Исследовательский отчет о глубине параллельных вычислений Web3: окончательный путь нативного масштабирования

Один. Введение: Масштабирование – это вечная тема, параллельность – конечное поле битвы

С момента своего появления блокчейн-системы сталкиваются с основной проблемой масштабируемости. Производительность Биткойна и Эфириума трудно преодолеть, она значительно ниже, чем у традиционных систем Web2. Это не просто вопрос увеличения аппаратных средств, а связано с системными ограничениями в базовом дизайне блокчейна.

За последние десять лет отрасль попробовала различные пути масштабирования. От споров о масштабировании биткойна до шардирования эфира, от канала состояния до Rollup и модульных блокчейнов, технологии масштабирования постоянно развиваются. Rollup, будучи текущим основным решением, улучшает производительность, сохраняя при этом безопасность основной цепи. Однако это не затрагивает истинный предел "одиночной цепи" на уровне блокчейна, особенно на уровне выполнения, который по-прежнему ограничен последовательной моделью вычислений.

Таким образом, параллельные вычисления в блокчейне постепенно выходят на передний план в отрасли. Они пытаются полностью переосмыслить исполнительный движок, сохраняя атомарность одной цепи, и обновить блокчейн до системы высокопроизводительных вычислений. Это может не только привести к увеличению пропускной способности в сотни раз, но также стать ключевым условием для взрыва применения смарт-контрактов.

На самом деле однопоточные вычисления в области Web2 уже устарели, их заменили оптимизационные модели, такие как параллельное программирование и асинхронное планирование. В то время как блокчейн, будучи более примитивной вычислительной системой с более высокими требованиями к детерминизму, так и не смог в полной мере использовать эти параллельные идеи. Это как ограничение, так и возможность. Новое поколение публичных цепей и проектов активно исследует эту область, стремясь продвинуть модель выполнения блокчейна к парадигме современных операционных систем.

Можно сказать, что параллельные вычисления не только средство оптимизации производительности, но и точка поворота в модели исполнения блокчейна. Они ставят под сомнение основную модель исполнения смарт-контрактов, переопределяя основную логику обработки транзакций. Их цель — обеспечить действительно устойчивую инфраструктурную поддержку для будущих нативных приложений Web3.

После схождения на пути Rollup, параллельная работа в цепочке становится ключевым элементом нового цикла конкуренции Layer1. Это не только техническая гонка, но и борьба парадигм. Следующая поколение суверенной платформы исполнения в мире Web3, вероятно, появится именно из этой борьбы параллельной работы в цепочке.

Два. Панорама парадигмы масштабирования: пять типов маршрутов, каждый с акцентом

Масштабирование, как одна из самых важных тем в эволюции технологий публичных цепочек, стало причиной появления почти всех основных технологических путей за последние десять лет. Этот технологический конкурс о том, "как заставить цепочку работать быстрее", в конечном итоге разделился на пять основных направлений, каждое из которых подходит к узким местам с разных углов, имеет свою собственную техническую философию, сложность реализации, модель рисков и подходящие сценарии.

Первый тип - это самый прямой способ масштабирования на цепочке, такой как увеличение размера блока, сокращение времени между блоками и т.д. Этот подход сохраняет простоту согласованности в рамках одной цепи, но легко сталкивается с рисками централизации и ростом затрат на узлы, что создает системные пределы, и в настоящее время больше не является основной ключевой схемой.

Второй тип — это расширение вне цепи, представленное каналами состояния и побочными цепями. Этот путь перемещает большую часть транзакционной активности вне цепи, записывая только конечный результат в основную цепь. Хотя теоретически можно бесконечно увеличивать пропускную способность, модели доверия и вопросы безопасности внецепочечных транзакций ограничивают их применение.

Третий тип - это наиболее популярный на сегодняшний день маршрут Layer2 Rollup. Он реализует масштабирование через механизм выполнения вне цепи и верификации на цепи, достигая баланса между децентрализацией и высокой производительностью. Однако это также выявляет сильную зависимость от доступности данных и все еще высокие расходы, что является среднесрочной проблемой.

Четвертый тип – это модульная архитектура блокчейна, которая появилась в последние годы. Она полностью декомпозирует основные функции блокчейна, позволяя различным специализированным цепочкам выполнять разные функции. Это направление позволяет гибко заменять компоненты системы, но предъявляет очень высокие требования к безопасности межцепочечных взаимодействий и стандартам протоколов.

Последний тип — это оптимизация пути паралл计算ания внутри цепочки. Он акцентирует внимание на изменении архитектуры исполняющего движка внутри одной цепочки, чтобы обеспечить конкурентную обработку атомарных транзакций. Это направление не требует зависимости от многосетевой архитектуры для преодоления пределов производительности и является важным техническим условием для будущих сложных сценариев применения.

