quy trình đồng thuận của khối tiếp theo, không cần chờ hoàn thành việc thực thi.

Thi hành song song lạc quan：乐观并行执行

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

Cơ chế thực hiện:

• Monad sẽ thực hiện tất cả các giao dịch một cách lạc quan và song song, giả định rằng hầu hết các giao dịch không có xung đột trạng thái.
• Chạy một "Trình phát hiện xung đột (Conflict Detector)" để theo dõi xem các giao dịch có truy cập cùng một trạng thái hay không (chẳng hạn như xung đột đọc/ghi).
• Nếu phát hiện xung đột, 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: làm ít thay đổi quy tắc EVM nhất có thể, trong quá trình thực hiện thông qua việc trì hoãn ghi trạng thái, phát hiện xung đột động để đạt được song song, giống như phiên bản hiệu suất của Ethereum, độ trưởng thành tốt dễ dàng thực hiện di chuyển 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 EVM và có thể hoạt động như một chuỗi công khai L1 độc lập hoặc như một lớp tăng cường thực thi trên Ethereum (Execution Layer) 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 tối thiểu có thể lập lịch độc lập để đạt được khả năng thực thi đồng thời cao trong chuỗi và khả năng phản hồi thấp về độ trễ. Sáng kiến chính mà MegaETH đưa ra là: Kiến trúc Micro-VM + DAG phụ thuộc trạng thái (Directed Acyclic Graph) và cơ chế đồng bộ hóa mô-đun, cùng nhau xây dựng một hệ thống thực thi song song hướng tới "luồng trong chuỗi".

Kiến trúc Micro-VM (máy ảo vi mô): Tài khoản 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 phân tách tối thiểu cho lập lịch song song. Các VM này giao tiếp với nhau thông qua nhắn tin bất đồng bộ (Asynchronous Messaging), thay vì gọi đồng bộ, cho phép nhiều VM có thể thực thi độc lập, lưu trữ độc lập, hoàn toàn 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 sẽ mô hình hóa mối quan hệ phụ thuộc của những tài khoản nào được sửa đổi, những tài khoản nào được đọc. Các giao dịch không xung đột có thể được thực thi song song trực tiếp, trong khi các giao dịch có mối quan hệ phụ thuộc sẽ được lập lịch theo thứ tự topo hoặc bị hoãn lại. Đồ thị phụ thuộc đảm bảo tính nhất quán trạng thái và không ghi đè trong quá trình thực thi song song.

Thực thi bất đồng bộ và cơ chế callback

B

Tóm lại, MegaETH phá vỡ mô hình máy trạng thái đơn luồng EVM truyền thống, thực hiện đóng gói vi máy ảo theo đơn vị tài khoản, thông qua đồ thị phụ thuộc trạng thái để thực hiện lập lịch giao dịch, 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 "cấu trúc tài khoản → kiến trúc lập lịch → quy trình thực thi" ở mọi góc độ, cung cấp một cách tiếp cận mới mang tính hình mẫu cho việc xây dựng hệ thống chuỗi trên hiệu suất cao thế hệ tiếp theo.

MegaETH đã chọn một con đường tái cấu trúc: hoàn toàn trừu tượng hóa tài khoản và hợp đồng thành một VM độc lập, thông qua việc lập lịch thực thi bất 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 hơn, giống như một hệ điều hành phân tán siêu cấp dưới triết lý của Ethereum.

Thiết kế của Monad và MegaETH có sự khác biệt lớn so với phân đoạn (Sharding): phân đoạn chia blockchain thành nhiều chuỗi con độc lập (phân đoạn Shards), mỗi chuỗi con phụ trách một phần giao dịch và trạng thái, phá vỡ giới hạn của chuỗi đơn trong việc mở rộng ở cấp độ mạng; trong khi Monad và MegaETH 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 vượt qua hiệu suất. Cả hai đều đại diện cho hai hướng: củng cố theo chiều dọc và mở rộng theo chiều ngang trong con đường mở rộng blockchain.

Các dự án tính toán song song như Monad và MegaETH chủ yếu tập trung vào việc tối ưu hóa thông lượng, với mục tiêu cốt lõi là nâng cao TPS trong chuỗi, thông qua việc thực hiện trì hoãn (Deferred Execution) và kiến trúc vi máy ảo (Micro-VM) để thực hiện xử lý song song cấp giao dịch hoặc cấp tài khoản. Trong khi đó, Pharos Network là một mạng blockchain L1 song song toàn diện và mô-đun, cơ chế tính toán song song cốt lõi của nó được gọi là "Rollup Mesh". Kiến trúc này hỗ trợ môi trường đa 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 tin cậy (TEE).

Phân tích cơ chế tính toán song song Rollup Mesh:

1. Xử lý đường ống 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 sử 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 các mạng con có tính mô-đun, chuyên dùng 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 ký quỹ (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 ký quỹ (Restaking) để đạt được sự chia sẻ an toàn và tích hợp tài nguyên giữa mạng chính và SPNs.

Ngoài ra, Pharos thông qua cây Merkle nhiều phiên bản, mã hóa khác biệt (Delta Encoding), phiên bản