Báo cáo nghiên cứu sâu về tính toán song song Web3: Con đường mở rộng nguyên bản cuối cùng

Một, Mở đầu: Mở rộng là đề tài vĩnh cửu, song song là chiến trường tối thượng

Kể từ khi ra đời, hệ thống blockchain đã phải đối mặt với vấn đề mở rộng này. Những nút thắt hiệu suất của Bitcoin và Ethereum khó có thể vượt qua, thấp hơn nhiều so với các hệ thống Web2 truyền thống. Đây không phải là vấn đề đơn giản chỉ cần tăng cường phần cứng, mà xuất phát từ những hạn chế hệ thống trong thiết kế nền tảng của blockchain.

Trong mười năm qua, ngành công nghiệp đã thử nghiệm nhiều con đường mở rộng khác nhau. Từ tranh cãi về việc mở rộng Bitcoin đến phân đoạn Ethereum, từ kênh trạng thái đến Rollup và blockchain mô-đun, công nghệ mở rộng đã liên tục tiến hóa. Rollup, như một giải pháp chính hiện nay, cải thiện hiệu suất trong khi vẫn giữ được độ an toàn của chuỗi chính. Tuy nhiên, nó vẫn chưa chạm đến giới hạn thực sự của "hiệu suất chuỗi đơn" ở cấp độ blockchain, đặc biệt là ở mặt thực thi vẫn bị hạn chế bởi mô hình tính toán tuần tự.

Do đó, tính toán song song trong chuỗi dần dần đã trở thành tâm điểm của ngành. Nó cố gắng tái cấu trúc động cơ thực thi trong khi vẫn giữ nguyên tính nguyên tử của chuỗi đơn, nâng cấp blockchain thành hệ thống tính toán đồng thời cao. Điều này không chỉ có thể mang lại hàng trăm lần cải thiện thông lượng, mà còn có thể trở thành điều kiện tiên quyết cho sự bùng nổ của ứng dụng hợp đồng thông minh.

Trên thực tế, tính toán đơn luồng đã bị loại bỏ trong lĩnh vực Web2, thay vào đó là các mô hình tối ưu như lập trình song song, lập lịch bất đồng bộ. Trong khi đó, blockchain như một hệ thống tính toán nguyên thủy hơn, có yêu cầu cao hơn về tính xác định, vẫn chưa thể tận dụng đầy đủ những tư tưởng song song này. Đây vừa là hạn chế, vừa là cơ hội. Các chuỗi công cộng và dự án thế hệ mới đang khám phá sâu trong lĩnh vực này, cố gắng đưa mô hình thực thi blockchain tiến tới mô hình của hệ điều hành hiện đại.

Có thể nói, tính toán song song không chỉ là phương tiện tối ưu hóa hiệu suất, mà còn là bước ngoặt trong mô hình thực thi blockchain. Nó thách thức các mô hình cơ bản trong việc thực thi hợp đồng thông minh, định nghĩa lại logic cơ bản của việc xử lý giao dịch. Mục tiêu của nó là cung cấp cơ sở hạ tầng bền vững thực sự cho các ứng dụng gốc Web3 trong tương lai.

Sau khi các đường đua Rollup đồng nhất, sự song song trong chuỗi đang trở thành yếu tố then chốt trong cuộc cạnh tranh Layer1 của chu kỳ mới. Đây không chỉ là cuộc đua công nghệ, mà còn là cuộc chiến về mô hình. Nền tảng thực thi chủ quyền thế hệ tiếp theo của thế giới Web3 rất có thể sẽ ra đời từ cuộc chiến song song trong chuỗi này.

Hai, Toàn cảnh mô hình mở rộng: Năm loại lộ trình, mỗi loại có trọng tâm riêng

Mở rộng là một trong những vấn đề quan trọng nhất trong sự tiến hóa của công nghệ chuỗi công khai, đã thúc đẩy gần như tất cả các con đường công nghệ chủ đạo trong gần mười năm qua. Cuộc đua công nghệ về "làm thế nào để khiến chuỗi chạy nhanh hơn", cuối cùng đã phân hóa thành năm con đường cơ bản, mỗi con đường đều tiếp cận những điểm nghẽn từ những góc độ khác nhau, có triết lý công nghệ riêng, độ khó triển khai, mô hình rủi ro và các tình huống áp dụng khác nhau.

