Báo cáo nghiên cứu sâu về tính toán song song Web3: Con đường cuối cùng của mở rộng nguyên bản

Lời mở đầu: Mở rộng là một vấn đề vĩnh cửu, song song là chiến trường tối thượng

Kể từ khi ra đời, hệ thống blockchain đã phải đối mặt với vấn đề cốt lõi về khả năng mở rộng. Các nút thắt hiệu suất của Bitcoin và Ethereum khó có thể vượt qua khả năng xử lý của thế giới Web2 truyền thống. Đây không phải là vấn đề đơn giản chỉ bằng cách tăng số lượng máy chủ, mà là do những hạn chế hệ thống trong thiết kế cơ sở của blockchain - "phi tập trung, an toàn, khả năng mở rộng" là tam giác không thể đạt được cả ba.

Trong suốt mười năm qua, chúng ta đã chứng kiến vô số nỗ lực mở rộng, từ cuộc chiến mở rộng Bitcoin đến phân đoạn Ethereum, từ kênh trạng thái đến Rollup và blockchain mô-đun. Rollup, như một trong những phương pháp mở rộng được chấp nhận rộng rãi nhất hiện nay, đã đạt được mục tiêu tăng TPS đáng kể trong khi giảm bớt gánh nặng cho chuỗi chính. Tuy nhiên, nó vẫn chưa chạm đến giới hạn thực sự của "hiệu suất chuỗi đơn" ở cấp độ nền tảng blockchain, đặc biệt là ở khía cạnh thực thi, vẫn bị hạn chế bởi mô hình tính toán tuần tự trong chuỗi cổ điển.

Tính toán song song trong chuỗi dần dần đã lọt vào tầm nhìn của ngành. Nó cố gắng tái cấu trúc hoàn toàn động cơ thực thi trong khi giữ nguyên tính nguyên tử và cấu trúc tích hợp của chuỗi đơn, nâng cấp blockchain từ mô hình "thực thi tuần tự từng giao dịch" một luồng thành hệ thống tính toán đồng thời cao "đa luồng + ống dẫn + lập lịch phụ thuộc". Điều này không chỉ có thể đạt được hàng trăm lần nâng cao thông lượng, mà còn có thể trở thành điều kiện tiên quyết cho sự bùng nổ ứng dụng hợp đồng thông minh.

Có thể nói, tính toán song song không chỉ là một "phương pháp tối ưu hóa hiệu suất", mà còn là bước ngoặt trong mô hình thực thi blockchain. Nó thách thức mô hình căn bản của việc thực thi hợp đồng thông minh, tái định nghĩa logic cơ bản của việc đóng gói giao dịch, truy cập trạng thái, quan hệ gọi và bố cục lưu trữ. Nếu Rollup được coi là "di chuyển giao dịch ra ngoài chuỗi để thực thi", thì tính toán song song trong chuỗi chính là "xây dựng nhân siêu máy tính trên chuỗi", mục tiêu là cung cấp hỗ trợ hạ tầng thực sự bền vững cho các ứng dụng gốc Web3 trong tương lai.

Khi cuộc đua Rollup trở nên đồng nhất, sự song song trong chuỗi đang âm thầm trở thành biến quyết định cho cuộc cạnh tranh Layer1 trong chu kỳ mới. Hiệu suất không còn chỉ là "nhanh hơn", mà là khả năng hỗ trợ một thế giới ứng dụng dị thể toàn diện. Đây không chỉ là một cuộc đua công nghệ, mà còn là một cuộc chiến giành lấy các mô hình. Nền tảng thực thi chủ quyền thế hệ tiếp theo trong thế giới Web3 rất có thể sẽ được sinh ra từ cuộc đấu tranh song song này.

