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

I. Introduction : l'extension est un sujet éternel, le parallélisme est le champ de bataille ultime

Depuis sa création, le système blockchain est confronté à ce problème central de scalabilité. Les goulots d'étranglement de performance de Bitcoin et d'Ethereum sont difficiles à surmonter, bien en deçà des systèmes Web2 traditionnels. Ce n'est pas une simple question d'augmenter le matériel, mais cela provient des limitations systémiques dans la conception sous-jacente de la blockchain.

Au cours de la dernière décennie, l'industrie a essayé diverses voies d'extension. Des controverses sur l'extension de Bitcoin aux fragments d'Ethereum, des canaux d'état aux Rollups et aux blockchains modulaires, les technologies d'extension ont constamment évolué. Les Rollups, en tant que solution dominante actuelle, améliorent les performances tout en préservant la sécurité de la chaîne principale. Cependant, ils n'ont pas touché aux véritables limites de "performance d'une seule chaîne" au niveau de la blockchain, en particulier le niveau d'exécution qui reste limité par le mode de calcul séquentiel.

Ainsi, le calcul parallèle en chaîne commence progressivement à attirer l'attention de l'industrie. Il tente de reconstruire complètement le moteur d'exécution tout en maintenant l'anatomie atomique de la chaîne unique, élevant la blockchain à un système de calcul à haute concurrence. Cela pourrait non seulement entraîner une augmentation de plusieurs centaines de fois du débit, mais pourrait également devenir la condition préalable clé à l'explosion des applications de contrats intelligents.

En réalité, le calcul à thread unique a déjà été éliminé dans le domaine du Web2, remplacé par des modèles d'optimisation tels que la programmation parallèle et la planification asynchrone. Cependant, la blockchain, en tant que système de calcul plus primitif et exigeant davantage en matière de déterminisme, n'a jamais pleinement profité de ces idées parallèles. Cela représente à la fois une limitation et une opportunité. La nouvelle génération de chaînes publiques et de projets explore en profondeur ce domaine, cherchant à faire progresser le modèle d'exécution de la blockchain vers le paradigme des systèmes d'exploitation modernes.

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 modèle d'exécution de la blockchain. Il remet en question le modèle fondamental d'exécution des contrats intelligents et redéfinit la logique fondamentale du traitement des transactions. Son objectif est de fournir un véritable soutien infrastructurel durable pour les applications natives Web3 de demain.

Après la convergence dans le domaine des Rollups, le parallélisme sur la chaîne devient clé dans la compétition Layer 1 du nouveau cycle. Ce n'est pas seulement une course technologique, mais aussi une lutte de paradigmes. La prochaine génération de plateformes d'exécution souveraines dans le monde du Web3 pourrait très probablement émerger de ce combat pour le parallélisme sur la chaîne.

Deuxième partie, panorama des paradigmes d'extension : cinq types de routes, chacun avec un accent particulier

L'extension, en tant que l'un des sujets les plus importants dans l'évolution de la technologie des chaînes publiques, a engendré presque tous les chemins technologiques principaux au cours des dix dernières années. Cette compétition technique sur "comment faire fonctionner la chaîne plus rapidement" a finalement abouti à cinq grandes lignes de base, chacune abordant le goulot d'étranglement sous un angle différent, avec sa propre philosophie technique, son niveau de difficulté d'application, son modèle de risque et ses scénarios d'application.

La première catégorie est l'extension de la chaîne en ligne la plus directe, comme l'augmentation de la taille des blocs, la réduction du temps de génération des blocs, etc. Cette méthode préserve la simplicité de la cohérence sur une seule chaîne, mais elle est susceptible de toucher à des risques de centralisation et à des limites systémiques telles que l'augmentation des coûts des nœuds, et elle n'est plus une solution principale.

La deuxième catégorie est l'extension hors chaîne, représentée par les canaux d'état et les chaînes latérales. Ce chemin déplace la majorité des activités transactionnelles hors chaîne, n'écrivant le résultat final que sur la chaîne principale. Bien qu'il soit théoriquement possible d'étendre indéfiniment le débit, les problèmes de modèle de confiance et de sécurité des transactions hors chaîne limitent son application.

