Глибоке дослідження паралельних обчислень Web3: Ультимативний шлях нативного масштабування

Один, вступ: Розширення є вічним питанням, паралельність є остаточною ареною

Блокчейн-системи з моменту свого виникнення стикаються з основною проблемою розширення. Обробна спроможність транзакцій Біткойна та Ефіру значно нижча за традиційні системи Web2, що є наслідком суперечності між "децентралізацією, безпекою та масштабованістю" в основному дизайні блокчейну.

Протягом останніх десяти років індустрія випробувала різні шляхи розширення, від суперечок про розширення Bitcoin до шардінгу Ethereum, від каналів стану до Rollup, від Layer 2 до модульних блокчейнів. Rollup став нинішнім основним рішенням, але він не торкнувся справжнього максимуму "одноланкової продуктивності" на базовому рівні блокчейну.

Паралельні обчислення в ланцюзі поступово стають новим об'єктом дослідження. Вони намагаються повністю реконструювати виконавчий двигун, зберігаючи атомарність одиночного ланцюга, оновлюючи блокчейн з "однопоточного режиму" до висококонкурентної системи "багатопотокового + конвеєрного + залежного розкладу". Це не лише може призвести до збільшення пропускної спроможності в сотні разів, але й може стати ключовою основою для вибуху застосувань смарт-контрактів.

Паралельні обчислення ставлять під сумнів основну модель виконання смарт-контрактів, переосмислюючи базову логіку упакування транзакцій, доступу до стану, відносин виклику та розташування сховища. Їхня мета полягає в забезпеченні справжньої стійкої інфраструктури для майбутніх нативних додатків Web3.

Після того як конкуренція в сегменті Rollup стала однорідною, паралельність на ланцюзі стає вирішальним фактором у новому раунді конкуренції Layer1. Це не лише технологічні змагання, а й боротьба парадигм. Наступне покоління платформ суверенного виконання в світі Web3, найімовірніше, виникне з цієї боротьби паралельності на ланцюзі.

Два, панорама парадигм розширення: п'ять типів маршрутів, кожен з яких має свої акценти

Розширення є однією з найважливіших, найтриваліших та найскладніших тем у розвитку технологій публічних блокчейнів, що спричинило появу та еволюцію майже всіх основних технологічних шляхів за останнє десятиліття. В даний час виділяються п'ять основних маршрутів, кожен з яких підходить до вузького місця з різних куточків, має свою власну технологічну філософію, складність реалізації, модель ризику та сфери застосування.

Перший тип маршруту - це найбільш прямий спосіб розширення мережі на базі блокчейну, до якого належать такі дії, як збільшення розміру блоку, скорочення часу створення блоку, або підвищення обробної здатності шляхом оптимізації структури даних і механізму консенсусу. Цей підхід зберігає простоту одноланкової узгодженості, що робить його легким для розуміння та впровадження, але також легко призводить до ризиків централізації, зростання витрат на вузли та інших системних обмежень.

Другий тип маршруту — це масштабування поза ланцюгом, представлене каналами стану та бічними ланцюгами. Ці шляхи переміщують більшість торговельних активностей поза ланцюгом, записуючи лише кінцевий результат в основний ланцюг. Хоча теоретично можливо безмежно розширювати пропускну спроможність, але модель довіри до поза ланцюгових транзакцій, безпека коштів, складність взаємодії та інші проблеми обмежують їх застосування.

Третій тип маршруту є найбільш широко впровадженою Layer2 Rollup на даний момент. Він реалізує масштабування за допомогою механізму виконання поза ланцюгом та верифікації в ланцюзі. Optimistic Rollup та ZK Rollup мають свої переваги, але обидва стикаються з певними середньостроковими обмеженнями, такими як занадто велика залежність від доступності даних, високі витрати тощо.

Четвертий тип маршруту – це модульна архітектура блокчейну, що представляє такі проекти, як Celestia, Avail, EigenLayer тощо. Вона пропагує повне розділення основних функцій блокчейну, які виконуються кількома спеціалізованими ланцюгами. Цей підхід має високу гнучкість, але висуває дуже високі вимоги до безпеки міжланцюгових зв'язків і стандартів протоколів.

