Rapport de recherche approfondi sur le calcul parallèle Web3 : le chemin ultime pour l'extensibilité native

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

Depuis sa création, les systèmes de blockchain sont confrontés à la problématique centrale de l'évolutivité. Les goulets d'étranglement de la performance de Bitcoin et d'Ethereum sont difficiles à surmonter par rapport à la capacité de traitement du monde Web2 traditionnel. Ce n'est pas une simple question d'ajouter des serveurs, mais plutôt le résultat de limitations systémiques dans la conception sous-jacente de la blockchain - le triangle impossible où "décentralisation, sécurité, et évolutivité" ne peuvent pas être atteints simultanément.

Au cours des dix dernières années, nous avons été témoins de nombreuses tentatives d'extensibilité, de la guerre d'extensibilité du Bitcoin aux shards d'Ethereum, des canaux d'état aux Rollups et aux blockchains modulaires. Les Rollups, en tant que paradigme d'extensibilité le plus largement accepté actuellement, ont atteint l'objectif d'augmenter considérablement le TPS tout en allégeant la charge de la chaîne principale. Cependant, ils n'ont pas atteint la véritable limite de "performance à chaîne unique" sous-jacente à la blockchain, en particulier au niveau d'exécution, étant toujours limités par le vieux paradigme de calcul séquentiel en chaîne.

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

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 paradigme du modèle d'exécution de la blockchain. Il remet en question le mode fondamental d'exécution des contrats intelligents, redéfinissant la logique de base de l'emballage des transactions, de l'accès aux états, des relations d'appel et de la disposition de stockage. Si l'on dit que le Rollup est "de déplacer les transactions hors de la chaîne pour exécution", alors le calcul parallèle sur la chaîne consiste à "construire un noyau de supercalculateur sur la chaîne", dont l'objectif est de fournir un véritable soutien d'infrastructure durable pour les applications natives Web3 de demain.

Après que la piste Rollup soit devenue homogène, le parallélisme intra-chaîne devient silencieusement un variable décisif dans la compétition Layer1 du nouveau cycle. La performance n'est plus seulement "plus rapide", mais c'est la possibilité de soutenir tout un monde d'applications hétérogènes. Ce n'est pas seulement une course technologique, mais aussi une lutte pour les paradigmes. La prochaine génération de plateformes d'exécution souveraines du monde Web3 pourrait bien émerger de ce combat de parallélisme intra-chaîne.

Schéma panoramique des paradigmes d'extension : cinq types de routes, chacun ayant ses propres points forts

L'extensibilité, en tant que l'un des sujets les plus importants, les plus durables et les plus difficiles à traiter dans l'évolution de la technologie des chaînes publiques, a donné naissance à presque tous les chemins technologiques principaux au cours de la dernière décennie. Depuis le début de la bataille sur la taille des blocs de Bitcoin, cette course technologique autour de "comment faire fonctionner la chaîne plus rapidement" a finalement abouti à cinq grandes lignes de base, chacune abordant le goulet d'étranglement sous un angle différent, avec sa propre philosophie technique, sa difficulté de mise en œuvre, son modèle de risque et ses scénarios d'application.

La première catégorie de solutions est l'extension on-chain la plus directe, avec des pratiques telles que l'augmentation de la taille des blocs, la réduction du temps de production des blocs, ou l'amélioration de la capacité de traitement par l'optimisation de la structure des données et des mécanismes de consensus. Cette approche a été au centre des débats sur l'extension de Bitcoin, donnant naissance à des forks comme BCH et BSV, qui prônent les "grands blocs", et a également influencé la conception de chaînes publiques à haute performance telles qu'EOS et NEO. Les avantages de cette approche sont qu'elle conserve la simplicité de la cohérence d'une seule chaîne, ce qui la rend facile à comprendre et à déployer, mais elle est également très susceptible d'atteindre des limites systémiques telles que les risques de centralisation, l'augmentation des coûts d'exploitation des nœuds et la difficulté de synchronisation. Par conséquent, dans les conceptions actuelles, elle n'est plus la solution centrale dominante, mais devient plutôt un complément aux autres mécanismes.

