Глибокий звіт про паралельні обчислення Web3: остаточний шлях до нативного масштабування

I. Вступ: Розширення - це вічна тема, паралелізм - це остаточне поле бою

Блокчейн-системи з моменту свого виникнення стикаються з основною проблемою масштабування. Продуктивність біткойна та ефіріуму важко подолати, і вона значно нижча за традиційні системи Web2. Це не просте питання додавання апаратного забезпечення, а викликане системними обмеженнями в основному дизайні блокчейну.

Протягом останніх десяти років галузь випробовувала різні шляхи розширення. Від суперечок щодо розширення Bitcoin до шардінгу Ethereum, від каналів стану до Rollup і модульних блокчейнів, технології розширення постійно розвиваються. Rollup, як поточне основне рішення, підвищує продуктивність, зберігаючи при цьому безпеку основного ланцюга. Але він не торкається справжнього максимуму "одноланцюгової продуктивності" на базовому рівні блокчейну, особливо рівень виконання все ще обмежений послідовною обчислювальною моделлю.

Отже, внутрішні паралельні обчислення поступово входять у поле зору галузі. Вони намагаються повністю реконструювати виконавчий движок, зберігаючи атомарність одночасного ланцюга, щоб оновити блокчейн до системи з високою пропускною здатністю обчислень. Це може не лише призвести до збільшення пропускної здатності в сотні разів, а й стати ключовою передумовою для вибухового зростання застосувань смарт-контрактів.

Насправді, обчислення в одному потоці вже вийшли з вжитку в сфері Web2, їх замінили оптимізаційні моделі, такі як паралельне програмування та асинхронне планування. А блокчейн, як більш первісна система обчислень, що вимагає більшої визначеності, завжди не зміг повністю використати ці паралельні ідеї. Це водночас є обмеженням і можливістю. Нове покоління публічних блокчейнів та проектів активно досліджує цю сферу, намагаючись привести модель виконання блокчейну до парадигми сучасних операційних систем.

Можна сказати, що паралельні обчислення є не лише засобом оптимізації продуктивності, а й поворотним моментом у моделі виконання блокчейну. Вони ставлять під сумнів основну модель виконання смарт-контрактів, переосмислюючи базову логіку обробки транзакцій. Їхня мета полягає в тому, щоб забезпечити справжню стійку інфраструктуру для майбутніх нативних додатків Web3.

Після того, як на арені Rollup сталося зближення, внутрішня паралельність стає ключовою в конкуренції Layer1 нового циклу. Це не лише технологічна гонка, а й боротьба парадигм. Наступне покоління суверенної виконавчої платформи світу Web3, ймовірно, виникне з цієї боротьби внутрішньої паралельності.

Два. Загальний огляд парадигм розширення: п'ять типів маршрутів, кожен з яких має свої акценти

Масштабування, як одна з найважливіших тем еволюції технології публічних блокчейнів, стало причиною появи практично всіх основних технологічних шляхів за останнє десятиліття. Ця технологічна гонка з приводу "як змусити ланцюг працювати швидше" врешті-решт розділилася на п'ять основних напрямків, кожен з яких підходить до вузького місця з різних сторін, має свою технічну філософію, складність реалізації, ризикову модель та відповідні сценарії використання.

Перший тип - це найбільш пряме розширення ланцюга, наприклад, збільшення розміру блоку, скорочення часу виготовлення блоку тощо. Цей підхід зберігає простоту одноланцюгової узгодженості, але легко стикається з ризиками централізації та зростанням витрат на вузли, що є системними обмеженнями, і наразі вже не є основним ключовим рішенням.

Другий тип - це розширення поза ланцюгом, представлене каналами стану та бічними ланцюгами. Цей шлях дозволяє перемістити більшість торгових активностей поза ланцюгом, записуючи лише остаточні результати в основний ланцюг. Хоча теоретично це може безмежно розширювати пропускну спроможність, проблеми з моделлю довіри та безпекою поза ланцюгових транзакцій обмежують його застосування.

Третій тип - це наразі найпопулярніший маршрут Layer2 Rollup. Він реалізує масштабування за рахунок механізму виконання поза ланцюгом та перевірки в ланцюзі, досягаючи балансу між децентралізацією та високою продуктивністю. Але також виявляє надмірну залежність від доступності даних та все ще високі витрати, що є середньостроковими перешкодами.

Четвертий тип - це модульна архітектура блокчейну, яка виникла в останні роки. Вона повністю декомпозує основні функції блокчейну, виконуючи різні функції за допомогою кількох спеціалізованих ланцюгів. Цей напрямок дозволяє гнучко замінювати системні компоненти, але висуває дуже високі вимоги до безпеки між ланцюгами та стандартів протоколів.

Останній тип - це оптимізація шляхів паралельних обчислень у межах ланцюга. Він підкреслює зміну архітектури виконавчого механізму всередині одного ланцюга для реалізації паралельної обробки атомарних транзакцій. Цей напрямок не потребує залежності від багатоланцюгової архітектури для подолання меж продуктивності, є важливою технічною передумовою для складних застосунків майбутнього.

