Web3並行計算の競技場全景図：ネイティブスケーリングの最適なソリューションは？

一、背景：ブロックチェーンのスケーリングという永遠のテーマ

ブロックチェーンの「不可能な三角形」（Blockchain Trilemma）「セキュリティ」、「非中央集権」、「スケーラビリティ」は、ブロックチェーンシステム設計における本質的なトレードオフを示しており、ブロックチェーンプロジェクトは「極限のセキュリティ、誰もが参加できる、高速処理」を同時に実現することが難しいことを示しています。「スケーラビリティ」という永遠のテーマに対して、現在市場に存在する主流のブロックチェーン拡張ソリューションは、パラダイムに応じて分類されます。

• 強化型スケーリングの実行：実行能力を向上させる、例えば並列処理、GPU、マルチコア
• ステートアイソレーション型スケーリング：水平分割ステート / シャード、例えばシャーディング、UTXO、マルチサブネット
• オフチェーンアウトソーシング型スケーリング：実行をチェーン外に置く、例えば Rollup、Coprocessor、DA
• 構造デカップリング型拡張：アーキテクチャのモジュラー化、協調運用、例えばモジュールチェーン、共有ソート、Rollup Mesh
• 非同期並列型拡張：アクターモデル、プロセス隔離、メッセージ駆動、例えばエージェント、マルチスレッド非同期チェーン

ブロックチェーンのスケーリングソリューションには、チェーン内並列計算、Rollup、シャーディング、DA モジュール、モジュラー構造、アクターシステム、zk 証明圧縮、Stateless アーキテクチャなどが含まれ、実行、状態、データ、構造の複数のレイヤーをカバーしており、"多層協調、モジュール結合"の完全なスケーリングシステムです。本稿では、並列計算を主流としたスケーリング方法について重点的に紹介します。

チェーン内並列計算 (intra-chain parallelism)は、ブロック内部の取引 / 命令の並列実行に焦点を当てています。並列メカニズムによって分類すると、その拡張方法は5つの大きなカテゴリに分かれ、それぞれが異なる性能追求、開発モデル、アーキテクチャ哲学を表しています。並列粒度は次第に細かくなり、並列強度はますます高くなり、スケジューリングの複雑さも増し、プログラミングの複雑性と実装の難易度も高くなります。

• アカウントレベルの並行性（Account-level）：プロジェクト Solana を表します
• オブジェクトレベルの並行性（Object-level）：プロジェクトSuiを表します *トランザクションレベル:プロジェクトMonad、Aptosを表します
• 呼び出しレベル / マイクロVM並行（Call-level / MicroVM）: プロジェクトMegaETHを代表する *指導レベル:プロジェクトGatlingXを表します

チェーン外非同期並行モデルは、Actorエージェントシステム（エージェント/アクターモデル）を代表とし、別の並列計算のパラダイムに属します。これはクロスチェーン/非同期メッセージシステム（ブロック同期モデルではない）として、各エージェントが独立して動作する「エージェントプロセス」として機能し、非同期メッセージ、イベント駆動、同期スケジューリングを必要としない並行方式を持ちます。代表的なプロジェクトにはAO、ICP、Cartesiなどがあります。

私たちがよく知っているRollupやシャーディングのスケーリングソリューションは、システムレベルの並行メカニズムに属し、チェーン内の並行計算には属しません。それらは「複数のチェーン/実行領域を並行して実行する」ことでスケーリングを実現し、単一のブロック/仮想マシン内部の並行性を向上させるのではありません。この種のスケーリングソリューションはこの記事の主な焦点ではありませんが、私たちはそれをアーキテクチャの理念の異同を比較するために使用します。

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次に、EVM は並列拡張チェーンであり、互換性の性能境界を突破します

イーサリアムの直列処理アーキテクチャは、これまでにシャーディング、ロールアップ、モジュラーアーキテクチャなどの多くのスケーリング試行を経てきましたが、実行層のスループットボトルネックは依然として根本的な突破を果たしていません。しかし同時に、EVMとSolidityは現在最も開発者基盤とエコシステムのポテンシャルを持つスマートコントラクトプラットフォームです。したがって、EVM系の並列強化チェーンはエコシステムの互換性と実行性能の向上を兼ね備える重要な道筋として、新たなスケーリングの進展の重要な方向性となりつつあります。MonadとMegaETHは、この方向性において最も代表的なプロジェクトであり、遅延実行と状態分解から出発し、高い同時実行性と高スループットのシナリオに向けたEVM並列処理アーキテクチャを構築しています。

