Bản đồ toàn cảnh của lĩnh vực tính toán song song Web3: Giải pháp mở rộng gốc tốt nhất?

I. Bối cảnh: Chủ đề vĩnh cửu về mở rộng blockchain

"Tam giác không thể" của blockchain (Blockchain Trilemma) "an toàn", "phi tập trung", "khả năng mở rộng" đã chỉ ra sự đánh đổi bản chất trong thiết kế hệ thống blockchain, nghĩa là các dự án blockchain rất khó để đạt được "an toàn tối đa, mọi người có thể tham gia, xử lý nhanh chóng" cùng một lúc. Đối với "khả năng mở rộng" - chủ đề vĩnh cửu này, hiện tại các giải pháp mở rộng blockchain phổ biến trên thị trường được phân loại theo các mô hình, bao gồm:

• Thực hiện mở rộng nâng cao: Tăng cường khả năng thực thi ngay tại chỗ, chẳng hạn như song song, GPU, đa lõi.
• Mở rộng tách biệt trạng thái: Phân tách trạng thái theo chiều ngang / Shard, ví dụ như phân đoạn, UTXO, nhiều subnet
• Mở rộng theo kiểu hợp đồng ngoài chuỗi: Đưa việc thực thi ra ngoài chuỗi, chẳng hạn như Rollup, Coprocessor, DA
• Mở rộng kiểu tách cấu trúc: mô-đun kiến trúc, hoạt động phối hợp, chẳng hạn như chuỗi mô-đun, bộ sắp xếp chia sẻ, Rollup Mesh
• Mở rộng kiểu đồng thời không đồng bộ: Mô hình Actor, cách ly quy trình, điều khiển tin nhắn, ví dụ như tác nhân, chuỗi không đồng bộ đa luồng

Giải pháp mở rộng blockchain bao gồm: tính toán song song trong chuỗi, Rollup, phân đoạn, mô-đun DA, cấu trúc mô-đun, hệ thống Actor, nén chứng minh zk, kiến trúc Stateless, v.v., bao gồm nhiều cấp độ thực thi, trạng thái, dữ liệu và cấu trúc, là một hệ thống mở rộng hoàn chỉnh "hợp tác đa lớp, kết hợp mô-đun". Bài viết này sẽ tập trung giới thiệu phương thức mở rộng chủ yếu dựa trên tính toán song song.

Tính toán song song trong chuỗi (intra-chain parallelism), tập trung vào việc thực thi song song các giao dịch / lệnh bên trong khối. Theo cơ chế song song, phương thức mở rộng có thể chia thành năm loại lớn, mỗi loại đại diện cho những mục tiêu hiệu suất, mô hình phát triển và triết lý kiến trúc khác nhau, lần lượt độ lớn song song ngày càng nhỏ, cường độ song song ngày càng cao, độ phức tạp lập lịch cũng ngày càng cao, độ phức tạp lập trình và độ khó thực hiện cũng ngày càng tăng.

• Song song cấp tài khoản (Account-level): Đại diện cho dự án Solana
• Song song đối tượng (Object-level): đại diện cho dự án Sui
• Song song cấp giao dịch (Transaction-level): Đại diện cho dự án Monad, Aptos
• Gọi cấp độ / Micro VM song song (Call-level / MicroVM): đại diện cho dự án MegaETH
• Song song cấp lệnh (Instruction-level): Đại diện cho dự án GatlingX

Mô hình đồng thời bất đồng bộ bên ngoài chuỗi, với hệ thống thông minh Actor (Mô hình Agent / Actor) là đại diện, chúng thuộc về một kiểu tính toán song song khác, như là hệ thống tin nhắn đa chuỗi / bất đồng bộ (mô hình không đồng bộ khối), mỗi Agent hoạt động như một "tiến trình thông minh độc lập", theo cách thức bất đồng bộ, tin nhắn song song, dựa trên sự kiện, không cần lập lịch đồng bộ, các dự án đại diện có AO, ICP, Cartesi, v.v.

