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

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

Kể từ khi Bitcoin ra đời, hệ thống blockchain đã phải đối mặt với một vấn đề cốt lõi không thể tránh khỏi: mở rộng quy mô. Bitcoin xử lý chưa đến 10 giao dịch mỗi giây, Ethereum cũng khó vượt qua giới hạn hiệu suất vài chục TPS, điều này khiến nó trở nên rất cồng kềnh so với thế giới Web2 truyền thống. Quan trọng hơn, đây không phải là vấn đề đơn giản chỉ cần tăng cường máy chủ mà là những hạn chế hệ thống sâu sắc được nhúng trong thiết kế cơ bản của blockchain.

Trong suốt mười năm qua, chúng ta đã chứng kiến sự thăng trầm của nhiều nỗ lực mở rộng quy mô. Từ cuộc tranh luận mở rộng quy mô Bitcoin đến tầm nhìn phân đoạn của Ethereum, từ kênh trạng thái, Plasma đến Rollup và blockchain mô-đun, từ việc thực thi ngoài chuỗi của Layer 2 đến cấu trúc tái cấu trúc Khả năng có dữ liệu, toàn ngành đã đi ra một con đường mở rộng quy mô đầy sức tưởng tượng. Rollup, như một mô hình mở rộng quy mô được chấp nhận rộng rãi nhất hiện nay, đã đạt được mục tiêu nâng cao TPS một cách đáng kể trong khi giảm bớt gánh nặng cho chuỗi chính. Tuy nhiên, nó vẫn chưa chạm tới giới hạn thực sự của "hiệu suất chuỗi đơn" ở tầng đáy của blockchain, đặc biệt là ở khía cạnh thực thi vẫn bị hạn chế bởi mô hình tính toán tuần tự trong chuỗi cổ điển.

Do đó, tính toán song song trong chuỗi dần dần trở thành một phần trong tầm nhìn của ngành. Khác với mở rộng ngoài chuỗi và phân phối giữa các chuỗi, tính toán song song trong chuỗi cố gắng tái cấu trúc hoàn toàn động cơ thực thi trong khi vẫn duy trì tính nguyên tử của chuỗi đơn, theo hướng dẫn của tư duy thiết kế hệ điều hành hiện đại và CPU, nâng cấp blockchain từ "thực thi giao dịch từng dòng" theo chế độ đơn luồng lên "đa luồng + ống dẫn + lập lịch phụ thuộc" của hệ thống tính toán song song cao. Điều này không chỉ có thể đạt được hàng trăm lần cải thiện về thông lượng mà còn có thể trở thành điều kiện tiên quyết cho sự bùng nổ ứng dụng hợp đồng thông minh.

Có thể nói, tính toán song song không chỉ là một "biện pháp tối ưu hóa hiệu suất", mà còn là bước ngoặt trong mô hình thực thi blockchain. Nó thách thức mô hình cơ bản của việc thực thi hợp đồng thông minh, định nghĩa lại logic cơ bản của việc đóng gói giao dịch, truy cập trạng thái, mối quan hệ gọi và bố cục lưu trữ. Nếu Rollup là "chuyển giao dịch ra ngoài chuỗi", thì tính toán song song trên chuỗi là "xây dựng lõi siêu máy tính trên chuỗi", mục tiêu không chỉ đơn giản là nâng cao thông lượng, mà còn cung cấp hỗ trợ hạ tầng thực sự bền vững cho các ứng dụng gốc của Web3 trong tương lai.

Khi cuộc đua Rollup dần trở nên đồng nhất, việc thực thi song song trên chuỗi đang âm thầm trở thành biến số quyết định trong cuộc cạnh tranh Layer1 của chu kỳ mới. Hiệu suất không chỉ là "nhanh hơn", mà là khả năng hỗ trợ một thế giới ứng dụng dị thể hoàn chỉnh. Đây không chỉ là một cuộc đua công nghệ, mà còn là một cuộc chiến giành lấy các 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 thực thi song song trên chuỗi này.

Hai, Bản đồ tổng quan về mô hình mở rộng: Năm loại lộ trình, mỗi loại có trọng tâm riêng

Mở rộng là một trong những vấn đề quan trọng, kéo dài và khó khăn nhất trong quá trình tiến hóa của công nghệ chuỗi công khai, đã thúc đẩy sự xuất hiện và biến đổi của hầu hết các con đường công nghệ chính trong gần mười năm qua. Bắt đầu từ cuộc tranh luận về kích thước khối của Bitcoin, cuộc đua công nghệ này xoay quanh "cách làm cho chuỗi chạy nhanh hơn" cuối cùng đã phân hóa thành năm tuyến đường cơ bản, mỗi tuyến đường đều tiếp cận điểm nghẽn từ những góc độ khác nhau, có triết lý công nghệ, độ khó thực hiện, mô hình rủi ro và bối cảnh ứng dụng riêng.

