Rapport de recherche approfondie sur le calcul parallèle Web3 : le chemin ultime vers l'extension native

I. Introduction : L'extension est un sujet éternel, le parallélisme est le champ de bataille ultime

Depuis la naissance du Bitcoin, les systèmes de blockchain font face à ce problème central qu'est l'extension. La capacité de traitement des transactions du Bitcoin et de l'Ethereum est limitée, ce qui contraste fortement avec les systèmes Web2 traditionnels. Ce n'est pas un problème qui peut être résolu simplement en augmentant le matériel, mais qui provient de limitations systémiques dans la conception sous-jacente de la blockchain.

Au cours des dix dernières années, nous avons été témoins de l'essor et de la chute de nombreuses solutions d'évolutivité. De la bataille pour l'évolutivité de Bitcoin à la vision du sharding d'Ethereum, des canaux d'état aux Rollups, des Layer 2 aux blockchains modulaires, l'industrie a exploré diverses voies d'évolutivité. Les Rollups, en tant que solution dominante actuelle, augmentent le TPS tout en préservant la sécurité d'Ethereum. Cependant, ils n'ont pas atteint les véritables limites de "performance à chaîne unique" de la blockchain, en particulier sur le plan de l'exécution.

Le calcul parallèle intra-chaîne entre progressivement dans le champ de vision de l'industrie. Il tente de reconstruire complètement le moteur d'exécution tout en maintenant l'atomicité d'une seule chaîne, en mettant à niveau la blockchain de "l'exécution sérielle des transactions une par une" à un système à haute concurrence de "multi-threading + pipeline + planification des dépendances". Cela pourrait non seulement réaliser des centaines de fois l'augmentation du débit, mais pourrait également devenir la condition préalable clé à l'explosion des applications de contrats intelligents.

En réalité, dans le domaine du Web2, le calcul mono-thread a déjà été éliminé. Et la blockchain, en tant que système exigeant une grande détermination, n'a pas encore pleinement profité du calcul parallèle. De nouvelles chaînes comme Solana, Sui, Aptos ont introduit la parallélisation au niveau de l'architecture, ouvrant ainsi cette exploration ; tandis que des projets comme Monad et MegaETH poussent encore plus loin la parallélisation intra-chaîne, présentant des caractéristiques de plus en plus proches des systèmes d'exploitation modernes.

On peut dire que le calcul parallèle n'est pas seulement un moyen d'optimisation des performances, mais aussi un point de basculement dans le modèle d'exécution de la blockchain. Il redéfinit la logique fondamentale du traitement des transactions, fournissant un soutien infrastructurel durable pour les futures applications natives de Web3. Alors que la course au Rollup converge, le parallélisme sur la chaîne devient un facteur déterminant dans cette nouvelle compétition Layer1. Ce n'est pas seulement une compétition technique, mais aussi une lutte de paradigmes. La prochaine génération de plateformes d'exécution souveraines dans le monde de Web3 pourrait bien émerger de cette lutte pour le parallélisme sur la chaîne.

II. Panorama des paradigmes d'extensibilité : cinq types de routes, chacun avec ses propres points forts

L'extension, en tant qu'un des sujets les plus importants de l'évolution de la technologie des blockchains publiques, a donné naissance à presque toutes les principales voies technologiques au cours de la dernière décennie. Depuis le début de la controverse sur la taille des blocs de Bitcoin, cette compétition technique sur "comment faire fonctionner la chaîne plus rapidement" a finalement abouti à cinq grandes voies fondamentales, chacune ayant sa propre philosophie technique, son niveau de difficulté de mise en œuvre, son modèle de risque et ses scénarios d'application.

La première catégorie est l'extension on-chain la plus directe, comme l'augmentation de la taille des blocs ou le raccourcissement du temps de création des blocs. Cette méthode est facile à comprendre et à déployer, mais elle risque de toucher aux risques de centralisation et autres limites systémiques, et elle n'est plus considérée comme une solution principale actuellement.

