Отчет о глубоком исследовании параллельных вычислений Web3: окончательный путь нативного масштабирования

I. Введение: Масштабирование — это вечная тема, параллелизм — конечное поле битвы

С момента появления биткойна блокчейн-системы постоянно сталкиваются с основной проблемой масштабируемости. Объем обработки транзакций биткойна и эфириума ограничен, что резко контрастирует с традиционными системами Web2. Это не просто вопрос увеличения аппаратного обеспечения, а связано с системными ограничениями в базовом дизайне блокчейна.

За последние десять лет мы стали свидетелями взлетов и падений множества решений по масштабированию. От биткойн-споров по масштабированию до видения шардирования Ethereum, от каналов состояния до Rollup, от второго уровня до модульных блокчейнов, отрасль исследовала различные пути масштабирования. Rollup, будучи текущим основным решением, увеличивает TPS, сохраняя при этом безопасность Ethereum. Но он не затрагивает истинные пределы "одиночной цепной производительности" на уровне блокчейна, особенно на уровне исполнения.

Внутренние параллельные вычисления постепенно входят в поле зрения отрасли. Они пытаются полностью перестроить исполнительный движок, сохраняя атомарность одной цепочки, превращая блокчейн из "последовательного выполнения транзакций" в высокопроизводительную систему "многопоточности + конвейер + управление зависимостями". Это не только может обеспечить сотни раз увеличение пропускной способности, но и может стать ключевым условием для взрыва применения смарт-контрактов.

На самом деле, в области Web2 однопоточные вычисления уже устарели. А блокчейн, как система с очень высокими требованиями к детерминизму, до сих пор не смог в полной мере использовать параллельные вычисления. Новые цепочки, такие как Solana, Sui, Aptos, на уровне архитектуры вводят параллельность, начиная это исследование; в то время как проекты Monad, MegaETH и другие еще больше углубляют параллельные вычисления внутри цепочки, демонстрируя все более близкие к современным операционным системам характеристики.

Можно сказать, что параллельные вычисления не только являются средством оптимизации производительности, но и являют собой парадигмальный поворот в модели выполнения блокчейна. Они переопределяют основную логику обработки транзакций, предоставляя устойчивую инфраструктурную поддержку для будущих нативных приложений Web3. После сходства на рынке Rollup, параллельные вычисления в цепочке становятся определяющим фактором новой волны конкуренции Layer1. Это не только техническое соревнование, но и борьба парадигм. Следующая генерация суверенных платформ выполнения в мире Web3, вероятно, родится из этой борьбы параллельных вычислений в цепочке.

II. Панорама парадигм расширения: пять типов маршрутов, каждый с акцентом

Масштабирование, как одна из важнейших тем эволюции технологий публичных блокчейнов, стало причиной появления и эволюции почти всех основных технологических путей за последние десять лет. С начала спора о размере блока биткойна эта техническая гонка за "тем, как сделать цепочку быстрее", в конечном итоге разделилась на пять основных направлений, каждое из которых имеет свою собственную техническую философию, сложность реализации, модель риска и области применения.

Первый тип - это наиболее прямолинейное расширение цепочки, например, увеличение размера блока, сокращение времени создания блока и т. д. Этот способ легко понять и развернуть, но он может столкнуться с рисками централизации и другими системными ограничениями, поэтому в настоящее время он больше не является основным решением.

Второй тип - это расширение вне цепи, представляемое каналами состояния и побочными цепями. Этот путь переносит большую часть торговой активности за пределы цепи, записывая только конечный результат в основную цепь. Хотя теоретически можно бесконечно расширять пропускную способность, модели доверия в внецепочных сделках и проблемы безопасности средств ограничивают их применение.

Третий тип - это самый популярный в настоящее время маршрут Layer2 Rollup. Увеличение масштабируемости достигается за счет механизма выполнения вне цепи и проверки на цепи. Optimistic Rollup и ZK Rollup имеют свои преимущества, но также существуют некоторые среднесрочные узкие места, такие как высокая зависимость от доступности данных и все еще высокие расходы.

Четвертый тип — это модульная архитектура блокчейна, которая появилась в последние годы, например, Celestia, Avail и др. Она полностью декомпозирует основные функции блокчейна, выполняя разные функции несколькими специализированными цепями. Преимущества этого направления заключаются в гибкой замене системных компонентов, но также существуют проблемы с синхронизацией и верификацией между модулями.

Пятая категория — это оптимизация путей параллельных вычислений внутри цепи, которая также является объектом основного анализа в данной статье. Она подчеркивает изменение архитектуры исполнительного движка внутри одной цепи для достижения параллельной обработки атомарных транзакций. Основное преимущество этого направления заключается в том, что не требуется полагаться на многосетевую архитектуру для достижения предельной пропускной способности, одновременно обеспечивая достаточную вычислительную гибкость для выполнения сложных смарт-контрактов.

