Rapport d'étude approfondie sur le calcul parallèle Web3 : le chemin ultime de l'extension native

Une introduction : l'extension est un sujet éternel, et le parallélisme est le champ de bataille ultime.

Depuis la naissance du Bitcoin, les systèmes de blockchain sont confrontés à un problème central inévitable : l'évolutivité. Le Bitcoin ne traite pas plus de 10 transactions par seconde, et l'Ethereum a également du mal à dépasser des dizaines de TPS en termes de performances, ce qui semble particulièrement lourd par rapport au monde traditionnel du Web2. Plus important encore, ce n'est pas une simple question d'augmenter le nombre de serveurs, mais plutôt une limitation systémique profondément ancrée dans la conception de la blockchain.

Au cours des dix dernières années, nous avons été témoins de l'essor et de la chute de nombreuses tentatives d'extensibilité. De la lutte pour l'extensibilité de Bitcoin à la vision de sharding d'Ethereum, des canaux d'état, Plasma aux Rollups et aux blockchains modulaires, en passant par l'exécution hors chaîne de Layer 2 jusqu'à la restructuration de la disponibilité des données, l'ensemble de l'industrie a emprunté une voie d'extensibilité pleine d'imagination. Les Rollups, en tant que paradigme d'extensibilité le plus largement accepté actuellement, ont permis de réduire la charge de la chaîne principale tout en atteignant l'objectif d'une augmentation significative du TPS. Cependant, ils n'ont pas atteint la véritable limite de "performance à chaîne unique" sous-jacente à la blockchain, en particulier au niveau d'exécution, qui reste limité par ce vieux paradigme de calcul séquentiel en chaîne.

Ainsi, le calcul parallèle en chaîne entre progressivement dans la vision de l'industrie. Contrairement à l'extension hors chaîne et à la distribution inter-chaînes, le parallèle en chaîne tente de reconstruire complètement le moteur d'exécution tout en maintenant l'atomicité d'une seule chaîne, en s'inspirant des systèmes d'exploitation modernes et de la conception de CPU, et en mettant à niveau la blockchain du mode d'exécution séquentielle des transactions "une par une" à un système de calcul à haute concurrence "multithread + pipeline + planification des dépendances". Cela pourrait non seulement permettre d'augmenter le débit de plusieurs centaines de fois, mais pourrait également devenir une condition préalable clé à l'explosion des applications de contrats intelligents.

On peut dire que le calcul parallèle n'est pas seulement un "moyen d'optimisation des performances", mais aussi un tournant dans le paradigme des modèles d'exécution de la blockchain. Il remet en question le modèle fondamental de l'exécution des contrats intelligents, redéfinissant la logique de base de l'emballage des transactions, de l'accès à l'état, des relations d'appel et de la disposition du stockage. Si l'on dit que le Rollup est "de déplacer les transactions hors de la chaîne pour les exécuter", alors le calcul parallèle sur la chaîne est "de construire un noyau de supercalculateur sur la chaîne", dont l'objectif n'est pas simplement d'augmenter le débit, mais de fournir un véritable soutien d'infrastructure durable pour les applications nativement Web3 de demain.

Après l'homogénéisation progressive du secteur des Rollups, le parallélisme intra-chaîne devient discrètement un variable décisif dans la compétition Layer1 du nouveau cycle. La performance n'est plus seulement "plus rapide", mais plutôt la possibilité de soutenir un monde d'applications hétérogènes entier. Ce n'est pas seulement une course technologique, mais une bataille pour le paradigme. La prochaine génération de plateformes d'exécution souveraines du monde Web3 pourrait bien émerger de cette lutte pour le parallélisme intra-chaîne.

Deux, panorama du paradigme d'extension : cinq types de routes, chacune avec ses propres priorités.

L'extension, en tant que l'un des sujets les plus importants, les plus durables et les plus difficiles à aborder dans l'évolution des technologies de blockchain publique, a donné naissance à presque tous les chemins technologiques dominants au cours de la dernière décennie. À partir du conflit sur la taille des blocs de Bitcoin, cette compétition technologique sur "comment faire fonctionner la chaîne plus rapidement" a finalement généré cinq grandes lignes directrices, chacune abordant le goulet d'étranglement sous un angle différent, avec sa propre philosophie technologique, sa difficulté de mise en œuvre, son modèle de risque et ses scénarios d'application.