Loại tuyến đầu tiên là khả năng mở rộng chuỗi trực tiếp nhất, với các phương pháp đại diện như tăng kích thước khối, rút ngắn thời gian tạo khối, hoặc nâng cao khả năng xử lý thông qua tối ưu hóa cấu trúc dữ liệu và cơ chế đồng thuận. Cách này giữ lại sự đơn giản trong tính nhất quán của chuỗi đơn, dễ hiểu và triển khai, nhưng cũng dễ gặp phải rủi ro tập trung, chi phí vận hành nút tăng lên, khó khăn trong việc đồng bộ hóa và các giới hạn hệ thống khác. Vì vậy, trong thiết kế ngày nay, nó không còn là giải pháp cốt lõi chính thống nữa, mà chủ yếu trở thành sự kết hợp hỗ trợ cho các cơ chế khác.

Loại tuyến thứ hai là mở rộng ngoài chuỗi, đại diện của nó là kênh trạng thái và chuỗi bên. Ý tưởng cơ bản của loại đường này là chuyển hầu hết các hoạt động giao dịch ra ngoài chuỗi, chỉ ghi lại kết quả cuối cùng vào chuỗi chính, chuỗi chính đóng vai trò là lớp thanh toán cuối cùng. Mặc dù ý tưởng này về lý thuyết có thể mở rộng khả năng xử lý vô hạn, nhưng các vấn đề về mô hình tin cậy của giao dịch ngoài chuỗi, tính an toàn của quỹ, độ phức tạp của tương tác, v.v. đã hạn chế ứng dụng của nó.

Lộ trình loại ba là lộ trình Layer2 Rollup hiện đang được ưa chuộng nhất và được triển khai rộng rãi nhất. Phương pháp này thực hiện mở rộng thông qua cơ chế thực thi ngoài chuỗi và xác minh trên chuỗi. Optimistic Rollup và ZK Rollup đều có những ưu điểm riêng, nhưng đều phải đối mặt với các rào cản trung hạn như phụ thuộc quá mạnh vào khả năng cung cấp dữ liệu, chi phí vẫn còn cao và trải nghiệm phát triển bị chia cắt.

Loại tuyến thứ tư là kiến trúc blockchain mô-đun nổi lên trong những năm gần đây. Mô hình mô-đun đề xuất việc tách rời hoàn toàn các chức năng cốt lõi của blockchain, để nhiều chuỗi chuyên biệt thực hiện các chức năng khác nhau, sau đó kết hợp lại thành một mạng lưới có thể mở rộng thông qua giao thức liên chuỗi. Lợi thế của hướng đi này là có thể linh hoạt thay thế các thành phần hệ thống và nâng cao hiệu suất đáng kể ở các khâu cụ thể. Tuy nhiên, thách thức cũng rất rõ ràng: sau khi tách rời các mô-đun, chi phí đồng bộ, xác minh và tin cậy giữa các hệ thống rất cao, và hệ sinh thái nhà phát triển cực kỳ phân tán.

Loại lộ trình cuối cùng là đường đi tối ưu hóa tính toán song song trong chuỗi. Tính toán song song nhấn mạnh "nâng cấp theo chiều dọc", tức là trong một chuỗi đơn lẻ, thông qua việc thay đổi kiến trúc động cơ thực thi, để đạt được xử lý đồng thời giao dịch nguyên tử. Điều này đòi hỏi phải viết lại logic lập lịch VM, giới thiệu phân tích phụ thuộc giao dịch, dự đoán xung đột trạng thái, kiểm soát độ song song, gọi không đồng bộ và một bộ cơ chế lập lịch hệ thống máy tính hiện đại. Lợi thế cốt lõi của hướng đi này là không cần phụ thuộc vào kiến trúc đa chuỗi để đạt được đột phá giới hạn thông lượng, đồng thời cung cấp đủ độ linh hoạt tính toán cho việc thực thi hợp đồng thông minh phức tạp, là tiền đề công nghệ quan trọng cho các tình huống ứng dụng trong tương lai như AI Agent, trò chơi chuỗi lớn và sản phẩm phái sinh tần suất cao.

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 phát triển, tính toán song song dần trở thành con đường cốt lõi để đạt được sự đột phá về hiệu suất. Xuất phát từ mô hình thực thi, nhìn lại sự phát triển của hệ thống công nghệ này, chúng ta có thể hệ thống hóa một cách rõ ràng bản đồ phân loại tính toán song song, nó có thể được chia thành năm con đường công nghệ: tính toán song song cấp tài khoản, tính toán song song cấp đối tượng, tính toán song song cấp giao dịch, tính toán song song cấp máy ảo và tính toán song song cấp lệnh. Năm con đường này từ thô đến mịn, không chỉ là quá trình tinh chỉnh liên tục của logic song song mà còn là con đường mà độ phức tạp của hệ thống và độ khó trong việc lập lịch ngày càng gia tăng.

