Académie de croissance Huobi| Rapport de recherche approfondi sur le calcul parallèle Web3 : la voie ultime vers la mise à l’échelle native

1. Introduction : La mise à l’échelle est une proposition éternelle, et le parallélisme est le champ de bataille ultime

Depuis la naissance du Bitcoin, le système blockchain a toujours été confronté à un problème fondamental inévitable : la mise à l’échelle. Bitcoin traite moins de 10 transactions par seconde, et Ethereum a du mal à franchir le goulot d’étranglement des performances de dizaines de TPS (transactions par seconde), ce qui est particulièrement lourd dans le monde traditionnel du Web2, qui est souvent de dizaines de milliers de TPS. Plus important encore, il ne s’agit pas d’un problème simple qui peut être résolu en « ajoutant des serveurs », mais d’une limitation systémique profondément ancrée dans le consensus sous-jacent et la conception structurelle de la blockchain – c’est-à-dire le triangle impossible de la blockchain où « décentralisation, sécurité et évolutivité » ne peuvent pas être combinées.

Au cours de la dernière décennie, nous avons assisté à d’innombrables tentatives d’expansion. De la guerre de mise à l’échelle du Bitcoin à la vision du sharding Ethereum, des canaux d’état et du plasma aux rollups et blockchains modulaires, de l’exécution hors chaîne dans la couche 2 au refactoring structurel de la disponibilité des données, l’ensemble de l’industrie s’est engagée sur une voie de mise à l’échelle pleine d’imagination d’ingénierie. En tant que paradigme de mise à l’échelle le plus largement accepté, le rollup a atteint l’objectif d’augmenter considérablement le TPS tout en réduisant la charge d’exécution de la chaîne principale et en préservant la sécurité d’Ethereum. Mais cela ne touche pas aux limites réelles de la « performance d’une seule chaîne » sous-jacente de la blockchain, en particulier au niveau de l’exécution, qui est le débit du bloc lui-même – est encore limité par l’ancien paradigme de traitement du calcul en série on-chain.

Pour cette raison, le calcul parallèle en chaîne est progressivement entré dans le champ de vision de l’industrie. Différent de la mise à l’échelle hors chaîne et de la distribution inter-chaînes, le parallélisme intra-chaîne tente de reconstruire complètement le moteur d’exécution tout en conservant l’atomicité et la structure intégrée d’une seule chaîne, et met à niveau la blockchain d’un mode monothread d'« exécution en série d’une transaction par une » à un système informatique à haute concurrence de « multi-threading + pipeline + ordonnancement des dépendances » sous la direction d’un système d’exploitation moderne et d’une conception CPU. Une telle voie peut non seulement permettre de multiplier par cent le débit, mais aussi devenir une condition préalable clé à l’explosion des applications de contrats intelligents.

En fait, dans le paradigme informatique Web2, l’informatique monothread a longtemps été éliminée par les architectures matérielles modernes et remplacée par un flux sans fin de modèles d’optimisation tels que la programmation parallèle, l’ordonnancement asynchrone, les pools de threads et les microservices. La blockchain, en tant que système informatique plus primitif et conservateur avec des exigences extrêmement élevées en matière de certitude et de vérifiabilité, n’a jamais été en mesure d’utiliser pleinement ces idées de calcul parallèle. Il s’agit à la fois d’une limitation et d’une opportunité. De nouvelles chaînes telles que Solana, Sui et Aptos sont les premières à commencer cette exploration en introduisant le parallélisme au niveau architectural. Des projets émergents tels que Monad et MegaETH ont encore élevé le parallélisme on-chain à des percées dans des mécanismes profonds tels que l’exécution de pipelines, la concurrence optimiste et les messages asynchrones, montrant des caractéristiques qui se rapprochent de plus en plus des systèmes d’exploitation modernes.

On peut dire que le calcul parallèle n’est pas seulement une « méthode d’optimisation des performances », mais aussi un tournant dans le paradigme du modèle d’exécution blockchain. Il remet en question les modèles fondamentaux de l’exécution des contrats intelligents et redéfinit la logique de base de l’empaquetage des transactions, de l’accès à l’état, des relations d’appel et de la disposition du stockage. Si le rollup consiste à « déplacer les transactions vers l’exécution hors chaîne », alors le parallélisme sur la chaîne consiste à « construire des cœurs de supercalcul sur la chaîne », et son objectif n’est pas simplement d’améliorer le débit, mais de fournir un support d’infrastructure véritablement durable pour les futures applications natives du Web3 (trading à haute fréquence, moteurs de jeu, exécution de modèles d’IA, réseaux sociaux sur la chaîne, etc.).