La première catégorie de solutions est l'extension on-chain la plus directe, représentée par des actions telles que l'augmentation de la taille des blocs, la réduction du temps de création des blocs, ou l'optimisation de la structure des données et du mécanisme de consensus pour améliorer la capacité de traitement. Cette approche conserve la simplicité de la cohérence d'une seule chaîne, ce qui la rend facile à comprendre et à déployer, mais elle est également susceptible de toucher aux risques de centralisation, à l'augmentation des coûts d'exploitation des nœuds, à la difficulté de synchronisation, et à d'autres limites systémiques. Par conséquent, dans la conception actuelle, elle n'est plus une solution principale, mais devient plutôt un complément aux autres mécanismes.

La deuxième catégorie de solutions est l'extension hors chaîne, représentée par les canaux d'état et les chaînes latérales. L'idée de base de cette approche est de transférer la majorité des activités de transaction hors chaîne, n'écrivant le résultat final que sur la chaîne principale, qui agit comme le niveau final de règlement. Bien que cette approche puisse théoriquement étendre indéfiniment le débit, des problèmes tels que le modèle de confiance des transactions hors chaîne, la sécurité des fonds et la complexité des interactions limitent son utilisation.

La troisième catégorie de route est la plus populaire et la plus largement déployée, la route Layer2 Rollup. Cette méthode réalise l'extensibilité par un mécanisme d'exécution hors chaîne et de vérification sur chaîne. Optimistic Rollup et ZK Rollup ont chacun leurs avantages, mais font face à des goulets d'étranglement à moyen terme, tels qu'une dépendance excessive à la disponibilité des données, des frais encore élevés et une expérience de développement fragmentée.

La quatrième catégorie de routes est l'architecture blockchain modulaire qui a émergé ces dernières années. Le paradigme modulaire prône un découplage complet des fonctions essentielles de la blockchain, réalisées par plusieurs chaînes spécialisées remplissant différentes fonctions, qui sont ensuite combinées en un réseau extensible grâce à des protocoles inter-chaînes. L'avantage de cette direction réside dans la flexibilité de remplacement des composants du système et dans l'augmentation significative de l'efficacité à des étapes spécifiques. Cependant, ses défis sont également très évidents : après le découplage des modules, le coût de synchronisation, de vérification et de confiance mutuelle entre les systèmes est extrêmement élevé, et l'écosystème des développeurs est extrêmement dispersé.

La dernière catégorie de route est le chemin d'optimisation du calcul parallèle au sein de la chaîne. Le calcul parallèle met l'accent sur "la mise à niveau verticale", c'est-à-dire la réalisation du traitement concurrent des transactions atomiques au sein d'une seule chaîne en modifiant l'architecture du moteur d'exécution. Cela nécessite de réécrire la logique de planification de la VM, d'introduire l'analyse des dépendances transactionnelles, la prévision des conflits d'état, le contrôle de la parallélisation, les appels asynchrones, ainsi qu'un ensemble complet de mécanismes de planification des systèmes informatiques modernes. L'avantage clé de cette direction réside dans le fait qu'elle permet de réaliser des percées dans les limites de débit sans dépendre d'une architecture multi-chaînes, tout en offrant une flexibilité de calcul suffisante pour l'exécution de contrats intelligents complexes. C'est un prérequis technologique important pour des scénarios d'application futurs tels que les agents AI, les chaines de jeux de grande envergure, et les produits dérivés à haute fréquence.

Trois, carte de classification des calculs parallèles : cinq grandes voies de l compte aux instructions.