Và những giải pháp mở rộng mà chúng ta thường nghe đến như Rollup hoặc phân đoạn thuộc cơ chế đồng thời cấp hệ thống, không thuộc tính toán song song trong chuỗi. Chúng đạt được khả năng mở rộng bằng cách "chạy song song nhiều chuỗi / miền thực thi" thay vì nâng cao độ song song bên trong một khối đơn / máy ảo. Những giải pháp mở rộng như vậy không phải là trọng tâm của bài viết này nhưng chúng ta vẫn sẽ sử dụng chúng để so sánh sự khác biệt trong ý tưởng kiến trúc.

Hai, Chuỗi Tăng Cường Song Song EVM: Phá Vỡ Ranh Giới Hiệu Suất Trong Tính Tương Thích

Cho đến nay, kiến trúc xử lý tuần tự của Ethereum đã trải qua nhiều lần thử nghiệm mở rộng như phân mảnh, Rollup, kiến trúc mô-đun, nhưng vẫn chưa có bước đột phá căn bản nào về nút thắt thông lượng ở tầng thực thi. Tuy nhiên, EVM và Solidity vẫn là nền tảng hợp đồng thông minh có cơ sở phát triển và tiềm năng sinh thái lớn nhất hiện nay. Vì vậy, chuỗi tăng cường song song EVM đang trở thành con đường chính cho sự tiến hóa mở rộng mới, cân bằng giữa khả năng tương thích sinh thái và nâng cao hiệu suất thực thi. Monad và MegaETH là hai dự án đại diện cho hướng đi này, lần lượt từ việc thực thi trì hoãn và phân tách trạng thái, xây dựng kiến trúc xử lý song song EVM dành cho các tình huống có độ đồng thời cao và thông lượng lớn.

Phân tích cơ chế tính toán song song của Monad

Monad là một blockchain Layer1 hiệu suất cao được thiết kế lại cho máy ảo Ethereum (EVM), dựa trên khái niệm song song cơ bản là xử lý theo chuỗi (Pipelining), thực hiện thực thi không đồng bộ ở lớp đồng thuận (Asynchronous Execution) và thực thi song song lạc quan ở lớp thực thi (Optimistic Parallel Execution). Ngoài ra, ở lớp đồng thuận và lưu trữ, Monad lần lượt giới thiệu giao thức BFT hiệu suất cao (MonadBFT) và hệ thống cơ sở dữ liệu chuyên dụng (MonadDB), thực hiện tối ưu hóa từ đầu đến cuối.

Pipelining: Cơ chế thực thi song song đa giai đoạn

Pipelining là ý tưởng cơ bản của việc thực thi song song Monad, với tư tưởng cốt lõi là chia nhỏ quy trình thực thi blockchain thành nhiều giai đoạn độc lập và xử lý các giai đoạn này theo cách song song, hình thành cấu trúc ống dẫn ba chiều. Mỗi giai đoạn hoạt động trên các luồng hoặc nhân độc lập, đạt được xử lý đồng thời qua các khối, cuối cùng nâng cao thông lượng và giảm độ trễ. Những giai đoạn này bao gồm: đề xuất giao dịch (Propose), đạt được sự đồng thuận (Consensus), thực thi giao dịch (Execution) và cam kết khối (Commit).

Thực thi không đồng bộ: Nhận thức - Thực thi tách rời không đồng bộ

Trong chuỗi truyền thống, sự đồng thuận và thực thi giao dịch thường là quy trình đồng bộ, mô hình tuần tự này hạn chế nghiêm trọng khả năng mở rộng hiệu suất. Monad đã thực hiện sự đồng thuận phi đồng bộ, thực thi phi đồng bộ và lưu trữ phi đồng bộ thông qua "thực thi phi đồng bộ". Giảm đáng kể thời gian khối (block time) và độ trễ xác nhận, làm cho hệ thống linh hoạt hơn, quy trình xử lý được phân tách tốt hơn và tỷ lệ sử dụng tài nguyên cao hơn.

Thiết kế cốt lõi:

• Quy trình đồng thuận (tầng đồng thuận) chỉ chịu trách nhiệm sắp xếp giao dịch, không thực hiện logic hợp đồng.
• Quá trình thực thi (tầng thực thi) được kích hoạt bất đồng bộ sau khi hoàn thành đồng thuận.
• Sau khi hoàn thành đồng thuận, ngay lập tức tiến vào quy trình đồng thuận của khối tiếp theo, không cần chờ hoàn thành thực thi.