La deuxième catégorie de routes est l'extension hors chaîne, représentée par les canaux d'état et les chaînes latérales. L'idée de base de ce type de chemin est de transférer la majorité des activités de transaction hors chaîne, n'écrivant que le résultat final sur la chaîne principale, qui sert de couche de règlement final. Sur le plan de la philosophie technique, cela se rapproche de la pensée de l'architecture asynchrone de Web2 - essayez de laisser le traitement des transactions lourd à l'extérieur, avec la chaîne principale effectuant la validation minimale de confiance. Bien que cette idée puisse théoriquement étendre indéfiniment le débit, des problèmes tels que le modèle de confiance des transactions hors chaîne, la sécurité des fonds et la complexité des interactions limitent son application. Un exemple typique est le Lightning Network, qui a une localisation de scénario financier claire, mais dont l'écosystème n'a jamais explosé; tandis que plusieurs conceptions basées sur des chaînes latérales, comme le POS d'une plateforme de transaction, exposent également les inconvénients de la difficulté à hériter de la sécurité de la chaîne principale tout en ayant un débit élevé.

La troisième catégorie de routes est celle des Layer2 Rollup, actuellement la plus populaire et la plus largement déployée. Cette méthode ne modifie pas directement la chaîne principale, mais réalise l'évolutivité par un mécanisme d'exécution hors chaîne et de vérification sur chaîne. Les Optimistic Rollup et ZK Rollup ont chacun leurs avantages : le premier est rapide et très compatible, mais présente des problèmes de délai de période de défi et de mécanisme de preuve de fraude ; le second est très sécurisé, avec une bonne capacité de compression des données, mais est complexe à développer et manque de compatibilité EVM. Quelle que soit la catégorie de Rollup, son essence est de sous-traiter le droit d'exécution tout en conservant les données et la vérification sur la chaîne principale, réalisant un équilibre relatif entre décentralisation et haute performance. La croissance rapide de certains projets Layer2 prouve la faisabilité de cette voie, mais expose également des goulets d'étranglement à moyen terme tels qu'une dépendance trop forte à la disponibilité des données (DA), des frais encore élevés et une expérience de développement fragmentée.

La quatrième catégorie de route est l'architecture de blockchain modulaire qui a émergé ces dernières années, représentée par des projets tels que Celestia, Avail, EigenLayer, etc. Le paradigme modulaire soutient que les fonctions clés de la blockchain - exécution, consensus, disponibilité des données, règlement - sont complètement découplées, avec plusieurs chaînes spécialisées accomplissant différentes fonctions, et ensuite combinées en un réseau extensible via des protocoles inter-chaînes. Cette direction est fortement influencée par l'architecture modulaire des systèmes d'exploitation et la notion de composabilité dans le cloud computing, dont l'avantage réside dans la possibilité de remplacer de manière flexible les composants du système et d'améliorer considérablement l'efficacité dans des étapes spécifiques ( telles que DA). Cependant, les défis sont également très évidents : après le découplage modulaire, le coût de synchronisation, de vérification et de confiance mutuelle entre les systèmes est extrêmement élevé, l'écosystème des développeurs est extrêmement dispersé, et les exigences concernant les normes de protocoles à moyen et long terme et la sécurité inter-chaînes sont beaucoup plus élevées que dans la conception des chaînes traditionnelles. Ce modèle ne construit essentiellement plus une "chaîne", mais un "réseau de chaînes", ce qui pose un seuil sans précédent pour la compréhension et l'exploitation de l'architecture globale.