La deuxième catégorie est l'extension hors chaîne, représentée par les canaux d'état et les chaînes latérales. Ce type de chemin déplace la plupart des activités de transaction hors chaîne, n'écrivant que le résultat final dans la chaîne principale. Bien qu'il puisse théoriquement étendre indéfiniment le débit, des problèmes tels que le modèle de confiance des transactions hors chaîne et la sécurité des fonds limitent son utilisation.

La troisième catégorie est la route Layer2 Rollup la plus populaire actuellement. L'extension est réalisée par un mécanisme d'exécution hors chaîne et de vérification sur chaîne. L'Optimistic Rollup et le ZK Rollup ont chacun des avantages, mais il existe également certains goulets d'étranglement à moyen terme, tels qu'une dépendance trop forte à la disponibilité des données et des frais encore relativement élevés.

La quatrième catégorie est l'architecture de blockchain modulaire qui a émergé ces dernières années, comme Celestia, Avail, etc. Elle découple complètement les fonctionnalités de base de la blockchain, permettant à plusieurs chaînes spécialisées d'accomplir différentes fonctions. L'avantage de cette direction réside dans la flexibilité de remplacer les composants du système, mais elle fait également face à des défis tels que la synchronisation et la validation entre les modules.

La cinquième catégorie est l'optimisation des chemins de calcul parallèle en chaîne, qui est également l'objet principal de cette analyse. Elle met l'accent sur le changement de l'architecture du moteur d'exécution à l'intérieur d'une seule chaîne pour réaliser le traitement concurrent des transactions atomiques. L'avantage clé de cette direction réside dans le fait qu'elle permet de franchir 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.

À travers ces cinq types de voies d'extension, ce qui se reflète derrière est le compromis systémique entre la performance, la combinabilité, la sécurité et la complexité de développement dans la blockchain. Aucune des voies ne peut résoudre tous les problèmes, mais elles forment ensemble le panorama de la mise à niveau du paradigme de calcul Web3. Et la parallélisation sur la chaîne pourrait être le champ de bataille ultime de cette guerre d'extension à long terme.

Trois, carte de classification des calculs parallèles : cinq grands chemins de compte à instruction

Dans le processus d'évolution continue des technologies d'extension de la blockchain, le calcul parallèle est progressivement devenu le chemin central pour les percées en performance. En partant du modèle d'exécution, nous pouvons dresser une carte de classification claire du calcul parallèle, qui peut être grossièrement divisée en cinq chemins technologiques : le parallélisme au niveau des comptes, le parallélisme au niveau des objets, le parallélisme au niveau des transactions, le parallélisme au niveau des machines virtuelles et le parallélisme au niveau des instructions. Ces cinq types de chemins vont de la granularité grossière à la granularité fine, représentant à la fois un processus de raffinement constant de la logique parallèle et un chemin d'augmentation continue de la complexité du système et de la difficulté de planification.

Le premier niveau de parallélisme au niveau des comptes, représenté par Solana. Ce modèle est basé sur un design de découplage compte-état, permettant d'analyser statiquement l'ensemble des comptes impliqués dans les transactions pour déterminer s'il existe des relations de conflit. Ce mécanisme est adapté pour traiter des transactions clairement structurées, mais il est susceptible de rencontrer des problèmes de réduction de parallélisme lorsqu'il est confronté à des contrats intelligents complexes.

La parallélisation au niveau des objets est davantage affinée, avec un ordonnancement concurrent basé sur des "objets d'état" de granularité plus fine. Aptos et Sui sont des explorateurs importants dans cette direction. Cette méthode est plus générale et évolutive par rapport à la parallélisation au niveau des comptes, mais elle introduit également des barrières linguistiques plus élevées et une complexité de développement accrue.