Thực thi song song lạc quan: Optimistic Parallel Execution

Ethereum truyền thống sử dụng mô hình tuần tự nghiêm ngặt cho việc thực thi giao dịch để tránh xung đột trạng thái. Trong khi đó, Monad áp dụng chiến lược "thực thi song song lạc quan", nâng cao đáng kể tốc độ xử lý giao dịch.

Cơ chế thực thi:

• Monad sẽ thực hiện tất cả các giao dịch một cách lạc quan và song song, giả định rằng phần lớn các giao dịch không có xung đột trạng thái.
• Chạy đồng thời một "Bộ phát hiện xung đột (Conflict Detector))" để theo dõi xem các giao dịch có truy cập cùng một trạng thái hay không (chẳng hạn như xung đột đọc / ghi).
• Nếu phát hiện có xung đột, các giao dịch xung đột sẽ được tuần tự hóa và thực hiện lại, đảm bảo tính chính xác của trạng thái.

Monad đã chọn con đường tương thích: giảm thiểu tối đa sự thay đổi quy tắc EVM, trong quá trình thực thi thông qua việc hoãn ghi trạng thái và phát hiện xung đột động để đạt được sự song song, giống như phiên bản hiệu suất của Ethereum, độ trưởng thành cao dễ dàng thực hiện di cư hệ sinh thái EVM, là bộ tăng tốc song song cho thế giới EVM.

Phân tích cơ chế tính toán song song của MegaETH

Khác với định vị L1 của Monad, MegaETH được định vị là một lớp thực thi song song hiệu suất cao, tương thích với EVM có thể hoạt động như một chuỗi công khai L1 độc lập, hoặc như một lớp tăng cường thực thi trên Ethereum (Execution Layer) hoặc thành phần mô-đun. Mục tiêu thiết kế cốt lõi của nó là tách biệt và cấu trúc logic tài khoản, môi trường thực thi và trạng thái thành các đơn vị tối thiểu có thể lập lịch độc lập, nhằm đạt được khả năng thực thi đồng thời cao trong chuỗi và khả năng phản hồi độ trễ thấp. Đổi mới chính mà MegaETH đưa ra là: kiến trúc Micro-VM + DAG phụ thuộc trạng thái (Directed Acyclic Graph) và cơ chế đồng bộ hóa mô-đun, cùng nhau xây dựng hệ thống thực thi song song hướng tới "đa luồng trong chuỗi".

Kiến trúc Micro-VM (máy ảo nhỏ): Tài khoản chính là luồng

MegaETH đã giới thiệu mô hình thực thi "mỗi tài khoản một máy ảo vi mô (Micro-VM)", biến môi trường thực thi thành "đa luồng", cung cấp đơn vị cách ly tối thiểu cho lập lịch song song. Các VM này giao tiếp với nhau qua thông điệp bất đồng bộ (Asynchronous Messaging), thay vì gọi đồng bộ, cho phép nhiều VM thực hiện độc lập và lưu trữ độc lập, tự nhiên song song.

State Dependency DAG: Cơ chế lập lịch dựa trên đồ thị phụ thuộc

MegaETH đã xây dựng một hệ thống lập lịch DAG dựa trên mối quan hệ truy cập trạng thái tài khoản, hệ thống duy trì một đồ thị phụ thuộc toàn cầu (Dependency Graph) theo thời gian thực, mỗi giao dịch sẽ mô hình hóa việc thay đổi các tài khoản nào, đọc các tài khoản nào thành mối quan hệ phụ thuộc. Giao dịch không xung đột có thể được thực thi song song ngay lập tức, trong khi giao dịch có mối quan hệ phụ thuộc sẽ được sắp xếp theo thứ tự topo hoặc trì hoãn để thực hiện lập lịch. Đồ thị phụ thuộc đảm bảo tính nhất quán trạng thái và không ghi chồng trong quá trình thực thi song song.