Смотря на эти пять категорий путей расширения, за ними стоит системный компромисс между производительностью, совместимостью, безопасностью и сложностью разработки в блокчейне. Каждый из путей не может решить все проблемы, но они вместе составляют панораму обновления вычислительной парадигмы Web3. А параллельность внутри цепи может стать конечным полем битвы в этой долгосрочной войне за расширение.

Три. Классификация параллельных вычислений: пять основных путей от счета до инструкции

В процессе постоянного развития технологий масштабирования блокчейна параллельные вычисления постепенно становятся основным путем к突破у производительности. Исходя из модели исполнения, мы можем составить четкую классификацию параллельных вычислений, которая в основном делится на пять технических путей: параллельные вычисления на уровне аккаунтов, параллельные вычисления на уровне объектов, параллельные вычисления на уровне транзакций, параллельные вычисления на уровне виртуальных машин и параллельные вычисления на уровне инструкций. Эти пять категорий путей от грубой до тонкой гранулярности представляют собой как процесс постоянного уточнения параллельной логики, так и путь, по которому постоянно возрастает сложность системы и сложность расписания.

Самая ранняя форма параллелизма на уровне аккаунтов представлена Solana. Эта модель основана на декомпозиции аккаунта и состояния, с помощью статического анализа набора аккаунтов, участвующих в транзакциях, определяется наличие конфликтных отношений. Этот механизм подходит для обработки четко структурированных транзакций, но при работе со сложными смарт-контрактами может возникнуть проблема снижения параллелизма.

Параллелизм на уровне объектов далее уточняется, выполняя конкурентное планирование на основе более мелких единиц "объектов состояния". Aptos и Sui являются важными исследователями в этом направлении. Этот подход более универсален и масштабируем по сравнению с параллелизмом на уровне аккаунтов, но также вводит более высокие языковые барьеры и сложность разработки.

Уровень параллелизма на уровне транзакций — это направление, которое исследуется новым поколением высокопроизводительных цепочек, представленным Monad, Sei и Fuel. Он рассматривает транзакции как атомарные операции, строит граф транзакций с помощью статического или динамического анализа и полагается на планировщик для выполнения параллельных потоков. Этот механизм требует крайне сложных менеджеров зависимостей и детекторов конфликтов, но его потенциальная пропускная способность значительно превышает пропускную способность моделей счетов или объектов.

Параллелизм на уровне виртуальной машины непосредственно интегрирует возможности параллельного выполнения в логику планирования инструкций под VM. MegaETH, как "супервиртуальная машина" внутри экосистемы Ethereum, пытается заново спроектировать EVM, чтобы она поддерживала многопоточное параллельное выполнение кода смарт-контрактов. Самая сложная часть этого подхода заключается в том, что он должен полностью соответствовать семантике поведения существующего EVM, одновременно преобразуя всю среду выполнения и механизм Gas.

Последний тип - это параллелизм на уровне инструкций, идея которого основана на внеочередном выполнении и конвейеризации инструкций в современном дизайне ЦП. Команда Fuel уже на начальном этапе внедрила модель выполнения с переупорядочением инструкций в своем FuelVM. Этот подход может даже поднять совместный дизайн блокчейна и аппаратного обеспечения на совершенно новый уровень, сделав цепь настоящим "децентрализованным компьютером".

Таким образом, эти пять основных путей составляют спектр развития параллельных вычислений в блокчейне, от статических структур данных до динамических механизмов планирования, от прогнозирования доступа к состоянию до перераспределения на уровне инструкций. Каждый шаг в параллельных технологиях означает значительное увеличение сложности системы и порогов разработки. Выбор параллельных путей различными общественными блокчейнами также определит предельные возможности их будущих экосистем приложений, а также их конкурентные преимущества в таких сценариях, как AI Agent, блокчейн-игры и высокочастотная торговля на блокчейне.

Четыре, Глубина двух основных направлений: Monad против MegaETH

В эволюции параллельных вычислений по многим направлениям текущий рынок сосредоточен на двух основных технологических маршрутах: "построение параллельной вычислительной цепочки с нуля", представленное Monad, и "внутренняя параллельная революция EVM", представленная MegaETH. Эти два направления не только являются наиболее интенсивно развиваемыми в настоящее время для инженеров криптографических примитивов, но и символизируют две полюса в текущих соревнованиях по производительности Web3. Разделение между ними заключается не только в начальной точке и стиле архитектуры технологий, но и в совершенно различных экосистемах, которые они обслуживают, затратах на миграцию, философии выполнения и стратегических путях будущего.