La troisième catégorie est la route Layer2 Rollup la plus populaire actuellement. Elle réalise l'évolutivité grâce à un mécanisme d'exécution hors chaîne et de validation sur chaîne, atteignant un équilibre entre décentralisation et haute performance. Cependant, elle révèle également une dépendance excessive à la disponibilité des données et des frais encore relativement élevés, ce qui constitue un goulot d'étranglement à moyen terme.

La quatrième catégorie est l'architecture de blockchain modulaire qui a émergé ces dernières années. Elle découple complètement les fonctions principales de la blockchain, permettant à plusieurs chaînes spécialisées d'accomplir différentes fonctions. Cette approche permet de remplacer les composants du système de manière flexible, mais exige des normes de sécurité inter-chaînes et de protocole très élevées.

La dernière catégorie est le chemin d'optimisation du calcul parallèle au sein de la chaîne. Elle met l'accent sur la modification de l'architecture du moteur d'exécution à l'intérieur d'une seule chaîne, permettant le traitement concurrent des transactions atomiques. Cette direction ne nécessite pas de dépendre d'une architecture multi-chaînes pour dépasser les limites de performance, et constitue une condition technologique importante pour des scénarios d'application complexes à l'avenir.

À travers ces cinq types de chemins, il y a un compromis systématique derrière la blockchain en termes de performance, de capacité de composition, de sécurité et de complexité de développement. Chaque chemin a ses avantages et ses inconvénients, formant ensemble une vue d'ensemble de la mise à niveau du paradigme de calcul Web3, offrant à l'industrie un large éventail d'options stratégiques.

Tout comme les systèmes d'exploitation sont passés d'un noyau unique à plusieurs noyaux dans l'histoire, la voie de l'extension de Web3 se dirige également vers une ère d'exécution hautement parallélisée. Dans cette ère, la performance n'est plus seulement une compétition de vitesse de chaîne, mais une expression intégrée de la philosophie de conception sous-jacente et du contrôle système. La parallélisation au sein de la chaîne pourrait bien être le champ de bataille ultime de cette guerre de longue haleine.

Trois, carte de classification du calcul parallèle : cinq grands chemins de compte à instruction

Dans le contexte de l'évolution continue des technologies d'extension de la blockchain, le calcul parallèle devient progressivement le chemin central des percées en performance. En partant du modèle d'exécution, nous pouvons établir un diagramme clair de classification du calcul parallèle, qui se divise en cinq voies technologiques : le parallèle au niveau des comptes, le parallèle au niveau des objets, le parallèle au niveau des transactions, le parallèle au niveau des machines virtuelles et le parallèle au niveau des instructions. Ces cinq types de voies, allant de la granularité grossière à la granularité fine, représentent à la fois un processus de raffinement constant de la logique parallèle et une montée en complexité du système ainsi qu'en difficulté de planification.

Le premier niveau de parallélisme au niveau des comptes, représenté par Solana. Ce modèle repose sur une conception découplée des comptes et des états, en analysant statiquement l'ensemble des comptes impliqués dans la transaction pour déterminer s'il existe des relations de conflit. Ce mécanisme est adapté pour traiter des transactions ayant une structure clairement définie, mais lorsqu'il est confronté à des contrats intelligents complexes, il est susceptible de rencontrer des problèmes de diminution du parallélisme.

La parallélisation au niveau des objets est davantage affinée, introduisant une abstraction sémantique des ressources et des modules. Aptos et Sui sont des explorateurs importants dans cette direction, en particulier Sui qui, grâce au système de types linéaires du langage Move, permet un contrôle précis des conflits d'accès aux ressources au moment de l'exécution. Cette méthode est plus polyvalente et extensible, mais elle introduit également un seuil linguistique plus élevé et une complexité de développement accrue.