Toàn cảnh mô hình mở rộng: Năm loại lộ trình, mỗi loại có trọng tâm riêng

Mở rộng là một trong những chủ đề quan trọng, liên tục và khó khăn nhất trong sự tiến hóa của công nghệ chuỗi khối, đã thúc đẩy sự xuất hiện và biến đổi của hầu hết các con đường công nghệ chủ đạo trong gần mười năm qua. Bắt đầu từ cuộc tranh luận về kích thước khối của Bitcoin, cuộc đua công nghệ về "cách làm cho chuỗi chạy nhanh hơn" cuối cùng đã phân hóa thành năm con đường cơ bản, mỗi con đường đều tiếp cận nút thắt từ những góc độ khác nhau, với triết lý công nghệ, độ khó thực hiện, mô hình rủi ro và các cảnh sử dụng riêng.

Lộ trình loại đầu tiên là mở rộng chuỗi trực tiếp nhất, đại diện cho các phương pháp như tăng kích thước khối, rút ngắn thời gian tạo khối, hoặc nâng cao khả năng xử lý thông qua tối ưu hóa cấu trúc dữ liệu và cơ chế đồng thuận. Phương pháp này từng trở thành tâm điểm trong cuộc tranh luận mở rộng Bitcoin, dẫn đến sự ra đời của các nhánh "khối lớn" như BCH, BSV, và cũng ảnh hưởng đến thiết kế của các chuỗi công khai hiệu suất cao như EOS và NEO. Ưu điểm của lộ trình này là giữ lại sự đơn giản của tính nhất quán chuỗi đơn, dễ hiểu và triển khai, nhưng cũng dễ dàng chạm đến rủi ro tập trung, chi phí vận hành nút tăng lên, khó khăn trong việc đồng bộ hóa, và các giới hạn hệ thống khác, do đó trong thiết kế ngày nay không còn là giải pháp cốt lõi chính thống, mà nhiều hơn trở thành sự kết hợp hỗ trợ cho các cơ chế khác.

Loại tuyến thứ hai là mở rộng ngoài chuỗi, với đại diện là kênh trạng thái và chuỗi phụ. Ý tưởng cơ bản của loại đường này là chuyển hầu hết các hoạt động giao dịch ra ngoài chuỗi, chỉ ghi lại kết quả cuối cùng vào chuỗi chính, chuỗi chính đóng vai trò là lớp thanh toán cuối cùng. Về mặt triết lý công nghệ, nó gần gũi với tư tưởng kiến trúc bất đồng bộ của Web2 - cố gắng giữ lại các xử lý giao dịch nặng nề ở bên ngoài, chuỗi chính thực hiện xác minh đáng tin cậy tối thiểu. Mặc dù ý tưởng này về lý thuyết có thể mở rộng khả năng xử lý vô hạn, nhưng mô hình tin cậy của giao dịch ngoài chuỗi, vấn đề an toàn tài chính và phức tạp trong tương tác đã làm hạn chế ứng dụng của nó. Điển hình như Lightning Network mặc dù có định vị rõ ràng trong các tình huống tài chính, nhưng quy mô sinh thái vẫn chưa bùng nổ; trong khi đó, nhiều thiết kế dựa trên chuỗi phụ, như POS của một nền tảng giao dịch, mặc dù có khả năng xử lý cao nhưng cũng bộc lộ nhược điểm khó kế thừa độ an toàn của chuỗi chính.

Lộ trình thứ ba là lộ trình Layer2 Rollup hiện đang phổ biến nhất và được triển khai rộng rãi. Cách tiếp cận này không thay đổi trực tiếp chuỗi chính, mà thực hiện mở rộng thông qua cơ chế thực thi ngoài chuỗi và xác minh trên chuỗi. Optimistic Rollup và ZK Rollup đều có những ưu điểm riêng: cái trước thực hiện nhanh chóng, tương thích cao, nhưng gặp vấn đề với độ trễ trong thời gian thách thức và cơ chế chứng minh gian lận; cái sau có độ an toàn cao, khả năng nén dữ liệu tốt, nhưng phát triển phức tạp và thiếu tương thích EVM. Dù là loại Rollup nào, bản chất của nó là ủy thác quyền thực thi, đồng thời giữ dữ liệu và xác minh trên chuỗi chính, đạt được sự cân bằng tương đối giữa phi tập trung và hiệu suất cao. Sự phát triển nhanh chóng của một số dự án Layer2 đã chứng minh tính khả thi của con đường này, nhưng cũng đã phơi bày sự phụ thuộc quá mạnh vào khả năng sử dụng dữ liệu (DA), chi phí vẫn còn cao và trải nghiệm phát triển bị cắt rời, tạo ra những nút thắt trung hạn.