П'ята категорія маршрутів — це оптимізаційний шлях паралельних обчислень всередині ланцюга. Вона підкреслює обробку атомарних транзакцій паралельно шляхом зміни архітектури виконавчого механізму в межах одного ланцюга. Це вимагає переписати логіку планування VM, запровадивши цілий набір сучасних механізмів планування комп'ютерних систем. Її перевага полягає в тому, що не потрібно покладатися на багатоланцюгову архітектуру для досягнення прориву в межах пропускної спроможності.

Ці п’ять категорій шляхів розширення відображають системні компроміси між продуктивністю, компоновністю, безпекою та складністю розробки в блокчейні. Жоден з шляхів не може вирішити всі проблеми, але вони разом формують панораму оновлення обчислювальної парадигми Web3.

Три. Класифікаційна картограма паралельних обчислень: п'ять основних шляхів від облікового запису до команди

Технології паралельних обчислень можна розділити на п’ять основних шляхів: паралелізм на рівні облікових записів, паралелізм на рівні об’єктів, паралелізм на рівні транзакцій, паралелізм на рівні віртуальних машин та паралелізм на рівні інструкцій. Ці п’ять типів шляхів від грубого до тонкого рівня, є не тільки процесом постійного уточнення паралельної логіки, але й шляхом, де зростають складність системи та труднощі планування.

Паралелізм на рівні рахунку, представлений Solana, визначає конфліктні відносини через статичний аналіз набору рахунків, залучених у транзакції. Підходить для обробки чітко структурованих транзакцій, але стикається з проблемою зниження паралелізму при роботі зі складними смарт-контрактами.

Об'єктний рівень паралелізму вводить семантичну абстракцію ресурсів і модулів, плануючи на одиницях "об'єктів стану" з більшою точністю. Aptos і Sui є представниками цього напрямку, особливо Sui, який реалізує точний контроль через лінійну типову систему мови Move. Цей підхід є більш універсальним, але також вводить вищий мовний бар'єр.

Паралелізм на рівні транзакцій представлений Monad, Sei, Fuel, побудований навколо залежностей самої транзакції та її планування. Такий дизайн дозволяє системі максимізувати використання паралелізму, не потребуючи повного розуміння структури підлягаючого стану, але вимагає надзвичайно складного менеджера залежностей та детектора конфліктів.

Паралелізм на рівні віртуальної машини безпосередньо вбудовує можливості паралельного виконання у логіку планування інструкцій на рівні ВМ. MegaETH, як "супервіртуальна машина експеримент" у внутрішньому екосистемі Ethereum, намагається підтримувати багатопотокове паралельне виконання шляхом повторного проектування EVM. Найскладнішою частиною цього підходу є необхідність повної сумісності з існуючою семантикою поведінки EVM.

Інструкційний рівень паралелізму походить з сучасного дизайну ЦПУ, де використовується спотворене виконання та конвеєризація інструкцій. Команда Fuel попередньо впровадила модель виконання з перерозподілом інструкцій у своєму FuelVM. Цей підхід може підняти співпрацю блокчейну з апаратним забезпеченням на новий рівень, але наразі він все ще перебуває на теоретичній та експериментальній стадії.

Ці п'ять шляхів формують спектр розвитку паралельних обчислень у ланцюзі, що позначає перехід моделі обчислень блокчейну від традиційної повної послідовності консенсусної книги до високопродуктивного, передбачуваного, планованого розподіленого виконуваного середовища. Вибір паралельних шляхів різних публічних блокчейнів визначить межі їхньої майбутньої екології застосувань.

Чотири, Глибина двох основних напрямків: Monad проти MegaETH

Поточний ринок зосереджений на двох основних технологічних маршрутах: "паралельний обчислювальний ланцюг, побудований з нуля на прикладі Monad" та "революція внутрішньої паралельності EVM на прикладі MegaETH". Вони представляють собою конкуренцію між "реконструктивізмом" та "компатибілізмом" в паралельній парадигмі.

Філософія дизайну Monad черпає натхнення з сучасних баз даних та високопродуктивних багатоядерних систем, переосмислюючи основний спосіб роботи виконавчого двигуна блокчейну. Його основна технологічна система спирається на механізми оптимістичного керування конкурентністю, DAG-розкладку транзакцій, виконання в невпорядкованому порядку, обробку пакетів тощо, з метою підвищення продуктивності обробки транзакцій ланцюга до мільйона TPS. Monad підтримує синтаксис Solidity через проміжний мовний шар, реалізуючи стратегію дизайну "поверхнева сумісність, глибока реконструкція".