Loại đầu tiên là mở rộng chuỗi trực tiếp nhất, chẳng hạn như tăng kích thước khối, rút ngắn thời gian tạo khối, v.v. Cách này giữ lại sự đơn giản trong tính nhất quán của chuỗi đơn, nhưng dễ gặp phải rủi ro tập trung và tăng chi phí nút, v.v., hiện không còn là giải pháp cốt lõi phổ biến.

Loại thứ hai là mở rộng ngoài chuỗi, đại diện là kênh trạng thái và chuỗi phụ. Con đường này sẽ chuyển hầu hết các hoạt động giao dịch ra ngoài chuỗi, chỉ ghi lại kết quả cuối cùng vào chuỗi chính. Mặc dù về lý thuyết có thể mở rộng thông lượng vô hạn, nhưng mô hình tin cậy và các vấn đề về an ninh của giao dịch ngoài chuỗi đã hạn chế ứng dụng của nó.

Loại thứ ba là lộ trình Layer2 Rollup được ưa chuộng nhất hiện nay. Nó đạt được khả năng mở rộng thông qua cơ chế thực thi ngoài chuỗi, xác minh trên chuỗi, đạt được sự cân bằng giữa phi tập trung và hiệu suất cao. Tuy nhiên, nó cũng bộc lộ những điểm yếu về sự phụ thuộc quá mức vào khả năng sử dụng dữ liệu và chi phí vẫn còn cao.

Loại thứ tư là kiến trúc blockchain mô-đun nổi lên trong những năm gần đây. Nó hoàn toàn tách rời các chức năng cốt lõi của blockchain, được thực hiện bởi nhiều chuỗi chuyên biệt khác nhau. Hướng đi này có thể thay thế linh hoạt các thành phần hệ thống, nhưng yêu cầu rất cao đối với an toàn liên chuỗi và tiêu chuẩn giao thức.

Loại cuối cùng là tối ưu hóa đường đi tính toán song song trong chuỗi. Nó nhấn mạnh việc thay đổi cấu trúc động cơ thực thi bên trong một chuỗi đơn, đạt được xử lý đồng thời giao dịch nguyên tử. Hướng đi này không cần phụ thuộc vào kiến trúc đa chuỗi để vượt qua giới hạn hiệu suất, là điều kiện kỹ thuật quan trọng cho các trường hợp ứng dụng phức tạp trong tương lai.

Xét về năm loại lộ trình này, phía sau là sự cân nhắc hệ thống giữa hiệu suất, khả năng kết hợp, tính an toàn và độ phức tạp trong phát triển của blockchain. Mỗi lộ trình đều có những ưu nhược điểm riêng, cùng nhau tạo thành bức tranh toàn cảnh về sự nâng cấp mô hình tính toán Web3, cung cấp cho ngành những lựa chọn chiến lược phong phú.

Giống như trong lịch sử, hệ điều hành đã chuyển từ lõi đơn sang lõi đa, con đường mở rộng của Web3 cũng sẽ bước vào kỷ nguyên thực thi song song cao độ. Trong kỷ nguyên này, hiệu suất không còn chỉ là cuộc đua về tốc độ chuỗi, mà là sự thể hiện tổng hợp của triết lý thiết kế cơ sở và khả năng kiểm soát hệ thống. Song song trong chuỗi, có thể chính là chiến trường cuối cùng của cuộc chiến lâu dài này.