La dernière catégorie de parcours, qui est également l'objet d'analyse principale dans cet article, est le chemin d'optimisation des calculs parallèles au sein de la chaîne. Contrairement aux quatre premières catégories, qui se concentrent principalement sur une "décomposition horizontale" au niveau structurel, le calcul parallèle met l'accent sur "l'élévation verticale", c'est-à-dire le traitement concurrent des transactions atomiques en modifiant l'architecture du moteur d'exécution au sein d'une seule chaîne. Cela nécessite de réécrire la logique de planification de la VM, d'introduire une analyse des dépendances de transaction, une prévision des conflits d'état, un contrôle du degré de parallélisme, des appels asynchrones, et toute une série de mécanismes de planification modernes des systèmes informatiques. Une chaîne publique à haute performance a été l'un des premiers projets à concrétiser le concept de VM parallèle au niveau du système de chaîne, permettant une exécution parallèle multi-cœur grâce à un jugement des conflits de transactions basé sur un modèle de compte. De nouveaux projets de génération tels que Monad, Sei, Fuel, MegaETH, etc., tentent d'aller encore plus loin en introduisant des idées de pointe telles que l'exécution en pipeline, la concurrence optimiste, le partitionnement du stockage, et le découplage parallèle, pour construire un noyau d'exécution performant semblable à un CPU moderne. L'avantage clé de cette direction réside dans le fait qu'elle permet de réaliser des percées dans 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, ce qui constitue un prérequis technologique important pour les scénarios d'application futurs tels que les agents AI, les jeux blockchain de grande envergure, et les produits dérivés à haute fréquence.

En examinant les cinq types de chemins d'extensibilité mentionnés ci-dessus, la véritable distinction qui se cache derrière est en réalité le compromis systémique entre la performance, la combinabilité, la sécurité et la complexité de développement dans la blockchain. Les Rollups excellent dans l'externalisation du consensus et l'héritage de la sécurité, la modularité met en avant la flexibilité structurelle et la réutilisation des composants, l'extensibilité hors chaîne tente de surmonter les goulets d'étranglement de la chaîne principale mais le coût de confiance est élevé, tandis que la parallélisation intra-chaîne se concentre sur la mise à niveau fondamentale de la couche d'exécution, cherchant à atteindre les limites de performance des systèmes distribués modernes sans compromettre la cohérence interne de la chaîne. Chaque chemin ne peut pas résoudre tous les problèmes, mais c'est précisément dans ces directions que se dessine le panorama de la mise à niveau du paradigme de calcul Web3, offrant ainsi aux développeurs, architectes et investisseurs des options stratégiques extrêmement riches.

Tout comme les systèmes d'exploitation sont passés de mono-core à multi-core, et que les bases de données ont évolué des index séquentiels aux transactions concurrentes, la voie d'expansion de Web3 finira également par aboutir à une ère d'exécution hautement parallèle. Dans cette ère, la performance n'est plus seulement une course à la vitesse des chaînes, mais une expression intégrée de la philosophie de conception sous-jacente, de la profondeur de compréhension de l'architecture, de la collaboration entre le matériel et le logiciel, ainsi que du contrôle systémique. Et la parallélisation au sein de la chaîne pourrait bien être le champ de bataille ultime de cette guerre de longue durée.

Cartographie des classifications de calcul parallèle : les cinq grands chemins allant des comptes aux instructions

Dans le contexte de l'évolution continue des technologies d'extension de la blockchain, le calcul parallèle est progressivement devenu le chemin central vers des percées en matière de performance. Contrairement à la décorrélation horizontale des couches structurelles, des couches réseau ou des couches de disponibilité des données, le calcul parallèle est une exploration en profondeur de la couche d'exécution. Il concerne la logique de base de l'efficacité opérationnelle de la blockchain, déterminant la vitesse de réaction et la capacité de traitement d'un système blockchain face à des transactions complexes de haute concurrence et de types variés. En partant du modèle d'exécution et en revisitant l'évolution de cette lignée technologique, nous pouvons dresser une carte des classifications du calcul parallèle, qui peut être divisée en cinq voies techniques : 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 chemins, allant de la granularité grossière à la granularité fine, représentent à la fois un processus de raffinement continu de la logique parallèle et une montée constante de la complexité du système et de la difficulté de planification.