Monadの並列計算メカニズム解析

Monadは、イーサリアム仮想マシン（EVM）向けに再設計された高性能Layer1ブロックチェーンであり、パイプライン処理（Pipelining）という基本的な並列理念に基づいて、合意層での非同期実行（Asynchronous Execution）と、実行層での楽観的並行実行（Optimistic Parallel Execution）を実現しています。さらに、合意層とストレージ層において、Monadはそれぞれ高性能BFTプロトコル（MonadBFT）と専用データベースシステム（MonadDB）を導入し、エンドツーエンドの最適化を実現しています。

パイプライン：マルチステージパイプライン並列実行メカニズム

パイプライン処理はモナドの並行実行の基本的な概念であり、その核心思想はブロックチェーンの実行プロセスを複数の独立した段階に分割し、これらの段階を並行処理することで立体的なパイプラインアーキテクチャを形成し、各段階が独立したスレッドまたはコアで実行され、ブロックを超えた同時処理を実現し、最終的にスループットを向上させ、遅延を低減する効果を達成することです。これらの段階には、取引提案（Propose）、合意形成（Consensus）、取引実行（Execution）、およびブロック提出（Commit）が含まれます。

非同期実行：コンセンサス - 実行の非同期デカップリング

従来のブロックチェーンでは、取引のコンセンサスと実行は通常同期プロセスであり、この直列モデルはパフォーマンスの拡張を著しく制限します。Monadは「非同期実行」により、コンセンサス層の非同期、実行層の非同期、ストレージの非同期を実現しました。ブロック時間（block time）と確認遅延を著しく削減し、システムをより弾力的にし、処理プロセスをより細分化し、リソースの利用率を高めます。

コアデザイン：

• コンセンサスプロセス（コンセンサス層）は取引の順序付けのみを担当し、契約のロジックは実行しません。
• 実行プロセス（実行層）は、コンセンサスが完了した後に非同期でトリガーされます。
• コンセンサスが完了すると、次のブロックのコンセンサスプロセスに即座に入ります。実行の完了を待つ必要はありません。

Optimistic Parallel Execution: オプティミスティック並列実行

従来のイーサリアムは、状態の競合を避けるために厳密な直列モデルを使用して取引を実行します。一方、Monadは「楽観的並列実行」戦略を採用し、取引処理速度を大幅に向上させます。

実行メカニズム：

• Monadは、ほとんどの取引間に状態の競合がないと仮定して、すべての取引を楽観的に並行して実行します。
• 同時に"コンフリクトディテクター（Conflict Detector)）"を実行して、トランザクション間で同じ状態にアクセスしているか（読み取り/書き込みの衝突など）を監視します。
• もし衝突が検出された場合、衝突した取引は直列化されて再実行され、状態の正確性が確保されます。

Monadは互換性のあるパスを選択しました：EVMルールをできるだけ変更せず、実行中に状態の書き込みを遅延させ、動的に競合を検出することで並行性を実現し、パフォーマンス版イーサリアムに近いです。成熟度が高く、EVMエコシステムの移行が容易で、EVMの世界の並行加速器です。

MegaETHの並列計算メカニズムの解析

Monadとは異なるL1の位置付けとして、MegaETHはEVM互換のモジュラー型高性能並行実行層として位置付けられており、独立したL1パブリックチェーンとしても、Ethereum上の実行強化層（Execution Layer）またはモジュラーコンポーネントとしても機能します。そのコア設計目標は、アカウントロジック、実行環境、状態を分離して解構し、独立してスケジュール可能な最小単位にすることで、チェーン内での高並列実行と低遅延応答能力を実現することです。MegaETHが提案する重要な革新は、Micro-VMアーキテクチャ + State Dependency DAG（有向非循環状態依存グラフ）およびモジュラー同期メカニズムであり、これらが「チェーン内スレッド化」を目指した並行実行システムを共に構築します。

Micro-VM（マイクロ仮想マシン）アーキテクチャ：アカウントはスレッドです

MegaETHは「各アカウントに1つのミニ仮想マシン（Micro-VM）」の実行モデルを導入し、実行環境を「スレッド化」し、並列スケジューリングのための最小隔離単位を提供します。これらのVMは、非同期メッセージ通信（Asynchronous Messaging）を通じて、同期呼び出しではなく、大量のVMが独立して実行され、独立して保存され、自然に並列化されます。