Ba, Bản đồ phân loại tính toán song song: Năm con đường từ tài khoản đến lệnh

Trong bối cảnh công nghệ mở rộng blockchain đang không ngừng tiến triển, tính toán song song dần trở thành con đường cốt lõi cho sự bứt phá về hiệu suất. Xuất phát từ mô hình thực thi, chúng ta có thể hệ thống hóa một cách rõ ràng biểu đồ phân loại tính toán song song, được chia thành năm con đường công nghệ: song song cấp tài khoản, song song cấp đối tượng, song song cấp giao dịch, song song cấp máy ảo và song song cấp lệnh. Năm loại con đường này từ thô đến tinh, vừa là quá trình không ngừng tinh chỉnh logic song song, vừa là con đường mà độ phức tạp của hệ thống và độ khó lập lịch không ngừng tăng lên.

Tầng lớp song song cấp tài khoản xuất hiện sớm nhất, đại diện là Solana. Mô hình này dựa trên thiết kế tách biệt giữa tài khoản và trạng thái, thông qua phân tích tĩnh tập hợp tài khoản liên quan trong giao dịch để xác định xem có tồn tại mối quan hệ xung đột hay không. Cơ chế này phù hợp cho việc xử lý giao dịch có cấu trúc rõ ràng, nhưng khi đối mặt với hợp đồng thông minh phức tạp, dễ gặp phải vấn đề giảm độ song song.

Đối tượng cấp độ song song được tinh chỉnh hơn nữa, đưa vào sự trừu tượng ngữ nghĩa của tài nguyên và mô-đun. Aptos và Sui là những nhà khám phá quan trọng trong hướng này, đặc biệt là Sui thông qua hệ thống loại tuyến tính của ngôn ngữ Move, cho phép kiểm soát chính xác xung đột truy cập tài nguyên trong thời gian chạy. Phương pháp này mang tính phổ quát và khả năng mở rộng cao hơn, nhưng cũng dẫn đến ngưỡng ngôn ngữ cao hơn và độ phức tạp trong phát triển.

Song song cấp giao dịch là hướng mà thế hệ chuỗi hiệu suất cao mới với đại diện là Monad, Sei, Fuel đang khám phá. Con đường này xoay quanh việc xây dựng đồ thị phụ thuộc của toàn bộ giao dịch, thông qua phân tích tĩnh hoặc động để xây dựng đồ thị giao dịch, và phụ thuộc vào bộ lập lịch để thực hiện luồng đồng thời. Cơ chế này đòi hỏi một trình quản lý phụ thuộc và phát hiện xung đột cực kỳ phức tạp, nhưng khả năng thông lượng tiềm năng của nó cao hơn nhiều so với mô hình tài khoản hoặc đối tượng.

Song song máy ảo cấp độ sẽ nhúng khả năng thực thi đồng thời trực tiếp vào logic lập lịch lệnh ở mức VM. MegaETH, như một "thí nghiệm siêu máy ảo" trong hệ sinh thái Ethereum, đang cố gắng thiết kế lại EVM để hỗ trợ thực thi mã hợp đồng thông minh đa luồng đồng thời. Điểm khó khăn nhất của phương pháp này là phải hoàn toàn tương thích với nghĩa hành vi của EVM hiện tại, đồng thời cải tạo toàn bộ môi trường thực thi và cơ chế Gas.

Loại đường dẫn cuối cùng là song song cấp lệnh. Ý tưởng này có nguồn gốc từ việc thực hiện ngoài thứ tự và ống dẫn lệnh trong thiết kế CPU hiện đại. Nhóm Fuel đã giới thiệu sơ bộ mô hình thực thi có thể tái sắp xếp cấp lệnh trong FuelVM của họ. Về lâu dài, một khi động cơ thực thi blockchain thực hiện dự đoán thực thi dựa trên phụ thuộc lệnh và tái sắp xếp động, độ sâu song song của nó sẽ đạt giới hạn lý thuyết.