Огляд цих п'яти категорій шляхів показує, що за ними стоять системні компроміси між продуктивністю, комбінованістю, безпекою та складністю розробки в блокчейні. Кожен шлях має свої переваги та недоліки, які разом формують панораму оновлення обчислювальної парадигми Web3, надаючи галузі різноманітні стратегічні варіанти.

Як в історії операційних систем від одноядерних до багатоядерних, так і шлях розширення Web3 перейде до ери високої паралельності виконання. У цю епоху продуктивність більше не є просто змаганням швидкості ланцюга, а є комплексним відображенням основної філософії дизайну та системної контролю. Паралельність всередині ланцюга, можливо, є остаточним полем битви цієї тривалої війни.

Три. Класифікаційна карта паралельних обчислень: п'ять основних шляхів від рахунку до інструкції

У контексті постійного розвитку технологій масштабування блокчейну, паралельні обчислення поступово стають основним шляхом досягнення високої продуктивності. Виходячи з моделі виконання, ми можемо скласти чітку класифікацію паралельних обчислень, яка в основному поділяється на п'ять технологічних шляхів: паралельність на рівні рахунків, паралельність на рівні об'єктів, паралельність на рівні транзакцій, паралельність на рівні віртуальної машини та паралельність на рівні інструкцій. Ці п'ять шляхів, від грубої до тонкої градації, є не лише процесом постійного уточнення паралельної логіки, але й шляхом, що свідчить про зростання складності системи та труднощів у плануванні.

Найперше з'явилася рівнева паралельність на рівні облікового запису, представлена Solana. Ця модель базується на роздільному дизайні облікового запису-стану, через статичний аналіз набору облікових записів, що беруть участь у транзакції, визначається, чи існує конфліктна залежність. Цей механізм підходить для обробки чітко структурованих транзакцій, але при зіткненні з складними смарт-контрактами може виникнути проблема зниження паралелізму.

Об'єктний рівень паралелізму далі уточнюється, вводячи семантичну абстракцію ресурсів і модулів. Aptos та Sui є важливими дослідниками в цьому напрямку, особливо Sui через лінійну типову систему мови Move, що дозволяє точний контроль доступу до ресурсів під час виконання. Цей підхід є більш універсальним та масштабованим, але також вводить вищий мовний бар'єр та складність розробки.

Паралелізм на рівні транзакцій є напрямком, який досліджують нові покоління високопродуктивних ланцюгів, представлені такими проектами, як Monad, Sei, Fuel. Цей шлях зосереджений на побудові графа залежностей навколо самих транзакцій, шляхом статичного або динамічного аналізу для створення графа транзакцій, та залежить від планувальника для виконання паралельних конвеєрних операцій. Ця механіка вимагає надзвичайно складного менеджера залежностей та детектора конфліктів, але її потенційна пропускна спроможність значно перевищує модель рахунків або об'єктів.

Віртуальна машина рівня паралелізму безпосередньо вбудовує здатність до паралельного виконання в логіку розподілу команд на рівні VM. MegaETH, як "супервіртуальна машина експерименту" в рамках екосистеми Ethereum, намагається підтримувати багатопоточне паралельне виконання коду смарт-контрактів шляхом повторного проєктування EVM. Найскладнішим аспектом цього підходу є необхідність повної сумісності з семантикою поведінки існуючого EVM, одночасно реформуючи все середовище виконання та механізм Gas.

Останній тип шляху - це паралелізм на рівні інструкцій. Ідея походить з сучасного дизайну ЦПУ, зокрема з вимушеного виконання та конвеєризації інструкцій. Команда Fuel вже на початковому етапі впровадила модель виконання з можливістю перетворення інструкцій у своєму FuelVM. У довгостроковій перспективі, як тільки механізм виконання блокчейну реалізує прогностичне виконання залежностей інструкцій та динамічну перетасовку, його паралелізм досягне теоретичного максимуму.

Отже, облікові записи, об'єкти, транзакції, віртуальні машини та інструкції складають п'ять основних шляхів розвитку спектра паралельних обчислень у межах блокчейну. Від статичних структур даних до динамічних механізмів планування, від прогнозування доступу до стану до перепорядкування на рівні інструкцій, кожен крок паралельних технологій означає значне підвищення складності системи та порогу розробки. Але водночас вони також означають зміни парадигми обчислювальної моделі блокчейну, від традиційного консолідованого реєстру з повною послідовністю до високопродуктивного, передбачуваного та планованого середовища розподіленого виконання. Вибір паралельних шляхів різних публічних блокчейнів визначить верхню межу їхньої майбутньої екосистеми застосувань, а також їхню основну конкурентоспроможність у таких сферах, як AI Agent, блокчейн-ігри та високоінтенсивна торгівля в блокчейні.