Le parallélisme au niveau des transactions est une direction explorée par la nouvelle génération de chaînes haute performance représentée par Monad, Sei et Fuel. Ce chemin consiste à construire un graphique de dépendances autour de la transaction elle-même, en construisant un graphique de transaction par analyse statique ou dynamique, et en s'appuyant sur un ordonnanceur pour une exécution concurrente en pipeline. Ce mécanisme nécessite un gestionnaire de dépendances et un détecteur de conflits extrêmement complexes, mais sa capacité de débit potentielle est bien supérieure à celle des modèles de comptes ou d'objets.

La parallélisation au niveau de la machine virtuelle intègre directement la capacité d'exécution concurrente dans la logique de planification des instructions au niveau du VM. MegaETH, en tant qu'"expérience de super machine virtuelle" au sein de l'écosystème Ethereum, tente de redessiner l'EVM pour qu'il prenne en charge l'exécution concurrente multithread des codes de contrats intelligents. La difficulté de cette approche réside dans la nécessité d'être complètement compatible avec la sémantique de comportement de l'EVM existant, tout en réformant l'ensemble de l'environnement d'exécution et le mécanisme de Gas.

La dernière catégorie de chemin est le parallélisme au niveau des instructions. Son idée provient de l'exécution hors ordre et du pipeline d'instructions dans la conception moderne des CPU. L'équipe de Fuel a déjà introduit un modèle d'exécution réordonnable au niveau des instructions dans son FuelVM. À long terme, une fois que le moteur d'exécution de la blockchain mettra en œuvre l'exécution prédictive des dépendances d'instructions et le réagencement dynamique, son parallélisme atteindra la limite théorique.

En résumé, les cinq grands axes que sont les comptes, les objets, les transactions, la VM et les instructions forment le spectre de développement du calcul parallèle sur la chaîne. De la structure de données statique au mécanisme de planification dynamique, de la prédiction d'accès à l'état à la réorganisation au niveau des instructions, chaque avancée de la technologie parallèle signifie une augmentation significative de la complexité du système et du seuil de développement. Mais en même temps, elles marquent également un changement de paradigme dans le modèle de calcul de la blockchain, passant du registre de consensus séquentiel traditionnel à un environnement d'exécution distribué haute performance, prévisible et planifiable. Le choix des chemins parallèles des différentes chaînes publiques déterminera la limite de capacité de leur écosystème d'application futur, ainsi que leur compétitivité centrale dans des scénarios tels que les agents AI, les jeux basés sur la chaîne, et le trading haute fréquence sur la chaîne.

Quatre, Analyse approfondie des deux principales voies : Monad vs MegaETH

Dans les multiples voies de l'évolution du calcul parallèle, les deux principales lignes technologiques sur lesquelles le marché se concentre actuellement sont la "construction d'une chaîne de calcul parallèle à partir de zéro", représentée par Monad, et la "révolution parallèle interne à l'EVM", représentée par MegaETH. Ces deux voies ne sont pas seulement les directions de recherche et développement les plus intensément investies par les ingénieurs en cryptographie, mais aussi les symboles des deux pôles les plus déterministes dans la compétition actuelle pour la performance des ordinateurs Web3. Elles représentent respectivement une concurrence de paradigmes parallèles de "restructuration" et de "compatibilité", influençant profondément l'imaginaire du marché sur la forme finale des chaînes à haute performance.

Monad est un "puriste du calcul" radical, dont la philosophie de conception n'est pas destinée à être compatible avec l'EVM existant, mais s'inspire des bases de données modernes et des systèmes multicœurs haute performance pour redéfinir le mode de fonctionnement sous-jacent des moteurs d'exécution de blockchain. Son système technologique central repose sur des mécanismes éprouvés dans le domaine des bases de données, tels que le contrôle de concurrence optimiste, la planification des DAG de transactions, l'exécution en désordre et le traitement par lots, visant à porter les performances de traitement des transactions de la chaîne à un niveau de millions de TPS. Dans l'architecture Monad, l'exécution et le tri des transactions sont complètement découplés, le système construit d'abord un graphique de dépendance des transactions, puis le confie à un planificateur pour une exécution parallèle en pipeline. Ce mécanisme est techniquement extrêmement complexe, nécessitant la construction d'une pile d'exécution similaire à celle des gestionnaires de transactions modernes des bases de données, mais en théorie, il peut pousser les limites de débit à des hauteurs que la communauté des chaînes n'a jamais imaginées.