Обобщая эти пять типов путей, за ними стоит системный баланс между производительностью, совместимостью, безопасностью и сложностью разработки в блокчейне. Каждый путь имеет свои плюсы и минусы, которые вместе формируют панораму обновления вычислительной парадигмы Web3, предоставляя отрасли богатый выбор стратегий.

Как в истории операционных систем произошел переход от одноядерных к многоядерным, так и путь масштабирования Web3 будет двигаться к эпохе高度 параллельного выполнения. В эту эпоху производительность уже не просто соревнование по скорости цепи, а комплексное проявление философии базового дизайна и системного контроля. Параллельность в цепи может стать конечным полем битвы этой долгосрочной войны.

Три. Классификация параллельных вычислений: пять основных путей от аккаунта до инструкции

В контексте постоянной эволюции технологий масштабирования блокчейна, параллельные вычисления постепенно становятся основным путем для достижения высокой производительности. Исходя из модели выполнения, мы можем составить четкую классификацию параллельных вычислений, которая делится на пять технологических направлений: параллелизм на уровне аккаунтов, параллелизм на уровне объектов, параллелизм на уровне транзакций, параллелизм на уровне виртуальных машин и параллелизм на уровне инструкций. Эти пять категорий направлений от грубой гранулярности к тонкой гранулярности представляют собой как процесс постоянной детализации параллельной логики, так и путь, по которому системная сложность и трудность планирования постоянно возрастают.

Самая ранняя учетная параллель, представленная Solana. Эта модель основана на декомпозиции учетных записей и состояния, через статический анализ набора учетных записей, вовлеченных в транзакцию, для определения наличия конфликтных отношений. Этот механизм подходит для обработки четко структурированных транзакций, но при работе со сложными смарт-контрактами возникает проблема снижения параллелизма.

Объектно-ориентированное параллелизм далее уточняется, вводя семантическую абстракцию ресурсов и модулей. Aptos и Sui являются важными исследователями в этом направлении, особенно Sui, который через линейную типовую систему языка Move позволяет точно контролировать конфликты доступа к ресурсам во время выполнения. Такой подход более универсален и масштабируем, но также вводит более высокие языковые барьеры и сложность разработки.

Уровень параллелизма транзакций — это направление, которое исследуется новым поколением высокопроизводительных цепей, представленным Monad, Sei и Fuel. Этот путь основан на построении графа зависимостей вокруг самой транзакции, с помощью статического или динамического анализа для построения графа транзакций, и зависит от планировщика для выполнения параллельных потоков. Этот механизм требует чрезвычайно сложного менеджера зависимостей и детектора конфликтов, но его потенциальная пропускная способность значительно превышает модель аккаунтов или объектов.

Параллелизм на уровне виртуальной машины встраивает возможности параллельного выполнения непосредственно в логику планирования инструкций на уровне VM. MegaETH, как "супер виртуальная машина эксперимент" внутри экосистемы Ethereum, пытается перепроектировать EVM, чтобы он поддерживал многопоточную параллельную обработку кода смарт-контрактов. Наиболее сложным в этом подходе является полная совместимость с семантикой поведения существующего EVM, одновременно модифицируя всю среду выполнения и механизм Gas.

Последний тип пути - это параллелизм на уровне команд. Его идея основана на выполнении в произвольном порядке и конвейерной обработке команд в современных процессорах. Команда Fuel уже предварительно внедрила модель выполнения с возможностью переупорядочивания команд в своем FuelVM. В долгосрочной перспективе, как только движок выполнения блокчейна реализует предсказуемое выполнение зависимостей команд и динамическое переупорядочивание, его параллелизм достигнет теоретического предела.

Таким образом, аккаунты, объекты, транзакции, виртуальные машины и команды составляют спектр развития параллельных вычислений в блокчейне. От статических структур данных до динамических механизмов планирования, от предсказания доступа к состоянию до перестановки на уровне команд, каждый шаг параллельных технологий означает значительное увеличение сложности системы и порога разработки. Однако одновременно они также знаменуют собой парадигмальный сдвиг в модели вычислений блокчейна, переходя от традиционного последовательного консенсусного реестра к высокопроизводительной, предсказуемой и планируемой распределенной среде выполнения. Выбор параллельных путей различных публичных блокчейнов определит предельные возможности их будущей экосистемы приложений, а также их ключевую конкурентоспособность в таких сценариях, как AI-агенты, блокчейн-игры и высокочастотная торговля на блокчейне.