Чотири, глибоке роз'яснення двох основних напрямків: Monad проти MegaETH

У багатьох шляхах еволюції паралельних обчислень, на даний момент ринок зосереджений на двох основних технічних маршрутах: "паралельний обчислювальний ланцюг з нуля на базі Monad" та "внутрішня паралельна революція EVM на базі MegaETH". Ці два напрямки не лише є найбільш інтенсивно досліджуваними напрямками для інженерів криптопроєктів, але й символізують дві найбільш визначені полярності у змаганні за продуктивність Web3. Вони представляють собою змагання між "реконструктивізмом" та "сумісництвом" у паралельній парадигмі, що глибоко впливає на уявлення ринку про остаточну форму високопродуктивного ланцюга.

Monad є абсолютним "обчислювальним ортодоксом", чия проектна філософія не спрямована на сумісність з існуючими EVM, а черпає натхнення з сучасних баз даних та високопродуктивних багатоядерних систем, щоб переосмислити основний спосіб роботи виконувального двигуна блокчейну. Його основна технологічна система базується на оптимістичному управлінні конкурентністю, транзакційному DAG-розподілі, дезорганізованому виконанні, пакетній обробці та інших зрілих механізмах з області баз даних, з метою підвищити продуктивність обробки транзакцій ланцюга до мільйона TPS. У архітектурі Monad виконання та сортування транзакцій повністю розділені, система спочатку будує граф залежностей транзакцій, а потім передає його планувальнику для паралельного виконання. Цей механізм з технічної точки зору є вкрай складним, оскільки вимагає створення стеку виконання, подібного до сучасного менеджера транзакцій бази даних, але теоретично здатний підвищити межу пропускної спроможності до рівня, який нинішній блокчейн ще не уявляв.

А ще більш важливо, що Monad не відмовилася від взаємодії з EVM. Вона підтримує розробників у написанні контрактів за допомогою синтаксису Solidity через проміжний шар, схожий на "Solidity-Compatible Intermediate Language", одночасно оптимізуючи проміжну мову та виконуючи паралельне планування в рушії виконання. Ця стратегія дизайну "поверхнева сумісність, глибока реконструкція" дозволяє зберегти дружність до розробників екосистеми Ethereum, а також максимально вивільнити потенціал базового виконання, що є типовою технічною стратегією "проковтнути EVM, а потім реконструювати його".

На відміну від позиції "будівельника нового світу" Monad, MegaETH вибирає стартувати з існуючого світу Ethereum, досягаючи значного підвищення ефективності виконання з мінімальними витратами на зміни. MegaETH не скасовує специфікацію EVM, а прагне впровадити можливості паралельних обчислень у існуючий виконавчий механізм EVM, створюючи майбутню версію "мульти-ядерного EVM". Основний принцип полягає в повному перепроектуванні моделі виконання інструкцій EVM, щоб вона мала можливості ізоляції на рівні потоків, асинхронного виконання на рівні контрактів, виявлення конфліктів доступу до стану тощо, що дозволяє кільком смарт-контрактам одночасно працювати в одному блоці та в кінцевому рахунку об'єднувати зміни стану. Цей шлях "консервативної революції" є надзвичайно привабливим, особливо для екосистеми Ethereum L2, адже він пропонує ідеальний шлях без потреби в міграції синтаксису та безболісного оновлення продуктивності.

Основний прорив MegaETH полягає у його механізмі багатопотокового планування VM. Традиційний EVM використовує стековий однопотоковий модель виконання, де кожна команда виконується лінійно, а оновлення стану повинні відбуватися синхронно. MegaETH порушує цю модель, вводячи асинхронний виклик стеку і механізм ізоляції контексту виконання, що дозволяє реалізувати "конкурентний контекст EVM" для одночасного виконання. Кожен контракт може викликати свою логіку в незалежному потоці, а всі потоки під час фінального подання стану здійснюють перевірку конфліктів і згортання через паралельний синхронний шар. Цей механізм дуже схожий на багатопоточну модель JavaScript у сучасних браузерах, зберігаючи при цьому детерміновану поведінку основного потоку і вводячи високопродуктивний механізм планування в фоновому режимі.

В певному сенсі, Monad і MegaETH - це два шляхи, які представляють не лише дві реалізації паралельних технологічних шляхів, а й класичний конфлікт між "реформаторами" та "сумісниками" в розвитку блокчейну: перші прагнуть до парадигмального прориву, перебудовуючи всю логіку від віртуальної машини до управління базовим станом, щоб досягти крайніх показників продуктивності та гнучкості архітектури; другі прагнуть до прогресивної оптимізації, намагаючись максимізувати традиційні системи в межах існуючих екологічних обмежень, щоб зменшити витрати на міграцію. Обидва підходи не мають абсолютних переваг, а служать різним групам розробників та екологічним баченням. Monad більше підходить для створення нових систем з нуля, для досягнення максимальної пропускної здатності в іграх на блокчейні, AI-агентах та модульних виконавчих ланцюгах; тоді як MegaETH більше підходить для L2 проектів, DeFi проектів та інфраструктурних протоколів, які прагнуть досягти підвищення продуктивності з мінімальними змінами в розробці.

Вони схожі на швидкісні поїзди на абсолютно новій трасі,