Dans le contexte de l'évolution continue des technologies d'extension de la blockchain, le calcul parallèle devient progressivement le chemin central pour des percées en matière de performance. En partant du modèle d'exécution et en revisitant le développement de cette lignée technologique, nous pouvons établir une cartographie claire des classifications du calcul parallèle, qui se divise essentiellement en cinq voies techniques : le parallélisme au niveau des comptes, le parallélisme au niveau des objets, le parallélisme au niveau des transactions, le parallélisme au niveau de la machine virtuelle et le parallélisme au niveau des instructions. Ces cinq types de voies vont de la granularité grossière à la granularité fine, représentant à la fois un processus de raffinement continu de la logique parallèle, mais aussi une augmentation constante de la complexité du système et des difficultés de planification.

Le premier niveau de parallélisme au niveau des comptes est représenté par un modèle basé sur une plateforme d'échange spécifique. Ce modèle est conçu sur la base du découplage compte-état, permettant de déterminer s'il existe des relations de conflit en analysant statiquement l'ensemble des comptes impliqués dans les transactions. Si les ensembles de comptes accédés par deux transactions ne se chevauchent pas, elles peuvent alors être exécutées en parallèle sur plusieurs cœurs. Ce mécanisme est très adapté pour traiter des transactions dont la structure est claire et les entrées et sorties bien définies, en particulier pour des programmes à chemin prévisible comme DeFi. Cependant, son hypothèse intrinsèque est que l'accès aux comptes est prévisible et que les dépendances d'état peuvent être inférées statiquement, ce qui peut entraîner des problèmes d'exécution conservatrice et de réduction du parallélisme face à des contrats intelligents complexes.

Sur la base du modèle de compte, nous affinons davantage en entrant dans le niveau technique de la parallélisation au niveau des objets. La parallélisation au niveau des objets introduit une abstraction sémantique des ressources et des modules, permettant un ordonnancement concurrent basé sur des "objets d'état" de granularité plus fine. Certains projets définissent la propriété et la mutabilité des ressources au moment de la compilation grâce au système de types linéaires du langage Move, ce qui permet un contrôle précis des conflits d'accès aux ressources à l'exécution. Cette approche est plus générale et extensible par rapport à la parallélisation au niveau des comptes, car elle peut couvrir des logiques de lecture et d'écriture d'état plus complexes, et elle sert naturellement des scénarios à haute hétérogénéité tels que les jeux, les réseaux sociaux et l'IA. Cependant, la parallélisation au niveau des objets introduit également un seuil de langue plus élevé et une complexité de développement accrue, avec un coût de changement d'écosystème élevé, ce qui limite la vitesse de propagation de son paradigme de parallélisation.

L'exécution parallèle au niveau des transactions, explorée par la nouvelle génération de chaînes haute performance, est une direction avancée. Ce chemin ne considère plus l'état ou le compte comme l'unité minimale de parallélisme, mais construit plutôt un graphique de dépendance autour de l'ensemble de la transaction elle-même. Il considère la transaction comme une unité d'opération atomique, construisant un graphique de transaction par analyse statique ou dynamique, et s'appuie sur un planificateur pour exécuter des flux parallèles. Ce design permet au système de maximiser l'exploitation du parallélisme sans avoir besoin de comprendre complètement la structure de l'état sous-jacent. Certains projets combinent des technologies modernes de moteurs de bases de données telles que le contrôle de concurrence optimiste, la planification de pipeline parallèle et l'exécution hors ordre, rendant l'exécution de la chaîne plus proche du paradigme de "planificateur GPU". Dans la pratique, ce mécanisme nécessite un gestionnaire de dépendances et un détecteur de conflits extrêmement complexes, et le planificateur lui-même peut également devenir un goulot d'étranglement, mais sa capacité de débit potentielle est bien supérieure à celle des modèles de comptes ou d'objets, devenant une force avec un plafond théorique parmi les projets de calcul parallèle actuels.