Tóm lại, năm con đường chính bao gồm tài khoản, đối tượng, giao dịch, VM và lệnh tạo thành phổ phát triển của tính toán song song trong chuỗi. Từ cấu trúc dữ liệu tĩnh đến cơ chế lập lịch động, từ dự đoán truy cập trạng thái đến tái sắp xếp cấp lệnh, mỗi bước tiến của công nghệ song song đều có nghĩa là độ phức tạp của hệ thống và ngưỡng phát triển tăng đáng kể. Nhưng đồng thời, chúng cũng đánh dấu sự chuyển biến trong mô hình tính toán blockchain, từ sổ cái đồng thuận toàn bộ trình tự truyền thống, chuyển sang môi trường thực thi phân tán có hiệu suất cao, có thể dự đoán và có thể lập lịch. Lựa chọn con đường song song của các chuỗi công cộng khác nhau sẽ quyết định giới hạn khả năng chịu đựng của hệ sinh thái ứng dụng trong tương lai, cũng như khả năng cạnh tranh cốt lõi của nó trong các bối cảnh như AI Agent, trò chơi chuỗi và giao dịch tần suất cao trên chuỗi.

Bốn, Phân tích sâu hai đường đua chính: Monad vs MegaETH

Trong tiến trình phát triển tính toán song song, hai hướng công nghệ chính mà thị trường hiện đang tập trung vào nhiều nhất là "xây dựng chuỗi tính toán song song từ con số không" đại diện bởi Monad, và "cách mạng song song bên trong EVM" đại diện bởi MegaETH. Cả hai đều không chỉ là những hướng nghiên cứu mà các kỹ sư nguyên thủy tiền điện tử đang đầu tư mạnh mẽ nhất hiện nay, mà còn là hai biểu tượng cực kỳ chắc chắn trong cuộc đua hiệu suất máy tính Web3 hiện tại. Chúng đại diện cho một kiểu "tái cấu trúc" và một kiểu "tương thích" trong cuộc đua các mô hình song song, ảnh hưởng sâu sắc đến tưởng tượng của thị trường về hình thái cuối cùng của các chuỗi hiệu suất cao.

Monad là một "nguyên tắc tính toán thuần túy", triết lý thiết kế của nó không nhằm mục đích tương thích với EVM hiện tại, mà được lấy cảm hứng từ cơ sở dữ liệu hiện đại và hệ thống đa nhân hiệu suất cao, nhằm định nghĩa lại cách thức hoạt động của động cơ thực thi blockchain. Hệ thống công nghệ cốt lõi của nó dựa trên các cơ chế trưởng thành trong lĩnh vực cơ sở dữ liệu như kiểm soát đồng thời lạc quan, lập lịch DAG giao dịch, thực thi không theo thứ tự, và ống xử lý theo lô, nhằm nâng cao hiệu suất xử lý giao dịch của chuỗi lên đến hàng triệu TPS. Trong kiến trúc Monad, việc thực thi và sắp xếp giao dịch hoàn toàn được tách biệt, hệ thống trước tiên xây dựng đồ thị phụ thuộc giao dịch, sau đó giao cho bộ lập lịch thực hiện song song theo dòng. Cơ chế này về mặt kỹ thuật rất phức tạp, cần xây dựng một ngăn xếp thực thi tương tự như trình quản lý giao dịch của cơ sở dữ liệu hiện đại, nhưng lý thuyết có thể đẩy giới hạn thông lượng lên một tầm cao mà hiện tại trong thế giới chuỗi chưa từng tưởng tượng.

Và điều quan trọng hơn là, Monad không từ bỏ khả năng tương tác với EVM. Nó hỗ trợ các nhà phát triển viết hợp đồng bằng cú pháp Solidity thông qua một lớp trung gian tương tự như "Ngôn ngữ trung gian tương thích với Solidity", đồng thời thực hiện tối ưu hóa ngôn ngữ trung gian và lập lịch song song trong động cơ thực thi. Chiến lược thiết kế "tương thích bề mặt, tái cấu trúc sâu" này không chỉ giữ lại sự thân thiện với các nhà phát triển trong hệ sinh thái Ethereum mà còn giải phóng tối đa tiềm năng thực thi cơ sở, là chiến lược kỹ thuật điển hình của "nuốt EVM, sau đó phản cấu trúc nó".