状態依存DAG：依存グラフ駆動のスケジューリングメカニズム

MegaETHは、アカウントの状態アクセス関係に基づいたDAGスケジューリングシステムを構築しています。このシステムは、グローバル依存グラフ（Dependency Graph）をリアルタイムで維持し、各取引がどのアカウントを変更し、どのアカウントを読み取るかをすべて依存関係としてモデル化します。競合のない取引は直接並行して実行でき、依存関係のある取引はトポロジカル順序に従って逐次的または遅延してスケジューリングされます。依存グラフは、並行実行過程での状態の一貫性と非重複書き込みを確保します。

非同期実行とコールバックメカニズム

MegaETHは非同期プログラミングパラダイムに基づいて構築されており、Actor Modelに似た非同期メッセージ伝達により、従来のEVMの直列呼び出しの問題を解決します。コントラクト呼び出しは非同期です（再帰的実行ではありません）。コントラクトAからB、BからCへの呼び出しの際に、各呼び出しは非同期化され、ブロックして待つ必要はありません。呼び出しスタックは非同期呼び出しグラフ（Call Graph）に展開されます。トランザクション処理は、非同期グラフの遍歴 + 依存関係の解決 + 並列スケジューリングです。

要するに、MegaETHは従来のEVM単一スレッド状態機械モデルを打破し、アカウント単位でマイクロVMのパッケージ化を実現し、状態依存グラフを介して取引スケジューリングを行い、非同期メッセージ機構を同期呼び出しスタックに置き換えました。それは「アカウント構造 → スケジューリングアーキテクチャ → 実行プロセス」という全次元で再設計された並列計算プラットフォームであり、次世代の高性能チェーン上システムを構築するためのパラダイムレベルの新しいアイデアを提供します。

MegaETHはリファクタリングパスを選択しました：アカウントとコントラクトを独立したVMに完全に抽象化し、非同期実行スケジューリングを通じて極限の並行性の潜在能力を解放します。理論的には、MegaETHの並行上限はより高いですが、複雑さを制御するのはより難しく、Ethereumの理念に基づくスーパー分散オペレーティングシステムのようです。

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MonadとMegaETHの設計理念は、シャーディング（Sharding）とは大きく異なる。シャーディングはブロックチェーンを横に切り分け、複数の独立したサブチェーン（シャード）を作り出し、それぞれが部分的な取引と状態を担当し、単一チェーンの制限を打破してネットワークレイヤーでの拡張を実現する。一方、MonadとMegaETHは単一チェーンの完全性を維持し、実行層での横方向の拡張を行い、単一チェーン内部での極限並列実行の最適化により性能を突破する。両者はブロックチェーンの拡張経路の中で、縦方向の強化と横方向の拡張という2つの方向を代表している。

Monad と MegaETH などの並列計算プロジェクトは、チェーン内の TPS を向上させることを核心目標とし、スループット最適化パスに集中しています。遅延実行（Deferred Execution）とマイクロ仮想マシン（Micro-VM）アーキテクチャを通じて、トランザクションレベルまたはアカウントレベルの並列処理を実現しています。一方、Pharos Network はモジュール化された全栈型の L1 ブロックチェーンネットワークであり、其の核心的な並列計算メカニズムは "Rollup Mesh" と呼ばれています。このアーキテクチャは、メインネットと特殊処理ネットワーク（SPNs）の協調作業を通じて、複数の仮想マシン環境（EVM と Wasm）をサポートし、ゼロ知識証明（ZK）、信頼実行環境（TEE）などの先進技術を統合しています。

ロールアップ メッシュ並列計算解析:

1. フルライフサイクル非同期パイプライン処理（Full Lifecycle Asynchronous Pipelining）：Pharosは取引の各段階（合意、実行、ストレージなど）をデカップリングし、非同期処理方式を採用することで、各段階が独立して並行して行えるようにし、全体の処理効率を向上させます。
2. デュアルVM並行実行（Dual VM Parallel Execution）：PharosはEVMとWASMの2つの仮想マシン環境をサポートし、開発者がニーズに応じて適切な実行環境を選択できるようにしています。このデュアルVMアーキテクチャは、システムの柔軟性を向上させるだけでなく、並行実行を通じて取引処理能力を向上させます。
3. 特殊処理ネットワーク（SPNs）：SPNsはPharosアーキテクチャの重要なコンポーネントであり、特定のタイプのタスクやアプリケーションを処理するために特化したモジュール化されたサブネットワークのようなものです。SPNsを通じて、Pharosはリソースの動的配分とタスクの並行処理を実現でき、システムの拡張性と性能をさらに強化します。
4. モジュール式コンセンサスと再ステーキングメカニズム（Modular Consensus & Restaking）：Pharosは柔軟なコンセンサスメカニズムを導入し、複数のコンセンサスモデル（PBFT、PoS、PoAなど）をサポートしています。