Et plus important encore, Monad n'a pas abandonné l'interopérabilité avec l'EVM. Il prend en charge les développeurs pour écrire des contrats en syntaxe Solidity grâce à une couche intermédiaire similaire à un "Langage Intermédiaire Compatible avec Solidity", tout en optimisant le langage intermédiaire et en planifiant de manière parallèle dans le moteur d'exécution. Cette stratégie de conception "compatibilité de surface, reconstruction de base" permet de conserver la convivialité pour les développeurs de l'écosystème Ethereum, tout en libérant au maximum le potentiel d'exécution de base, ce qui est une stratégie technique typique de "digérer l'EVM, puis de le reconstruire".

Contrairement à l'attitude de "constructeur de nouveaux mondes" de Monad, MegaETH choisit de partir du monde existant d'Ethereum, avec un coût de changement minimal, pour réaliser une amélioration significative de l'efficacité d'exécution. MegaETH ne renverse pas la norme EVM, mais s'efforce d'intégrer la capacité de calcul parallèle dans le moteur d'exécution EVM existant, créant ainsi une version future de "EVM multicœur". Son principe de base repose sur la reconstruction complète du modèle d'exécution des instructions EVM actuel, lui conférant des capacités d'isolation au niveau des threads, d'exécution asynchrone au niveau des contrats, de détection des conflits d'accès à l'état, permettant ainsi à plusieurs contrats intelligents de s'exécuter simultanément dans le même bloc et de fusionner finalement les modifications d'état. Ce chemin de "révolution conservatrice" est extrêmement attractif, notamment pour l'écosystème Ethereum L2, car il offre une voie idéale sans migration de syntaxe et avec une mise à niveau de performance sans douleur.

La percée fondamentale de MegaETH réside dans son mécanisme de planification multi-thread de la VM. L'EVM traditionnelle utilise un modèle d'exécution séquentiel à thread unique basé sur une pile, chaque instruction étant exécutée de manière linéaire, et les mises à jour d'état devant se produire de manière synchronisée. MegaETH rompt avec ce modèle en introduisant une pile d'appels asynchrone et un mécanisme d'isolation du contexte d'exécution, permettant ainsi une exécution simultanée du "contexte EVM concurrent". Chaque contrat peut appeler sa propre logique dans un thread indépendant, et tous les threads, lors de la soumission finale de l'état, effectuent une détection de conflits et une convergence de l'état de manière unifiée à travers une couche de synchronisation parallèle. Ce mécanisme est très similaire au modèle multi-thread de JavaScript des navigateurs modernes, préservant la détermination du comportement du thread principal tout en introduisant un mécanisme de planification haute performance en arrière-plan.

Dans un certain sens, Monad et MegaETH représentent non seulement deux manières d'implémenter des chemins technologiques parallèles, mais aussi une confrontation classique entre les "reconstructeurs" et les "compatibilistes" dans le développement de la blockchain : le premier cherche à réaliser une rupture de paradigme, reconstruisant toute la logique de la gestion d'état, de la machine virtuelle jusqu'à la couche inférieure, pour atteindre une performance extrême et une plasticité architecturale ; le second vise une optimisation progressive, poussant les systèmes traditionnels à leurs limites tout en respectant les contraintes de l'écosystème existant, afin de minimiser au maximum les coûts de migration. Les deux n'ont pas d'absolue supériorité, mais servent différentes communautés de développeurs et visions écologiques. Monad est plus adapté pour construire de nouveaux systèmes de zéro, visant un débit maximal pour des jeux blockchain, des agents AI et des chaînes d'exécution modulaires ; tandis que MegaETH est plus adapté pour les projets L2, DeFi et protocoles d'infrastructure qui souhaitent réaliser une mise à niveau de performance avec le minimum de changements de développement.

Ils ressemblent à un train à grande vitesse sur une toute nouvelle piste,