MegaETH обирає виходити з існуючого світу Ethereum, досягаючи значного підвищення ефективності виконання за дуже малими витратами на зміни. Він не скасовує специфікацію EVM, а вбудовує можливість паралельних обчислень у існуючий виконуючий двигун EVM. MegaETH вводить асинхронний стек викликів та механізм ізоляції контексту виконання, що дозволяє одночасно виконувати "конкурентні контексти EVM". Такий дизайн також є надзвичайно дружнім до будівельників блоків і шукачів, що дозволяє оптимізувати сортування Mempool і шляхи захоплення MEV.

Monad більше підходить для побудови абсолютно нових систем з нуля, для досягнення максимального пропускного здатності в іграх на блокчейні, AI агентів та модульних виконуваних ланцюгах; MegaETH ж більше підходить для проектів L2, DeFi проектів та інфраструктурних протоколів, які прагнуть досягти підвищення продуктивності шляхом мінімальних змін у розробці. Обидва в кінцевому підсумку можуть утворити взаємодоповнюючі елементи в модульній архітектурі блокчейн, спільно створюючи високопродуктивний розподілений виконувальний двигун для майбутнього світу Web3.

П'ять. Майбутні можливості та виклики паралельних обчислень

Паралельні обчислення приносять величезні можливості для Web3. По-перше, це "зняття стелі застосунків", що робить можливими високочастотні інтерактивні застосунки, такі як ігри на блокчейні та AI Agent. По-друге, інструментальні ланцюги для розробників і абстрактний рівень віртуальної машини будуть перетворені завдяки паралелізації, що сприятиме появі нового покоління інфраструктури. Тим часом еволюція модульних блокчейнів забезпечує відмінний шлях для впровадження паралельних обчислень.

Однак, паралельні обчислення також стикаються з численними викликами. Найголовнішою технічною проблемою є "гарантія узгодженості стану при паралельному виконанні" та "стратегії обробки конфліктів транзакцій". Паралельне виконання на ланцюгу повинно мати надзвичайно потужні можливості для побудови графів залежностей та прогнозування конфліктів, а також необхідно розробити ефективні механізми відмовостійкості. Крім того, модель безпеки для середовища виконання з багатьма потоками ще не повністю встановлена.

Більш приховані виклики походять з екологічного та психологічного рівня. Чи готові розробники перейти на нову парадигму, чи можуть вони оволодіти методами проектування паралельних моделей, чи готові вони заради продуктивності пожертвувати частиною читабельності – ці м'які питання визначать, чи зможе паралельне обчислення сформувати екологічний потенціал.

Майбутнє паралельних обчислень - це не лише перемога системної інженерії, а й випробування екологічного дизайну. Це спонукатиме нас переосмислити сутність ланцюга і, можливо, стане переломним моментом у загальному обчислювальному парадигмі Web3. Справжня реалізація цього стрибка в паралельних обчисленнях стане найосновнішою та найефективнішою інфраструктурною примітивною в новому циклі.

Шість, висновок: Чи є паралельні обчислення найкращим шляхом для рідної масштабованості Web3?

Хоча паралельні обчислення не є найпростішим шляхом для масштабування, це може бути найближчим до сутності блокчейну. Воно намагається зберегти атомарність і детермінованість ланцюга, безпосередньо вирішуючи корінь продуктивності через рівень транзакцій, рівень контрактів та рівень віртуальної машини. Цей спосіб масштабування, "природжений у ланцюгу", не лише зберігає найосновнішу довірчу модель блокчейну, але й залишає місце для стійкої продуктивності в майбутніх більш складних децентралізованих додатках.

Якщо модульна реконструкція є "архітектурою ланцюга", то паралельні обчислення реконструюють "душу ланцюга". Це, можливо, не є коротким шляхом до проходження, але, ймовірно, є єдиним стійким правильним шляхом у тривалій еволюції Web3. Ми стаємо свідками переходу, подібного до переходу від однопроцесорного ЦП до багатоядерної/потокової ОС, а вигляд нативної операційної системи Web3, можливо, прихований у цих паралельних експериментах в рамках ланцюга.