Mô hình song song cấp tài khoản xuất hiện sớm nhất, là một biểu tượng đại diện cho một nền tảng giao dịch. Mô hình này dựa trên thiết kế tách rời giữa tài khoản và trạng thái, thông qua phân tích tĩnh tập hợp tài khoản liên quan trong giao dịch, đánh giá xem có tồn tại mối quan hệ xung đột hay không. Nếu tập hợp tài khoản mà hai giao dịch truy cập không chồng chéo, thì có thể thực hiện đồng thời trên nhiều lõi. Cơ chế này rất phù hợp để xử lý các giao dịch có cấu trúc rõ ràng, đầu vào và đầu ra rõ ràng, đặc biệt là các chương trình có đường đi dự đoán như DeFi. Nhưng giả định tự nhiên của nó là việc truy cập tài khoản có thể dự đoán được, và sự phụ thuộc vào trạng thái có thể suy diễn tĩnh, điều này khiến nó dễ dàng gặp phải vấn đề thực thi bảo thủ và giảm độ song song khi đối mặt với hợp đồng thông minh phức tạp.

Trên cơ sở mô hình tài khoản, chúng ta đi sâu vào cấp độ kỹ thuật của song song theo đối tượng. Song song theo đối tượng giới thiệu sự trừu tượng ngữ nghĩa của tài nguyên và mô-đun, thực hiện lập lịch đồng thời dựa trên "đối tượng trạng thái" có độ chi tiết cao hơn. Một số dự án thông qua hệ thống loại tuyến tính của ngôn ngữ Move, định nghĩa quyền sở hữu và tính biến đổi của tài nguyên ngay từ thời điểm biên dịch, cho phép kiểm soát chính xác xung đột truy cập tài nguyên tại thời gian chạy. Cách tiếp cận này so với song song theo tài khoản mang tính phổ quát và khả năng mở rộng hơn, có thể bao trùm logic đọc ghi trạng thái phức tạp hơn, và phục vụ tự nhiên cho các tình huống có độ dị biệt cao như trò chơi, xã hội, AI. Tuy nhiên, song song theo đối tượng cũng đưa ra ngưỡng ngôn ngữ cao hơn và độ phức tạp phát triển, chi phí chuyển đổi sinh thái cao, hạn chế tốc độ phổ biến của hình thức song song này.

Việc thực hiện song song cấp giao dịch sâu hơn nữa là hướng đi mà các chuỗi hiệu suất cao thế hệ mới đang khám phá. Con đường này không còn coi trạng thái hoặc tài khoản là đơn vị song song tối thiểu mà thay vào đó xây dựng đồ thị phụ thuộc xung quanh toàn bộ giao dịch. Nó coi giao dịch như là đơn vị thao tác nguyên tử, xây dựng đồ thị giao dịch thông qua phân tích tĩnh hoặc động và dựa vào bộ lập lịch để thực hiện dòng chảy song song. Thiết kế này cho phép hệ thống tối đa hóa khai thác tính song song mà không cần hiểu biết hoàn toàn về cấu trúc trạng thái cơ sở. Một số dự án kết hợp các công nghệ của động cơ cơ sở dữ liệu hiện đại như kiểm soát đồng thời lạc quan, lập lịch dòng chảy song song và thực thi không theo thứ tự, khiến việc thực thi chuỗi gần giống với mô hình "bộ lập lịch GPU". Trong thực tế, cơ chế này cần có một bộ quản lý phụ thuộc và bộ phát hiện xung đột cực kỳ phức tạp, và bộ lập lịch cũng có thể trở thành nút thắt cổ chai, nhưng khả năng thông lượng tiềm năng của nó cao hơn nhiều so với mô hình tài khoản hoặc đối tượng, trở thành một lực lượng có trần lý thuyết cao nhất trong lĩnh vực tính toán song song hiện tại.