Après que la piste de rollup ait progressivement tendance à être homogène, le parallélisme intra-chaîne devient tranquillement la variable décisive du nouveau cycle de compétition de la couche 1. La performance n’est plus seulement « plus rapide », mais la possibilité de pouvoir prendre en charge tout un monde d’applications hétérogène. Il ne s’agit pas seulement d’une course technique, mais aussi d’une bataille de paradigmes. La prochaine génération de plateformes d’exécution souveraines dans le monde du Web3 est susceptible d’émerger de cette lutte parallèle intra-chaîne.

2. Panorama du paradigme de l’expansion :

En tant que l’un des sujets les plus importants, durables et difficiles dans l’évolution de la technologie de la chaîne publique, cinq types de routes, chacune avec son propre objectif d’expansion, ont donné naissance à l’émergence et à l’évolution de presque toutes les voies technologiques grand public au cours de la dernière décennie. Partant de la bataille sur la taille du bloc de Bitcoin, cette compétition technique sur « comment faire courir la chaîne plus vite » s’est finalement divisée en cinq itinéraires de base, chacun d’entre eux réduisant le goulot d’étranglement sous un angle différent, avec sa propre philosophie technique, sa difficulté d’atterrissage, son modèle de risque et ses scénarios applicables.

la première route est la mise à l’échelle on-chain la plus simple, qui représente des moyens d’augmenter la taille des blocs, de raccourcir le temps des blocs ou d’améliorer la puissance de traitement en optimisant la structure des données et le mécanisme de consensus. Cette approche a été au centre du débat sur la mise à l’échelle de Bitcoin, donnant naissance à des forks de « gros blocs » tels que BCH et BSV, et influençant également les idées de conception des premières chaînes publiques haute performance telles que EOS et NEO. L’avantage de ce type de route est qu’il conserve la simplicité de la cohérence d’une seule chaîne, qui est facile à comprendre et à déployer, mais il est également très facile de toucher la limite supérieure systémique telle que le risque de centralisation, l’augmentation des coûts d’exploitation des nœuds et l’augmentation de la difficulté de synchronisation, de sorte qu’elle n’est plus la solution de base principale dans la conception actuelle, mais est devenue davantage une colocation auxiliaire d’autres mécanismes.

Le deuxième type de route est la mise à l’échelle hors chaîne, qui est représentée par des canaux d’état et des chaînes latérales. L’idée de base de ce type de chemin est de déplacer la majeure partie de l’activité de transaction hors de la chaîne, et d’écrire uniquement le résultat final dans la chaîne principale, qui agit comme la couche de règlement finale. En termes de philosophie technique, il est proche de l’architecture asynchrone du Web2 - essayez de laisser le traitement des transactions lourdes à la périphérie, et la chaîne principale effectue une vérification de confiance minimale. Bien que cette idée puisse théoriquement être évolutive à l’infini, le modèle de confiance, la sécurité des fonds et la complexité de l’interaction des transactions hors chaîne limitent son application. Par exemple, bien que Lightning Network ait un positionnement clair des scénarios financiers, l’échelle de l’écosystème n’a jamais explosé. Cependant, plusieurs conceptions basées sur la sidechain, telles que Polygon POS, ont non seulement un débit élevé, mais exposent également les inconvénients de l’héritage difficile de la sécurité de la chaîne principale.

Le troisième type d’itinéraire est l’itinéraire de rollup de couche 2 le plus populaire et le plus largement déployé. Cette méthode ne modifie pas directement la chaîne principale elle-même, mais s’adapte grâce au mécanisme d’exécution hors chaîne et de vérification sur la chaîne. Optimistic Rollup et ZK Rollup ont leurs propres avantages : le premier est rapide à mettre en œuvre et hautement compatible, mais il présente les problèmes de délai de période de défi et de mécanisme de protection contre la fraude ; Ce dernier dispose d’une sécurité solide et de bonnes capacités de compression de données, mais il est complexe à développer et manque de compatibilité EVM. Quel que soit le type de rollup, son essence est d’externaliser la puissance d’exécution, tout en conservant les données et la vérification sur la chaîne principale, en atteignant un équilibre relatif entre décentralisation et haute performance. La croissance rapide de projets tels qu’Arbitrum, Optimism, zkSync et StarkNet prouve la faisabilité de cette voie, mais elle expose également des goulets d’étranglement à moyen terme tels qu’une dépendance excessive à l’égard de la disponibilité des données (DA), des coûts élevés et une expérience de développement fragmentée.

