Глибина дослідження паралельних обчислень Web3: остаточний шлях нативного масштабування

Один. Вступ: Розширення – це вічне питання, паралельність – остаточне поле бою

З моменту народження біткоїна, блокчейн-системи постійно стикаються з основною проблемою розширення. Обробка транзакцій біткоїна та ефіріуму обмежена, що різко контрастує з традиційними системами Web2. Це не можна вирішити простим збільшенням апаратного забезпечення, а є наслідком системних обмежень у базовому проєктуванні блокчейну.

Протягом останніх десяти років ми стали свідками підйомів і падінь численних рішень щодо масштабування. Від битви за масштабування Bitcoin до бачення шардінгу Ethereum, від каналів стану до Rollup, від Layer 2 до модульних блокчейнів, галузь досліджувала різні шляхи масштабування. Rollup як теперішнє основне рішення, підвищує TPS, зберігаючи при цьому безпеку Ethereum. Але він не торкається справжніх меж "одноланцевої продуктивності" блокчейну на базовому рівні, особливо на рівні виконання.

Паралельні обчислення в ланцюзі поступово входять у зону уваги галузі. Вони намагаються радикально перебудувати виконавчий механізм, зберігаючи атомарність одного ланцюга, оновлюючи блокчейн з "послідовного виконання транзакцій" на "багатопотокові + конвеєрні + залежне планування" високо-конкурентну систему. Це не лише може забезпечити сотні разів підвищення пропускної здатності, але й може стати ключовою передумовою для вибуху застосувань смарт-контрактів.

Насправді, у сфері Web2 однопотокове обчислення вже застаріло. А блокчейн, як система з дуже високими вимогами до детермінованості, досі не зміг повністю використати паралельне обчислення. Нові блокчейни, такі як Solana, Sui, Aptos, на архітектурному рівні запроваджують паралельність, відкриваючи цю дослідження; а проекти, такі як Monad, MegaETH, далі просувають внутрішню паралельність до глибших突破ів, демонструючи все більшу схожість з сучасними операційними системами.

Можна сказати, що паралельні обчислення не тільки є засобом оптимізації продуктивності, але й є парадигмальним зламом моделі виконання блокчейну. Вони переосмислюють основну логіку обробки транзакцій, забезпечуючи стійку інфраструктуру для майбутніх нативних додатків Web3. Після зближення в сфері Rollup, паралельні обчислення в межах ланцюга стають вирішальним фактором нової хвилі конкуренції Layer1. Це не лише технічні змагання, але й боротьба парадигм. Наступне покоління суверенних виконавчих платформ у світі Web3, ймовірно, виникне з цієї боротьби за паралельність у межах ланцюга.

Два, Панорама розширення парадигми: п'ять типів маршрутів, кожен з яких має свої акценти

Масштабування, як одна з найважливіших тем еволюції технологій публічних блокчейнів, спричинило появу та еволюцію практично всіх основних технологічних шляхів за останнє десятиліття. Починаючи з суперечки про розмір блоку біткойна, ця технічна гонка про "як зробити так, щоб ланцюг працював швидше" врешті-решт розділилася на п'ять основних маршрутів, кожен з яких має свою технологічну філософію, складність реалізації, ризикову модель та відповідні сценарії застосування.

Перший тип — це найбільш прямий спосіб розширення ланцюга, наприклад, збільшення розміру блока, скорочення часу створення блока тощо. Цей метод легко зрозуміти та впровадити, але він може зіткнутися з ризиками централізації та іншими системними обмеженнями, тому наразі вже не є основним рішенням.

Другий тип - це розширення поза ланцюгом, представлене каналами стану та бічними ланцюгами. Цей шлях переносить більшість торгових активностей поза ланцюг, записуючи лише остаточний результат в основний ланцюг. Хоча теоретично можна безмежно розширювати пропускну здатність, проблеми з моделлю довіри до позаланцюгових угод, безпекою коштів тощо обмежують їх використання.

Третій тип - це найбільш популярний маршрут Layer2 Rollup на сьогодні. Масштабування реалізується через механізм виконання поза ланцюгом та перевірки на ланцюгу. Optimistic Rollup та ZK Rollup мають свої переваги, але також існують деякі середньострокові вузькі місця, такі як занадто велика залежність від доступності даних, високі витрати тощо.

Четвертий тип — це модульна архітектура блокчейну, що з'явилася в останні роки, така як Celestia, Avail тощо. Вона повністю декомпонує основні функції блокчейну, покладаючи на кілька спеціалізованих ланцюгів виконання різних функцій. Ця напрямок має переваги в гнучкій заміні компонентів системи, але також стикається з викликами синхронізації та верифікації між модулями.