La parallélisation au niveau des transactions est une direction explorée par la nouvelle génération de chaînes haute performance représentées par Monad, Sei et Fuel. Elle considère les transactions comme des unités d'opération atomiques, construit des graphiques de transactions par analyse statique ou dynamique, et s'appuie sur un ordonnanceur pour une exécution concurrente en pipeline. Ce mécanisme nécessite des gestionnaires de dépendances et des détecteurs de conflits extrêmement complexes, mais sa capacité de débit potentielle est bien supérieure à celle des modèles de comptes ou d'objets.

La parallélisation au niveau de la machine virtuelle intègre directement la capacité d'exécution concurrente dans la logique de planification des instructions au niveau de la VM. MegaETH, en tant qu'"expérience de super machine virtuelle" au sein de l'écosystème Ethereum, essaie de redessiner l'EVM pour qu'il prenne en charge l'exécution concurrente multithread des codes de contrats intelligents. La plus grande difficulté de cette approche réside dans le fait qu'elle doit être complètement compatible avec la sémantique de comportement de l'EVM existant, tout en réformant l'ensemble de l'environnement d'exécution et du mécanisme de Gas.

La dernière catégorie est le parallélisme au niveau des instructions, dont l'idée provient de l'exécution désordonnée et du pipeline d'instructions dans la conception moderne des CPU. L'équipe Fuel a déjà introduit un modèle d'exécution réordonnable au niveau des instructions dans son FuelVM. Cette approche pourrait même propulser la conception conjointe de la blockchain et du matériel vers un nouveau sommet, faisant de la chaîne un véritable "ordinateur décentralisé".

En résumé, ces cinq grandes voies constituent le spectre de développement du calcul parallèle sur la chaîne, allant des structures de données statiques aux mécanismes de planification dynamique, de la prévision d'accès à l'état à la réorganisation au niveau des instructions. Chaque avancée technologique en matière de parallélisme signifie une augmentation significative de la complexité du système et du seuil de développement. Le choix des chemins parallèles par différentes chaînes publiques déterminera également la capacité maximale de leur écosystème d'applications futur, ainsi que leur compétitivité centrale dans des scénarios tels que les agents AI, les jeux sur chaîne et le trading à haute fréquence sur la chaîne.

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

Dans les multiples voies d'évolution du calcul parallèle, les deux principales lignes technologiques actuellement mises en avant sur le marché sont "construire une chaîne de calcul parallèle à partir de zéro", représentée par Monad, et "la révolution du parallélisme interne de l'EVM", représentée par MegaETH. Ces deux approches ne sont pas seulement les directions de recherche et développement les plus intensément investies par les ingénieurs en cryptographie, mais elles symbolisent également les deux pôles les plus déterministes de la compétition pour la performance des ordinateurs Web3. La distinction entre les deux 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, la philosophie d'exécution et les trajectoires stratégiques futures qui sont radicalement différentes.

Monad est un "puriste du calcul" radical, dont la philosophie de conception n'est pas destinée à être compatible avec l'EVM existant, mais s'inspire des bases de données modernes et des systèmes multicœurs haute performance pour redéfinir la manière dont le moteur d'exécution de la blockchain fonctionne en profondeur. Son système technologique central repose sur des mécanismes de contrôle de concurrence optimiste, de planification de transactions DAG, d'exécution désordonnée et de pipelines de traitement par lots, visant à porter 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 de dépendance des transactions, puis le confie au planificateur pour une exécution parallèle en pipeline. Toutes les transactions sont considérées comme des unités atomiques de transaction, possédant un ensemble de lecture/écriture clair et une capture d'état, le planificateur effectue une exécution optimiste sur la base du graphique de dépendance et procède à un retour en arrière et à une réexécution en cas de conflit.