Thực thi bất đồng bộ và cơ chế callback

B

Tóm lại, MegaETH đã phá vỡ mô hình máy trạng thái đơn luồng EVM truyền thống, thực hiện bao bọc vi máy ảo theo đơn vị tài khoản, thông qua sơ đồ phụ thuộc trạng thái để điều độ giao dịch, và sử dụng cơ chế tin nhắn bất đồng bộ thay thế cho ngăn xếp gọi đồng bộ. Đây là một nền tảng tính toán song song được thiết kế lại toàn diện từ "cấu trúc tài khoản → kiến trúc điều độ → quy trình thực thi", cung cấp một tư duy mới mang tính chuẩn mực cho việc xây dựng hệ thống chuỗi trên hiệu suất cao thế hệ tiếp theo.

MegaETH đã chọn con đường tái cấu trúc: hoàn toàn trừu tượng hóa tài khoản và hợp đồng thành VM độc lập, thông qua việc lập lịch thực thi bất đồng bộ để giải phóng tiềm năng song song cực đại. Về lý thuyết, giới hạn song song của MegaETH cao hơn, nhưng cũng khó kiểm soát độ phức tạp hơn, giống như một hệ điều hành phân tán siêu cấp dưới triết lý của Ethereum.

Monad và MegaETH có thiết kế triết lý khá khác biệt so với phân mảnh (Sharding): phân mảnh chia blockchain thành nhiều chuỗi con độc lập (shards), mỗi chuỗi con chịu trách nhiệm cho một phần giao dịch và trạng thái, phá vỡ giới hạn của chuỗi đơn trong việc mở rộng ở tầng mạng; trong khi đó, Monad và MegaETH đều giữ nguyên tính toàn vẹn của chuỗi đơn, chỉ mở rộng theo chiều ngang ở tầng thực thi, tối ưu hóa thực thi song song cực hạn bên trong chuỗi đơn để vượt qua hiệu suất. Cả hai đại diện cho hai hướng trong con đường mở rộng blockchain: tăng cường theo chiều dọc và mở rộng theo chiều ngang.

Các dự án tính toán song song như Monad và MegaETH chủ yếu tập trung vào con đường tối ưu hóa thông lượng, với mục tiêu chính là nâng cao TPS trên chuỗi, thông qua thực thi trì hoãn (Deferred Execution) và kiến trúc vi máy ảo (Micro-VM) để đạt được xử lý song song ở cấp độ giao dịch hoặc tài khoản. Pharos Network, như một mạng lưới blockchain L1 mô-đun và toàn diện, có cơ chế tính toán song song cốt lõi được gọi là "Rollup Mesh". Kiến trúc này hỗ trợ môi trường đa máy ảo (EVM và Wasm) thông qua sự hợp tác giữa mạng chính và mạng xử lý đặc biệt (SPNs), đồng thời tích hợp các công nghệ tiên tiến như bằng chứng không kiến thức (ZK) và môi trường thực thi đáng tin cậy (TEE).

Phân tích cơ chế tính toán song song Rollup Mesh:

1. Xử lý ống dẫn bất đồng bộ trong toàn bộ vòng đời (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos tách rời các giai đoạn của giao dịch (như đồng thuận, thực thi, lưu trữ) và áp dụng phương pháp xử lý bất đồng bộ, cho phép mỗi giai đoạn có thể tiến hành độc lập và song song, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý tổng thể.
2. Thực thi song song hai máy ảo (Dual VM Parallel Execution): Pharos hỗ trợ hai môi trường máy ảo EVM và WASM, cho phép các nhà phát triển chọn môi trường thực thi phù hợp theo nhu cầu. Kiến trúc dual VM này không chỉ nâng cao tính linh hoạt của hệ thống mà còn cải thiện khả năng xử lý giao dịch thông qua thực thi song song.
3. Mạng xử lý đặc biệt (SPNs): SPNs là thành phần then chốt trong kiến trúc Pharos, tương tự như các mạng con mô-đun, chuyên dùng để xử lý các loại nhiệm vụ hoặc ứng dụng cụ thể. Thông qua SPNs, Pharos có thể thực hiện việc phân bổ tài nguyên động và xử lý nhiệm vụ song song, từ đó nâng cao khả năng mở rộng và hiệu suất của hệ thống.
4. Đồng thuận mô-đun và cơ chế tái đặt cược (Modular Consensus & Restaking): Pharos đã giới thiệu một cơ chế đồng thuận linh hoạt, hỗ trợ nhiều mô hình đồng thuận (như PBFT, PoS, PoA), và thông qua