Monad является абсолютным "первоначальным вычислительным принципом", его философия дизайна не направлена на совместимость с существующим EVM, а черпает вдохновение из современных баз данных и высокопроизводительных многоядерных систем, чтобы переопределить базовый способ работы движка выполнения блокчейна. Его основная техническая система основана на оптимистическом управлении конкурентностью, планировании транзакций DAG, внеочередном выполнении, механизмах пакетной обработки и т.д., с целью повысить производительность обработки транзакций в цепочке до уровня миллиона TPS. В архитектуре Monad выполнение и сортировка транзакций полностью декомпозированы, система сначала строит граф зависимостей транзакций, а затем передает его планировщику для параллельного выполнения в конвейере. Все транзакции рассматриваются как атомарные единицы транзакций, обладающие четкими наборами чтения и записи, а также снимками состояния; планировщик выполняет оптимистическое выполнение на основе графа зависимостей и выполняет откат и повторное выполнение в случае конфликтов.

Но более важно то, что Monad не отказался от совместимости с EVM. Он поддерживает разработчиков в написании контрактов с помощью синтаксиса Solidity через промежуточный слой, похожий на "Совместимый с Solidity промежуточный язык", одновременно осуществляя оптимизацию промежуточного языка и параллельное планирование в исполнительном движке. Эта стратегия проектирования "поверхностная совместимость, глубокая реконструкция" позволяет сохранить дружелюбие к разработчикам экосистемы Ethereum и максимально раскрыть потенциал низкоуровневого выполнения.

В отличие от позиции Monad как "строителя нового мира", MegaETH выбирает начинать с существующего мира Ethereum, добиваясь значительного повышения эффективности выполнения с минимальными затратами на изменения. MegaETH не отвергает стандарты EVM, а стремится внедрить возможности параллельных вычислений в существующий движок выполнения EVM, создавая будущее "многопроцессорного EVM". Основной принцип заключается в полной переработке модели выполнения команд текущего EVM, что обеспечивает изоляцию на уровне потоков, асинхронное выполнение на уровне контрактов, обнаружение конфликтов доступа к состоянию и т.д., позволяя нескольким смарт-контрактам одновременно работать в одном блоке и в конечном итоге объединять изменения состояния.

Ядро MegaETH заключается в его механизме многопоточности VM. Традиционный EVM использует стековую однопоточную модель выполнения, где каждая инструкция выполняется линейно, а обновление состояния должно происходить синхронно. MegaETH разрывает эту модель, вводя асинхронный стек вызовов и механизм изоляции контекста выполнения, что позволяет реализовать одновременное выполнение "параллельных контекстов EVM". Каждый контракт может вызывать свою логику в независимом потоке, а все потоки при окончательной подаче состояния выполняют проверку на конфликты и согласование состояния через параллельный синхронизирующий слой.

В некотором смысле, Monad и MegaETH — это не только две реализации параллельных технологических путей, но и классическое противостояние между "реформаторами" и "совместимыми" в развитии блокчейна: первые стремятся к парадигмальным прорывам, перестраивая всю логику от виртуальной машины до управления состоянием на низком уровне для достижения предельной производительности и архитектурной пластичности; вторые стремятся к постепенной оптимизации, основываясь на уважении к существующим экологическим ограничениям, доводя традиционные системы до предела, чтобы максимально сократить затраты на миграцию. Между ними нет абсолютного превосходства; они служат различным группам разработчиков и экологическим видениям.

Пять. Будущие возможности и вызовы параллельных вычислений

С переходом параллельных вычислений от теоретического проектирования к практической реализации на блокчейне, их потенциал становится все более осязаемым и измеримым. С одной стороны, мы наблюдаем, как новые парадигмы разработки и бизнес-модели начинают переопределяться вокруг "высокой производительности на блокчейне": более сложная логика блокчейн-игр, более реалистичный жизненный цикл AI Agent, более актуальные протоколы обмена данными, более погружающий интерактивный опыт и даже кооперативная операционная система Super App на блокчейне, все это переходит от вопроса "можно ли это сделать" к "насколько хорошо это сделано". С другой стороны, истинным двигателем перехода параллельных вычислений является не только линейное улучшение системной производительности, но и структурные изменения в границах восприятия разработчиков и стоимости миграции экосистем.

Во-первых, с точки зрения возможностей, самым непосредственным преимуществом является "освобождение от потолка применения". В настоящее время большинство приложений DeFi, игр и социальных сетей ограничены бутылочными горлышками состояния, затратами на Gas и проблемами задержки.