Et ce qui est encore plus crucial, c'est que Monad n'a pas renoncé à l'interopérabilité avec l'EVM. Il prend en charge les développeurs pour écrire des contrats en utilisant la syntaxe Solidity grâce à une couche intermédiaire similaire à "Solidity-Compatible Intermediate Language", tout en optimisant et en planifiant parallèlement le langage intermédiaire dans le moteur d'exécution. Cette stratégie de conception "compatibilité de surface, reconstruction de fond", lui permet de rester amical pour les développeurs de l'écosystème Ethereum tout en libérant au maximum le potentiel d'exécution sous-jacent.

Contrairement à l'attitude de "constructeur de nouveaux mondes" de Monad, MegaETH choisit de partir du monde existant d'Ethereum, réalisant une amélioration significative de l'efficacité d'exécution avec un coût de changement très faible. MegaETH ne renverse pas la norme EVM, mais s'efforce d'intégrer la capacité de calcul parallèle dans le moteur d'exécution EVM existant, créant une version future de "EVM multicœur". Son principe de base repose sur une reconstruction complète du modèle d'exécution des instructions EVM actuel, lui permettant de disposer de capacités d'isolation au niveau des threads, d'exécution asynchrone au niveau des contrats et de détection des conflits d'accès à l'état, permettant ainsi à plusieurs contrats intelligents de s'exécuter simultanément dans le même bloc, puis de fusionner finalement les modifications d'état.

La percée majeure de MegaETH réside dans son mécanisme de planification multithread VM. L'EVM traditionnel adopte un modèle d'exécution à un seul thread basé sur la pile, chaque instruction étant exécutée de manière linéaire, et la mise à jour de l'état devant se produire de manière synchrone. MegaETH brise ce modèle en introduisant une pile d'appels asynchrone et un mécanisme d'isolation du contexte d'exécution, permettant ainsi une exécution simultanée dans "le contexte EVM concurrent". Chaque contrat peut appeler sa propre logique dans un thread indépendant, et tous les threads effectuent une détection des conflits et une convergence de l'état de manière unifiée via une couche de synchronisation parallèle lors de la soumission finale de l'état.

Dans un certain sens, les deux voies de Monad et MegaETH ne sont pas seulement deux manières de mettre en œuvre des chemins technologiques parallèles, mais représentent également l'opposition classique entre le "courant de reconstruction" et le "courant de compatibilité" dans le développement de la blockchain : le premier vise à une rupture de paradigme, reconstruisant toute la logique allant de la machine virtuelle à la gestion d'état de bas niveau, pour atteindre des performances extrêmes et une plasticité architecturale ; le second vise à une optimisation progressive, en respectant les contraintes écologiques existantes, en poussant les systèmes traditionnels à leurs limites, afin de minimiser au maximum les coûts de migration. Les deux n'ont pas d'avantages ou d'inconvénients absolus, mais servent plutôt différents groupes de développeurs et visions écologiques.

Cinq, Opportunités et défis futurs du calcul parallèle

Avec le calcul parallèle qui passe progressivement de la conception sur papier à la mise en œuvre sur la chaîne, son potentiel devient de plus en plus concret et mesurable. D'une part, nous avons vu de nouveaux paradigmes de développement et modèles commerciaux commencer à redéfinir autour de "hautes performances sur la chaîne" : une logique de jeu sur chaîne plus complexe, un cycle de vie d'Agent IA plus réaliste, des protocoles d'échange de données plus en temps réel, une expérience interactive plus immersive, et même un système d'exploitation Super App collaboratif sur la chaîne, tous en train de passer de "peut-on le faire" à "à quel point cela peut-il être bien fait". D'autre part, ce qui pousse réellement la transition du calcul parallèle, ce n'est pas seulement l'amélioration linéaire des performances système, mais aussi une transformation structurelle des limites cognitives des développeurs et des coûts de migration des écosystèmes.

Tout d'abord, du point de vue des opportunités, le bénéfice le plus immédiat est la "levée du plafond d'application". Actuellement, la plupart des applications DeFi, de jeux et sociales sont limitées par des goulets d'étranglement d'état, des coûts de Gas et des problèmes de latence.