Lộ trình loại thứ tư là kiến trúc blockchain mô-đun mới nổi trong những năm gần đây, đại diện như Celestia, Avail, EigenLayer, v.v. Mô hình mô-đun đề xuất tách biệt hoàn toàn các chức năng cốt lõi của blockchain - thực thi, đồng thuận, khả năng sử dụng dữ liệu, thanh toán - bằng cách để nhiều chuỗi chuyên biệt thực hiện các chức năng khác nhau, sau đó kết hợp chúng thành một mạng lưới mở rộng thông qua giao thức xuyên chuỗi. Hướng đi này bị ảnh hưởng sâu sắc bởi kiến trúc mô-đun của hệ điều hành và khái niệm kết hợp trong điện toán đám mây, với lợi thế là có thể linh hoạt thay thế các thành phần hệ thống, và ở các khâu cụ thể ( như DA) nâng cao đáng kể hiệu suất. Nhưng thách thức cũng rất rõ ràng: sau khi tách biệt mô-đun, chi phí đồng bộ, xác thực và tin cậy giữa các hệ thống rất cao, hệ sinh thái nhà phát triển cực kỳ phân tán, và yêu cầu về tiêu chuẩn giao thức trung và dài hạn cùng với an toàn xuyên chuỗi cao hơn nhiều so với thiết kế chuỗi truyền thống. Mô hình này về cơ bản không còn xây dựng một "chuỗi", mà là xây dựng một "mạng lưới chuỗi", đặt ra một ngưỡng chưa từng có cho sự hiểu biết và vận hành toàn bộ kiến trúc.

Lớp cuối cùng của các lộ trình, cũng chính là đối tượng phân tích trọng tâm trong bài viết này, là lộ trình tối ưu hóa tính toán song song trong chuỗi. Khác với bốn loại trước chủ yếu thực hiện "phân tách theo chiều ngang" từ góc độ cấu trúc, tính toán song song nhấn mạnh "nâng cấp theo chiều dọc", tức là bên trong một chuỗi duy nhất thông qua việc thay đổi kiến trúc động cơ thực thi, đạt được xử lý đồng thời giao dịch nguyên tử. Điều này yêu cầu viết lại logic lập lịch VM, giới thiệu phân tích phụ thuộc giao dịch, dự đoán xung đột trạng thái, kiểm soát độ song song, gọi bất đồng bộ và một bộ cơ chế lập lịch hệ thống máy tính hiện đại. Một chuỗi công cộng hiệu suất cao là dự án đầu tiên đưa khái niệm VM song song vào hệ thống cấp chuỗi, thông qua việc xác định xung đột giao dịch dựa trên mô hình tài khoản để thực hiện thi hành song song đa lõi. Trong khi đó, các dự án thế hệ mới như Monad, Sei, Fuel, MegaETH, v.v., còn tiến xa hơn nữa trong việc thử nghiệm các ý tưởng tiên tiến như thực thi theo ống, đồng thời lạc quan, phân vùng lưu trữ, giải quyết song song, để xây dựng nhân thực thi hiệu suất cao giống như CPU hiện đại. Lợi thế cốt lõi của hướng đi này là không cần phụ thuộc vào kiến trúc đa chuỗi để đạt được sự đột phá giới hạn thông lượng, đồng thời cung cấp đủ độ linh hoạt tính toán cho việc thực thi hợp đồng thông minh phức tạp, là điều kiện kỹ thuật quan trọng cho các tình huống ứng dụng trong tương lai như AI Agent, trò chơi chuỗi lớn, và sản phẩm phái sinh tần suất cao.