Le premier niveau de parallélisme au niveau des comptes est un paradigme représenté par une blockchain publique de haute performance. Ce modèle est basé sur une conception de découplage des comptes et des états, et utilise une analyse statique des ensembles de comptes impliqués dans les transactions pour déterminer s'il existe des relations de conflit. Si les ensembles de comptes accédés par deux transactions ne se chevauchent pas, elles peuvent être exécutées en parallèle sur plusieurs cœurs. Ce mécanisme est particulièrement adapté pour traiter des transactions avec une structure claire et des entrées/sorties définies, en particulier pour des programmes à chemin prévisible comme DeFi. Cependant, son hypothèse fondamentale est que l'accès aux comptes est prévisible et que les dépendances d'état peuvent être inférées statiquement, ce qui entraîne des problèmes de performance en cas de comportements dynamiques complexes, comme dans des contrats intelligents (, tels que les jeux blockchain ou les agents AI. De plus, les dépendances croisées entre les comptes réduisent considérablement les gains en parallélisme dans certains scénarios de trading à haute fréquence. Le runtime de cette blockchain publique de haute performance a déjà réalisé une optimisation élevée dans ce domaine, mais sa stratégie de planification centrale reste limitée par le niveau de granularité des comptes.

En se basant sur le modèle de compte, nous affinons davantage la couche technique en parallèle au niveau des objets. Le parallélisme au niveau des objets introduit une abstraction sémantique des ressources et des modules, permettant un ordonnancement concurrent basé sur des "objets d'état" de granularity plus fine. Certains projets de nouvelle génération Layer1 sont des explorateurs importants dans cette direction, notamment grâce au système de types linéaires du langage Move, qui définit à la compilation la propriété et la mutabilité des ressources, permettant ainsi un contrôle précis des conflits d'accès aux ressources à l'exécution. Cette approche est plus universelle et extensible par rapport au parallélisme au niveau des comptes, car elle peut couvrir des logiques de lecture et d'écriture d'état plus complexes, et sert naturellement des scénarios à haute hétérogénéité tels que les jeux, les réseaux sociaux, l'IA, etc. Cependant, le parallélisme au niveau des objets introduit également des exigences linguistiques plus élevées et une complexité de développement accrue. Move n'est pas un remplacement direct de Solidity, et le coût de la transition écologique est élevé, limitant la vitesse de diffusion de son paradigme parallèle.

La parallélisation au niveau des transactions, est une direction explorée par une nouvelle génération de chaînes haute performance représentée par Monad, Sei, et Fuel. Ce chemin ne considère plus l'état ou les comptes comme les plus petites unités de parallélisation, mais construit plutôt un graphe de dépendance autour de l'ensemble de la transaction elle-même. Il considère la transaction comme une unité d'opération atomique, construisant le graphe de transaction )Transaction DAG( par analyse statique ou dynamique, et s'appuie sur un planificateur pour une exécution en pipeline concurrente. Ce design permet au système de maximiser l'exploitation de la parallélisation sans avoir besoin de comprendre complètement la structure d'état sous-jacente. Monad est particulièrement remarquable, car il combine le contrôle de concurrence optimiste )OCC(, la planification de pipeline parallèle, l'exécution désordonnée et d'autres technologies modernes des moteurs de base de données, rendant l'exécution de la chaîne plus proche du paradigme "planificateur GPU". Dans la pratique, ce mécanisme nécessite des gestionnaires de dépendance et des détecteurs de conflit extrêmement complexes, le planificateur lui-même pouvant également devenir un goulot d'étranglement, mais sa capacité de traitement potentiel est bien supérieure à celle des comptes ou des modèles d'objets, devenant une force avec le plafond théorique le plus élevé dans la course actuelle du calcul parallèle.

Et 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, cherchant à briser complètement les limitations inhérentes à l'exécution séquentielle de l'EVM. MegaETH, en tant qu'"expérience de super machine virtuelle" au sein de l'écosystème Ethereum,