Четыре, глубокое понимание двух основных направлений: Monad против MegaETH

В многопутевом эволюционном процессе параллельных вычислений, в настоящее время рынок сосредоточен на двух основных технологических маршрутах: "создание параллельной вычислительной цепи с нуля" на основе Monad и "внутренняя параллельная революция EVM" на основе MegaETH. Эти два направления не только являются наиболее интенсивно исследуемыми направлениями разработки среди крипто-программистов, но и символизируют два полюса в соревновании по производительности Web3. Они представляют собой конкуренцию парадигмы "реконструкционизма" и "совместимости", глубоко влияя на представления рынка о конечной форме высокопроизводительных цепей.

Monad является абсолютным "доктринером вычислений", его философия дизайна не направлена на совместимость с существующим EVM, а черпает вдохновение из современных баз данных и высокопроизводительных многопроцессорных систем, чтобы заново определить базовый способ работы движка исполнения блокчейна. Его основная техническая система опирается на оптимистичное управление конкурентностью, планирование транзакций DAG, внеочередное выполнение, пакетную обработку и другие зрелые механизмы из области баз данных, нацеленные на повышение производительности обработки транзакций цепи до миллиона TPS. В архитектуре Monad выполнение и сортировка транзакций полностью декомпозированы, система сначала строит граф зависимостей транзакций, а затем передает его диспетчеру для параллельного выполнения в конвейере. Эта механика на уровне технологий крайне сложна, требует создания стека исполнения, аналогичного современному менеджеру транзакций баз данных, но теоретически может поднять предельную пропускную способность до высот, которые в настоящее время не могли бы представить в цепной экосистеме.

А что более важно, Monad не отказался от взаимной совместимости с EVM. Он поддерживает разработчиков в написании контрактов с использованием синтаксиса Solidity через промежуточный уровень, аналогичный "Solidity-Compatible Intermediate Language", одновременно проводя оптимизацию промежуточного языка и параллельное планирование в исполнительном движке. Эта стратегия дизайна "поверхностная совместимость, глубокая реконструкция" позволяет сохранить дружелюбие к разработчикам экосистемы Ethereum и в то же время максимально раскрыть потенциал базового исполнения, что является типичной технической стратегией "проглотить EVM, а затем реконструировать его".

В отличие от позиции Monad как "строителя нового мира", MegaETH выбирает начать с существующего мира Ethereum, достигая значительного повышения эффективности выполнения с минимальными затратами на изменения. MegaETH не отменяет спецификацию EVM, а стремится внедрить возможности параллельных вычислений в существующий движок выполнения EVM, создавая будущее "многоядерного EVM". Его основной принцип заключается в коренной переработке текущей модели выполнения команд EVM, чтобы обеспечить уровень изоляции потоков, асинхронное выполнение на уровне контрактов, обнаружение конфликтов доступа к состоянию и т. д., что позволяет нескольким смарт-контрактам одновременно выполняться в одном блоке и в конечном итоге объединять изменения состояния. Этот путь "консервативной революции" очень привлекателен, особенно для экосистемы Ethereum L2, поскольку он предлагает идеальный путь без необходимости миграции синтаксиса и безболезненного повышения производительности.

Ключевое преимущество MegaETH состоит в его механизме многопоточной диспетчеризации виртуальной машины (VM). Традиционная виртуальная машина Ethereum (EVM) использует стековую однопоточную модель выполнения, где каждая инструкция выполняется линейно, и обновление состояния должно происходить синхронно. MegaETH разрушает эту модель, вводя асинхронный стек вызовов и механизм изоляции контекста выполнения, что позволяет одновременно выполнять "конкурирующие контексты EVM". Каждый контракт может вызывать свою логику в независимом потоке, а все потоки при окончательной подаче состояния проверяются на конфликты и конвергируются через параллельный синхронизирующий слой. Этот механизм очень похож на многопоточную модель JavaScript современных браузеров, сохраняя детерминированность поведения главного потока и вводя высокопроизводительный механизм фоновой асинхронной диспетчеризации.

В некотором смысле, Monad и MegaETH — это не только два способа реализации параллельных технологических путей, но и классическое противостояние между "реформаторами" и "совместителями" в развитии блокчейна: первые стремятся к парадигмальному прорыву, перестраивая всю логику от виртуальной машины до управления состоянием на низком уровне для достижения предельной производительности и архитектурной пластичности; вторые стремятся к постепенной оптимизации, стремясь максимально использовать существующие экологические ограничения и довести традиционные системы до предела, тем самым минимизируя затраты на миграцию. Оба подхода не имеют абсолютных преимуществ, а служат различным группам разработчиков и экологическим видениям. Monad больше подходит для создания новых систем с нуля, стремящихся к предельной пропускной способности, игровых цепочек, AI-агентов и модульных исполняемых цепочек; в то время как MegaETH больше подходит для тех, кто надеется на повышение производительности с минимальными изменениями в разработке, таких как проекты L2, DeFi и инфраструктурные протоколы.

Они как высокоскоростной поезд на совершенно новой трассе,