Xét về năm loại con đường mở rộng trên, sự phân chia đằng sau chúng thực sự là sự cân nhắc hệ thống giữa hiệu suất, khả năng kết hợp, an toàn và độ phức tạp trong phát triển của blockchain. Rollup mạnh mẽ trong việc ủy thác đồng thuận và thừa kế an toàn, mô-đun hóa nổi bật với cấu trúc linh hoạt và khả năng tái sử dụng thành phần, mở rộng ngoài chuỗi cố gắng vượt qua các nút thắt của chuỗi chính nhưng chi phí tin cậy rất cao, trong khi song song trong chuỗi chủ yếu tập trung vào việc nâng cấp cơ bản của lớp thực thi, cố gắng tiến gần tới giới hạn hiệu suất của hệ thống phân tán hiện đại mà không phá hủy tính nhất quán trong chuỗi. Mỗi con đường không thể giải quyết tất cả các vấn đề, nhưng chính những hướng đi này đã cùng nhau tạo thành bức tranh toàn cảnh về việc nâng cấp mô hình tính toán Web3, đồng thời cung cấp cho các nhà phát triển, kiến trúc sư và nhà đầu tư rất nhiều lựa chọn chiến lược phong phú.

Giống như trong lịch sử, hệ điều hành đã chuyển từ lõi đơn sang lõi đa, cơ sở dữ liệu đã tiến hóa từ chỉ mục tuần tự sang giao dịch đồng thời, con đường mở rộng của Web3 cuối cùng cũng sẽ tiến đến thời đại thực thi song song cao độ. Trong thời đại này, hiệu suất không còn chỉ là cuộc đua tốc độ chuỗi, mà là sự thể hiện tổng hợp của triết lý thiết kế cơ bản, độ sâu hiểu biết kiến trúc, sự phối hợp phần mềm và phần cứng cũng như khả năng kiểm soát hệ thống. Và song song trong chuỗi, có thể chính là chiến trường cuối cùng của cuộc chiến dài hơi này.

Bản đồ phân loại tính toán song song: Năm con đường từ tài khoản đến lệnh

Trong bối cảnh công nghệ mở rộng blockchain liên tục phát triển, tính toán song song dần trở thành con đường cốt lõi để đạt được hiệu suất vượt trội. Khác với việc phân tách ngang ở lớp cấu trúc, lớp mạng hoặc lớp khả năng sẵn có của dữ liệu, tính toán song song là việc khai thác chiều sâu ở lớp thực thi, liên quan đến logic cơ bản nhất của hiệu suất hoạt động của blockchain, quyết định tốc độ phản hồi và khả năng xử lý của một hệ thống blockchain khi đối mặt với độ đồng thời cao và các giao dịch phức tạp đa dạng. Xuất phát từ mô hình thực thi, xem xét quá trình phát triển của hệ thống công nghệ này, chúng ta có thể xây dựng một bản đồ phân loại tính toán song song rõ ràng, có thể chia thành năm con đường công nghệ: tính toán song song cấp tài khoản, tính toán song song cấp đối tượng, tính toán song song cấp giao dịch, tính toán song song cấp máy ảo và tính toán song song cấp lệnh. Năm con đường này từ thô đến tinh, là quá trình tinh chỉnh liên tục của logic song song, đồng thời cũng là con đường mà độ phức tạp của hệ thống và độ khó trong việc lập lịch ngày càng tăng.

Mô hình song song cấp tài khoản xuất hiện đầu tiên, được đại diện bởi một chuỗi công khai hiệu suất cao. Mô hình này dựa trên thiết kế tách rời tài khoản-trạng thái, thông qua phân tích tĩnh tập hợp tài khoản liên quan trong giao dịch, xác định xem có tồn tại mối quan hệ xung đột hay không. Nếu hai giao dịch truy cập vào tập hợp tài khoản không chồng chéo nhau, có thể thực hiện song song trên nhiều lõi. Cơ chế này rất phù hợp để xử lý các giao dịch có cấu trúc rõ ràng, đầu vào đầu ra minh bạch, đặc biệt là các chương trình có lộ trình có thể dự đoán như DeFi. Tuy nhiên, giả định tự nhiên của nó là việc truy cập tài khoản có thể dự đoán và sự phụ thuộc trạng thái có thể suy diễn tĩnh, điều này khiến nó dễ gặp phải vấn đề thực thi bảo thủ và giảm độ song song khi đối mặt với các hợp đồng thông minh phức tạp (, chẳng hạn như trò chơi chuỗi, hành vi động của AI agent ). Hơn nữa, sự phụ thuộc chéo giữa các tài khoản cũng làm giảm nghiêm trọng lợi ích song song trong một số kịch bản giao dịch tần suất cao. Thời gian chạy của chuỗi công khai hiệu suất cao này đã thực hiện tối ưu hóa cao trong lĩnh vực này, nhưng chiến lược lập lịch cốt lõi của nó vẫn bị giới hạn bởi độ phân giải tài khoản.