П'ятий тип - це оптимізаційний шлях паралельних обчислень в межах ланцюга, який також є основним об'єктом аналізу в цій статті. Він підкреслює зміну архітектури виконавчого двигуна всередині однієї ланцюга, щоб реалізувати паралельну обробку атомарних транзакцій. Основна перевага цього напрямку полягає в тому, що не потрібно покладатися на багатоланцюгову архітектуру для досягнення межі пропускної здатності, при цьому забезпечуючи достатню обчислювальну еластичність для виконання складних смарт-контрактів.

Оглядаючи ці п'ять шляхів масштабування, за ними стоїть систематичний компроміс між продуктивністю, комбінованістю, безпекою та складністю розробки в блокчейні. Жоден з цих шляхів не може вирішити всі проблеми, але вони разом складають панораму оновлення обчислювальної парадигми Web3. А внутрішня паралель, можливо, стане остаточним полем бою в цій тривалій війні за масштабування.

Три. Класифікаційна карта паралельних обчислень: п’ять великих шляхів від облікового запису до команди

У процесі постійного розвитку технологій розширення блокчейну паралельні обчислення поступово стали основним шляхом для突破у продуктивності. Виходячи з моделі виконання, ми можемо скласти чітку класифікацію паралельних обчислень, яку можна умовно поділити на п'ять технічних шляхів: паралельність на рівні рахунку, паралельність на рівні об'єкта, паралельність на рівні транзакції, паралельність на рівні віртуальної машини та паралельність на рівні інструкцій. Ці п'ять шляхів від грубої до тонкої гранулярності є як постійним уточненням паралельної логіки, так і шляхом, де зростає складність системи та ускладнюється планування.

Найперше з'явився обліковий рівень паралелізму, представлений Solana. Ця модель базується на роздільному проектуванні облікового запису та стану, через статичний аналіз набору облікових записів, що беруть участь у транзакції, визначається наявність конфліктних відносин. Цей механізм підходить для обробки чітко структурованих транзакцій, але стикається з проблемою зниження паралелізму при роботі з складними смарт-контрактами.

Об'єктний рівень паралелізму подальшого уточнення, з більш детальним "об'єктом стану" в якості одиниці для паралельного планування. Aptos і Sui є важливими дослідниками в цьому напрямку. Цей підхід є більш універсальним і масштабованим порівняно з паралелізмом на рівні облікових записів, але також вводить вищий мовний бар'єр і складність розробки.

Рівень паралелізму транзакцій є напрямком, який досліджується новим поколінням високопродуктивних блокчейнів, представлених Monad, Sei, Fuel. Він розглядає транзакції як атомарні одиниці операцій, будує графи транзакцій за допомогою статичного або динамічного аналізу та покладається на планувальник для виконання паралельних потоків. Ця механіка потребує надзвичайно складних менеджерів залежностей та детекторів конфліктів, але її потенційна пропускна здатність значно перевищує пропускну здатність моделей рахунків або об'єктів.

Паралелізм на рівні віртуальної машини безпосередньо вбудовує можливості паралельного виконання в логіку планування інструкцій на основі віртуальної машини (VM). MegaETH, як "супервіртуальна машинна лабораторія" в екосистемі Ethereum, намагається через редизайн EVM підтримувати багатопотокове паралельне виконання коду смарт-контрактів. Найскладніше в цьому підході полягає в тому, що він повинен бути повністю сумісним з семантикою поведінки існуючого EVM, одночасно модифікуючи все середовище виконання та механізм Gas.

Останній клас - це паралелізм на рівні інструкцій, ідея якого походить з сучасного дизайну ЦПУ, зокрема, з динамічного виконання та конвеєризації інструкцій. Команда Fuel вже попередньо впровадила модель виконання з можливістю перетворення інструкцій у своєму FuelVM. Такий підхід може навіть підняти співпрацю між блокчейном і апаратним забезпеченням на абсолютно новий рівень, зробивши ланцюг справжнім "децентралізованим комп'ютером".

Отже, ці п'ять основних шляхів складають спектр розвитку паралельних обчислень у ланцюгах, від статичних структур даних до динамічних механізмів планування, від прогнозування доступу до стану до перетворення на рівні інструкцій; кожен крок у паралельних технологіях означає значне підвищення складності системи та бар'єрів для розробки. Вибір паралельних шляхів різними публічними ланцюгами також визначатиме верхню межу їхньої майбутньої екосистеми застосувань, а також їхню основну конкурентоспроможність у таких сценаріях, як AI агент, блокчейн-ігри, високочастотна торгівля на ланцюзі.

Чотири, глибокий аналіз двох основних напрямків: Monad проти MegaETH

У багатопутньому розвитку паралельних обчислень, на даний момент ринок зосереджений на двох основних технологічних маршрутах: "паралельний обчислювальний ланцюг, побудований з нуля на основі Monad" і "внутрішня паралельна революція EVM, представлена MegaETH". Ці два напрямки є не лише найінтенсивнішими в дослідженнях та розробках для сучасних інженерів криптографічних примітивів, але й найвизначнішими символами у змаганні за продуктивність комп'ютерів Web3. Різниця між ними полягає не лише в початкових точках та стилях технологічної архітектури, а й у різних екосистемах, для яких вони служать, витратах на міграцію, філософії виконання та абсолютно різних стратегічних шляхах на майбутнє.