La parallélisation au niveau de la machine virtuelle intègre directement la capacité d'exécution concurrente dans la logique de planification des instructions de la VM, cherchant à surmonter les limitations inhérentes à l'exécution séquentielle de l'EVM. Certains projets, en tant qu'"expérimentations de super machines virtuelles" au sein de l'écosystème Ethereum, tentent de redessiner l'EVM pour le rendre compatible avec l'exécution simultanée multithread des codes de contrats intelligents. La base permet, par le biais de l'exécution segmentée, de la séparation des états, des appels asynchrones, etc., à chaque contrat de fonctionner indépendamment dans des contextes d'exécution différents, tout en utilisant une couche de synchronisation parallèle pour garantir la cohérence finale. La difficulté de cette approche réside dans le fait qu'elle doit être complètement compatible avec la sémantique de comportement actuelle de l'EVM, tout en transformant l'ensemble de l'environnement d'exécution et le mécanisme de Gas, afin de permettre une transition en douceur de l'écosystème vers un cadre parallèle. Le défi n'est pas seulement lié à la profondeur de la pile technologique, mais aussi à la question de l'acceptation par la structure politique de l'Ethereum L1 des changements majeurs de protocole. Mais si cela réussit, cela pourrait devenir la "révolution des processeurs multicœurs" dans le domaine de l'EVM.

La dernière catégorie de chemins, c'est-à-dire le plus fin, avec le seuil technologique le plus élevé de la parallélisation au niveau des instructions. Son idée provient de l'exécution hors ordre et des pipelines d'instructions dans la conception moderne des CPU. Ce paradigme considère que, puisque chaque contrat intelligent est finalement compilé en instructions de bytecode, il est tout à fait possible d'analyser le plan de chaque opération et de réorganiser les opérations en parallèle, comme un CPU exécute l'ensemble d'instructions x86. Certains projets ont déjà introduit un modèle d'exécution réordonnable au niveau des instructions dans leur VM, et à long terme, une fois que le moteur d'exécution de la blockchain réalisera une exécution prédictive et une réorganisation dynamique des dépendances des instructions, son parallélisme atteindra la limite théorique. Cette approche pourrait même propulser la conception conjointe de la blockchain et du matériel vers de nouveaux sommets, faisant de la chaîne un véritable "ordinateur décentralisé" et pas seulement un "grand livre distribué". Bien sûr, ce chemin est encore à un stade théorique et expérimental, les planificateurs et les mécanismes de vérification de sécurité connexes n'étant pas encore matures, mais il indique la frontière ultime de l'informatique parallèle à l'avenir.

Quatre, Analyse approfondie des deux principales pistes : Monad vs MegaETH

Dans l'évolution des calculs parallèles, les deux principales lignes technologiques qui attirent le plus l'attention du marché, dont les voix s'élèvent le plus et dont le récit est le plus complet, sont sans aucun doute "la chaîne de calcul parallèle construite à partir de zéro" représentée par Monad, et "la révolution parallèle interne à l'EVM" représentée par MegaETH. Ces deux approches ne sont pas seulement les directions de recherche et développement dans lesquelles les ingénieurs des primitives cryptographiques investissent le plus intensément actuellement, mais elles symbolisent également les deux pôles les plus déterministes de la compétition pour la performance des ordinateurs Web3. La distinction entre ces deux méthodes réside non seulement dans le point de départ et le style de l'architecture technique, mais aussi dans les écosystèmes qu'elles servent, les coûts de migration, leurs philosophies d'exécution et leurs stratégies futures radicalement différentes. Elles représentent respectivement une lutte entre un paradigme de "restructuration" et un paradigme de "compatibilité", influençant profondément l'imagination du marché sur la forme finale des chaînes à haute performance.

Monad est un "puriste de la computation" qui ne conçoit pas sa philosophie de conception dans le but de devenir compatible avec l'EVM existant, mais s'inspire plutôt des bases de données modernes et des systèmes multicœurs haute performance pour redéfinir le fonctionnement sous-jacent des moteurs d'exécution de blockchain. Son système technologique central repose sur des mécanismes matures du domaine des bases de données tels que le contrôle de concurrence optimiste, la planification de DAG de transactions, l'exécution hors ordre et les pipelines de traitement par lots, avec pour objectif d'élever les performances de traitement des transactions de la chaîne à des niveaux de l'ordre du million de TPS. Dans l'architecture Monad, l'exécution et le tri des transactions sont complètement découplés; le système construit d'abord un graphique des dépendances des transactions, puis le confie à un ordonnanceur pour une exécution parallèle en pipeline. Toutes les transactions sont considérées comme des unités atomiques de transaction.