Dựa trên mô hình tài khoản, chúng ta đi sâu vào cấp độ kỹ thuật song song theo đối tượng. Song song theo đối tượng giới thiệu sự trừu tượng ngữ nghĩa của tài nguyên và mô-đun, tiến hành lập lịch đồng thời dựa trên "đối tượng trạng thái" với độ tinh vi hơn. Một số dự án Layer1 thế hệ mới là những nhà khám phá quan trọng trong hướng này, đặc biệt là cái sau thông qua hệ thống loại tuyến tính của ngôn ngữ Move, xác định quyền sở hữu và tính biến đổi của tài nguyên ngay tại thời điểm biên dịch, từ đó cho phép kiểm soát chính xác xung đột truy cập tài nguyên tại thời gian chạy. Phương pháp này so với song song theo tài khoản có tính phổ quát và khả năng mở rộng cao hơn, có thể bao phủ logic đọc/ghi trạng thái phức tạp hơn, và phục vụ tự nhiên cho các cảnh như trò chơi, xã hội, AI với độ dị biệt cao. Tuy nhiên, song song theo đối tượng cũng giới thiệu ngưỡng ngôn ngữ cao hơn và độ phức tạp phát triển lớn hơn, Move không phải là sự thay thế trực tiếp cho Solidity, chi phí chuyển đổi hệ sinh thái rất lớn, hạn chế tốc độ phổ biến của mô hình song song này.

Việc thực hiện song song cấp độ giao dịch tiếp theo là hướng đi mà thế hệ chuỗi hiệu suất cao mới, được đại diện bởi Monad, Sei, Fuel, đang khám phá. Con đường này không còn coi trạng thái hoặc tài khoản là đơn vị song song tối thiểu, mà xung quanh toàn bộ giao dịch để xây dựng đồ thị phụ thuộc. Nó coi giao dịch là đơn vị thao tác nguyên tử, thông qua phân tích tĩnh hoặc động để xây dựng đồ thị giao dịch (Transaction DAG), và phụ thuộc vào bộ lập lịch để thực hiện dòng chảy song song. Thiết kế này cho phép hệ thống tối đa hóa khả năng khai thác song song mà không cần hiểu hoàn toàn cấu trúc trạng thái nền tảng. Monad đặc biệt nổi bật, nó kết hợp điều khiển song song lạc quan (OCC), lập lịch dòng chảy song song, thực thi không theo thứ tự và các công nghệ của động cơ cơ sở dữ liệu hiện đại, giúp việc thực thi chuỗi gần gũi hơn với mô hình "bộ lập lịch GPU". Trong thực tế, cơ chế này yêu cầu một trình quản lý phụ thuộc và phát hiện xung đột cực kỳ phức tạp, bộ lập lịch cũng có thể trở thành nút thắt cổ chai, nhưng khả năng thông lượng tiềm năng của nó cao hơn nhiều so với mô hình tài khoản hoặc đối tượng, trở thành một trong những lực lượng có trần lý thuyết cao nhất trong lĩnh vực tính toán song song hiện tại.

Và độ sâu song song cấp máy ảo, sẽ nhúng khả năng thực thi đồng thời trực tiếp vào logic lập lịch lệnh dưới đáy của VM, nhằm mục đích hoàn toàn vượt qua các giới hạn cố hữu của thực thi tuần tự EVM. MegaETH như một "thí nghiệm máy ảo siêu" trong hệ sinh thái Ethereum,