Khác với tư thế "nhà xây dựng thế giới mới" của Monad, MegaETH chọn cách bắt đầu từ thế giới hiện có của Ethereum, nhằm đạt được sự nâng cao đáng kể về hiệu suất thực thi với chi phí thay đổi rất nhỏ. MegaETH không lật đổ tiêu chuẩn EVM, mà cố gắng tích hợp khả năng tính toán song song vào động cơ thực thi hiện có của EVM, tạo ra một phiên bản tương lai của "EVM đa nhân". Nguyên tắc cơ bản của nó nằm ở việc tái cấu trúc hoàn toàn mô hình thực thi lệnh EVM hiện tại, giúp nó có khả năng cách ly theo cấp độ luồng, thực thi bất đồng bộ theo cấp độ hợp đồng, phát hiện xung đột truy cập trạng thái, từ đó cho phép nhiều hợp đồng thông minh chạy đồng thời trong cùng một khối và cuối cùng hợp nhất các thay đổi trạng thái. Con đường "cách mạng bảo thủ" này rất hấp dẫn, đặc biệt đối với hệ sinh thái L2 của Ethereum, nó cung cấp một lộ trình lý tưởng mà không cần di chuyển cú pháp và nâng cấp hiệu suất một cách không đau đớn.

Bước đột phá cốt lõi của MegaETH nằm ở cơ chế lập lịch đa luồng của VM. EVM truyền thống sử dụng mô hình thực thi đơn luồng theo kiểu ngăn xếp, mỗi lệnh được thực thi theo chiều tuyến tính và việc cập nhật trạng thái phải diễn ra đồng bộ. Trong khi đó, MegaETH đã phá vỡ mô hình này bằng cách giới thiệu ngăn xếp gọi không đồng bộ và cơ chế tách biệt ngữ cảnh thực thi, từ đó thực hiện "ngữ cảnh EVM đồng thời". Mỗi hợp đồng có thể gọi logic của chính nó trong một luồng độc lập, trong khi tất cả các luồng sẽ thực hiện kiểm tra xung đột và hội tụ trạng thái một cách thống nhất thông qua lớp đồng bộ song song khi cuối cùng nộp trạng thái. Cơ chế này rất giống với mô hình đa luồng JavaScript của trình duyệt hiện đại, vừa giữ lại tính xác định của hành vi luồng chính, vừa giới thiệu cơ chế lập lịch hiệu suất cao không đồng bộ trong nền.

Theo một nghĩa nào đó, Monad và MegaETH là hai con đường, không chỉ là hai cách thực hiện cho các công nghệ song song, mà còn là cuộc đối đầu kinh điển giữa "phái tái cấu trúc" và "phái tương thích" trong lộ trình phát triển blockchain: phái trước theo đuổi sự đột phá về mô hình, tái xây dựng toàn bộ logic từ máy ảo đến quản lý trạng thái tầng thấp nhằm đạt được hiệu suất tối đa và tính linh hoạt của kiến trúc; phái sau theo đuổi sự tối ưu dần dần, trên cơ sở tôn trọng các ràng buộc sinh thái hiện có, đẩy hệ thống truyền thống đến giới hạn, từ đó giảm thiểu chi phí chuyển đổi tối đa. Cả hai không có sự ưu nhược tuyệt đối, mà phục vụ cho các nhóm nhà phát triển và tầm nhìn sinh thái khác nhau. Monad phù hợp hơn cho việc xây dựng hệ thống hoàn toàn mới từ đầu, theo đuổi thông lượng tối đa cho các trò chơi blockchain, AI agent và chuỗi thực thi mô-đun; trong khi MegaETH thì phù hợp hơn cho các dự án L2, dự án DeFi và giao thức hạ tầng mong muốn nâng cấp hiệu suất thông qua sự thay đổi phát triển tối thiểu.

Chúng giống như một tuyến đường sắt cao tốc hoàn toàn mới,