Và mức độ song song của máy ảo, sẽ nhúng khả năng thực thi đồng thời trực tiếp vào logic lập lịch lệnh ở tầng VM, nhằm hoàn toàn vượt qua những hạn chế cố hữu của thực thi tuần tự EVM. Một số dự án như là "thí nghiệm máy ảo siêu" trong hệ sinh thái Ethereum, đang cố gắng thiết kế lại EVM để nó hỗ trợ thực thi mã hợp đồng thông minh đa luồng đồng thời. Ở tầng dưới, thông qua việc thực thi phân đoạn, phân tách trạng thái, gọi bất đồng bộ và các cơ chế khác, cho phép mỗi hợp đồng hoạt động độc lập trong các ngữ cảnh thực thi khác nhau, và nhờ vào lớp đồng bộ song song để đảm bảo tính nhất quán cuối cùng. Cách tiếp cận này khó khăn nhất ở chỗ nó phải hoàn toàn tương thích với ngữ nghĩa hành vi hiện có của EVM, đồng thời cải tạo toàn bộ môi trường thực thi và cơ chế Gas, để cho hệ sinh thái có thể chuyển đổi mượt mà lên khung song song. Thách thức không chỉ là độ sâu của ngăn xếp công nghệ mà còn liên quan đến mức độ chấp nhận của cấu trúc chính trị L1 của Ethereum đối với những thay đổi lớn trong giao thức. Nhưng nếu thành công, điều này có thể trở thành "cách mạng bộ xử lý đa lõi" trong lĩnh vực EVM.

Lớp đường đi cuối cùng, tức là mức độ chi tiết nhất và có rào cản kỹ thuật cao nhất, là song song cấp độ lệnh. Ý tưởng này xuất phát từ việc thực hiện không thứ tự và ống lệnh trong thiết kế CPU hiện đại. Mô hình này cho rằng, bởi vì mỗi hợp đồng thông minh cuối cùng đều được biên dịch thành lệnh bytecode, nên hoàn toàn có thể phân tích lịch trình và sắp xếp song song cho mỗi thao tác như cách CPU thực hiện lệnh x86. Một số dự án đã bước đầu giới thiệu mô hình thực thi có thể sắp xếp lại cấp độ lệnh trong VM của họ, và về lâu dài, một khi động cơ thực thi blockchain đạt được khả năng dự đoán thực thi phụ thuộc vào lệnh và sắp xếp động, độ song song của nó sẽ đạt đến giới hạn lý thuyết. Cách này thậm chí có thể đẩy thiết kế phối hợp giữa blockchain và phần cứng lên một tầm cao mới, biến chuỗi thành một "máy tính phi tập trung" thực sự, chứ không chỉ là "sổ cái phân tán". Tất nhiên, con đường này hiện vẫn đang ở giai đoạn lý thuyết và thử nghiệm, các bộ lập lịch và cơ chế xác minh an toàn liên quan vẫn chưa phát triển hoàn thiện, nhưng nó đã chỉ ra ranh giới cuối cùng của tính toán song song trong tương lai.

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

Trong quá trình tiến hóa của tính toán song song, hai hướng công nghệ chính mà thị trường hiện nay tập trung nhiều nhất, có tiếng nói cao nhất và có câu chuyện hoàn chỉnh nhất, không nghi ngờ gì nữa là "xây dựng chuỗi tính toán song song từ con số không" đại diện bởi Monad, và "cuộc cách mạng song song bên trong EVM" đại diện bởi MegaETH. Cả hai đều không chỉ là hướng nghiên cứu mà các kỹ sư nguyên thủy tiền điện tử hiện tại đầu tư mạnh mẽ nhất, mà còn là hai biểu tượng cực kỳ chắc chắn trong cuộc cạnh tranh hiệu suất máy tính Web3 hiện tại. Sự phân chia giữa chúng không chỉ nằm ở điểm khởi đầu và phong cách của kiến trúc công nghệ mà còn ở các đối tượng sinh thái mà chúng phục vụ, chi phí chuyển giao, triết lý thực thi và con đường chiến lược tương lai hoàn toàn khác nhau. Chúng đại diện cho một "chủ nghĩa tái cấu trúc" và một "chủ nghĩa tương thích" trong cuộc đua mô hình song song, và ảnh hưởng sâu sắc đến tưởng tượng của thị trường về hình thái cuối cùng của chuỗi hiệu suất cao.

Monad là một "nguyên lý tính toán triệt để", triết lý thiết kế của nó không phải nhằm tương thích với EVM hiện có, mà là lấy cảm hứng từ các cơ sở dữ liệu hiện đại và hệ thống đa nhân hiệu suất cao, nhằm định nghĩa lại cách thức hoạt động cơ bản 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 ngoài thứ tự, và ống xử lý hàng loạt, nhằm nâng cao hiệu suất xử lý giao dịch của chuỗi lên tới mức triệu TPS. Trong kiến trúc Monad, việc thực thi và sắp xếp giao dịch hoàn toàn được tách rời, hệ thống trước tiên xây dựng đồ thị phụ thuộc giao dịch, sau đó giao cho bộ lập lịch thực hiện song song theo chuỗi. Tất cả giao dịch đều được coi là đơn vị nguyên tử của giao dịch.