Monad є радикальним "обчислювальним фундаменталістом", чия філософія дизайну не має на меті бути сумісною з існуючим EVM, а черпає натхнення з сучасних баз даних та високопродуктивних мульти-ядерних систем, щоб переосмислити основний спосіб роботи виконавчих механізмів блокчейну. Його основна технологічна система спирається на оптимістичне управління паралелізмом, DAG-розкладку транзакцій, виконання в випадковому порядку, механізми пакетної обробки тощо, з метою підвищення продуктивності обробки транзакцій до рівня мільйона TPS. У архітектурі Monad виконання та сортування транзакцій повністю декомпозовані, система спочатку будує граф залежностей транзакцій, а потім передає його планувальнику для паралельного виконання. Усі транзакції розглядаються як атомарні одиниці транзакцій, мають чітко визначені набори читання та запису та знімки стану, планувальник виконує оптимістичне виконання на основі графа залежностей і, у разі виникнення конфлікту, виконує відкат та повторне виконання.

А ще більш важливим є те, що Monad не відмовився від взаємодії з EVM. Він підтримує розробників у написанні контрактів за допомогою синтаксису Solidity через проміжний шар, подібний до "Solidity-Compatible Intermediate Language", в той час як у виконавчому двигуні відбувається оптимізація проміжної мови та паралельне планування. Ця стратегія проектування "поверхнева сумісність, глибока реконструкція" дозволяє зберегти дружність до розробників екосистеми Ethereum, одночасно максимально звільняючи потенціал базового виконання.

На відміну від позиції Monad як "будівельника нового світу", MegaETH обирає виходити з існуючого світу Ethereum, досягаючи значного підвищення ефективності виконання з дуже малими витратами на зміни. MegaETH не скасовує специфікацію EVM, а намагається інтегрувати можливості паралельних обчислень у наявний виконувальний двигун EVM, створюючи майбутню версію "мультиядерного EVM". Основний принцип полягає у повному перебудові поточної моделі виконання інструкцій EVM, щоб надати їй можливості ізоляції на рівні потоків, асинхронного виконання на рівні контрактів, виявлення конфліктів доступу до стану тощо, що дозволяє кільком смарт-контрактам виконуватись одночасно в одному блоці та врешті-решт об'єднувати зміни стану.

Основний прорив MegaETH полягає в механізмі багатопотокового планування VM. Традиційний EVM використовує стекову однопоточну модель виконання, де кожна інструкція виконується лінійно, а оновлення стану повинні відбуватися синхронно. MegaETH порушує цю модель, впроваджуючи асинхронний виклик стеку та механізм ізоляції контексту виконання, що дозволяє реалізувати одночасне виконання "конкурентних EVM контекстів". Кожен контракт може викликати свою логіку в незалежному потоці, а всі потоки при остаточній подачі стану об'єднуються через паралельний синхронний рівень для єдиного виявлення конфліктів і зближення стану.

У певному сенсі, Monad і MegaETH - це два варіанти реалізації паралельних технологічних шляхів, які є класичним протистоянням між "реформаторами" та "сумісниками" в розвитку блокчейну: перші прагнуть до парадигмального прориву, відновлюючи всю логіку від віртуальної машини до управління базовим станом, щоб досягти екстремальної продуктивності та гнучкості архітектури; другі прагнуть до поступової оптимізації, на основі поваги до існуючих екологічних обмежень, виводячи традиційні системи на межу, таким чином максимально знижуючи витрати на міграцію. Обидва підходи не мають абсолютних переваг, а служать різним групам розробників та екологічним баченням.

5 Майбутні можливості та виклики паралельних обчислень

З переходом паралельних обчислень з паперового проектування до реалізації на ланцюзі, їх потенціал стає все більш конкретним і вимірюваним. З одного боку, ми бачимо, як нові парадигми розробки та бізнес-моделі починають переосмислюватися навколо "високої продуктивності на ланцюзі": складніша логіка ігор на ланцюзі, реальніший життєвий цикл AI-агентів, більш оперативні протоколи обміну даними, більш занурювальний досвід взаємодії, а також кооперативна операційна система Super App на ланцюзі, яка переходить від "чи можливо це зробити" до "наскільки добре це зроблено". З іншого боку, справжнім рушієм переходу паралельних обчислень є не лише лінійне поліпшення системної продуктивності, але й структурна зміна кордонів розуміння розробників і витрат на екологічну міграцію.

По-перше, з точки зору можливостей, найбільш безпосередня вигода полягає в "знятті стелі застосування". Наразі більшість DeFi, ігор та соціальних додатків обмежені вузькими місцями в стані, витратами на Gas та затримками.