Le quatrième type de route est l’architecture blockchain modulaire qui a émergé ces dernières années, comme Celestia, Avail, EigenLayer, etc. Le paradigme modulaire préconise le découplage complet des fonctions de base de la blockchain - exécution, consensus, disponibilité des données et règlement - par plusieurs chaînes spécialisées pour compléter différentes fonctions, puis les combiner dans un réseau évolutif avec un protocole inter-chaînes. Cette orientation est fortement influencée par l’architecture modulaire du système d’exploitation et le concept de composabilité du cloud computing, qui présente l’avantage de pouvoir remplacer de manière flexible les composants du système et d’améliorer considérablement l’efficacité dans des domaines spécifiques tels que l’AD. Cependant, les défis sont également très évidents : le coût de la synchronisation, de la vérification et de la confiance mutuelle entre les systèmes après le découplage des modules est extrêmement élevé, l’écosystème des développeurs est extrêmement fragmenté et les exigences en matière de normes de protocole à moyen et long terme et de sécurité inter-chaînes sont beaucoup plus élevées que celles de la conception traditionnelle de la chaîne. En substance, ce modèle ne construit plus une « chaîne », mais un « réseau de chaînes », qui met en avant un seuil sans précédent pour la compréhension de l’architecture globale, l’exploitation et la maintenance.

Le dernier type de route, qui fait l’objet de l’analyse ultérieure dans cet article, est la voie d’optimisation du calcul parallèle intra-chaîne. Contrairement aux quatre premiers types de « découpage horizontal », qui effectuent principalement un « découpage horizontal » à partir du niveau structurel, le calcul parallèle met l’accent sur le « nivellement vertical », c’est-à-dire que le traitement simultané des transactions atomiques est réalisé en modifiant l’architecture du moteur d’exécution au sein d’une seule chaîne. Cela nécessite de réécrire la logique de planification des machines virtuelles et d’introduire un ensemble complet de mécanismes de planification de système informatique modernes, tels que l’analyse des dépendances de transaction, la prédiction des conflits d’état, le contrôle du parallélisme et les appels asynchrones. Solana est le premier projet à implémenter le concept de VM parallèle dans un système au niveau de la chaîne, qui réalise une exécution parallèle multicœur par le biais d’un jugement de conflit de transaction basé sur le modèle de compte. La nouvelle génération de projets, tels que Monad, Sei, Fuel, MegaETH, etc., tente en outre d’introduire des idées de pointe telles que l’exécution de pipelines, la concurrence optimiste, le partitionnement du stockage et le découplage parallèle pour construire des cœurs d’exécution hautes performances similaires aux processeurs modernes. Le principal avantage de cette direction est qu’elle n’a pas besoin de s’appuyer sur l’architecture multi-chaînes pour réaliser une percée dans la limite de débit, et en même temps offre une flexibilité de calcul suffisante pour l’exécution de contrats intelligents complexes, ce qui est une condition technique préalable importante pour les scénarios d’application futurs tels que l’agent d’IA, les jeux en chaîne à grande échelle et les dérivés à haute fréquence.

En examinant les cinq types de chemins de mise à l’échelle ci-dessus, la division qui les sous-tend est en fait le compromis systématique entre les performances, la composabilité, la sécurité et la complexité du développement de la blockchain. Le rollup est fort en matière d’externalisation consensuelle et d’héritage sécurisé, la modularité met en évidence la flexibilité structurelle et la réutilisation des composants, la mise à l’échelle hors chaîne tente de briser le goulot d’étranglement de la chaîne principale, mais le coût de confiance est élevé, et le parallélisme intra-chaîne se concentre sur la mise à niveau fondamentale de la couche d’exécution, en essayant d’approcher la limite de performance des systèmes distribués modernes sans détruire la cohérence de la chaîne. Il est impossible pour chaque voie de résoudre tous les problèmes, mais ce sont ces directions qui, ensemble, forment un panorama de la mise à niveau du paradigme informatique Web3, et fournissent également aux développeurs, aux architectes et aux investisseurs des options stratégiques extrêmement riches.

Tout comme le système d’exploitation est passé d’un monocœur à un multicœur et que les bases de données sont passées d’index séquentiels à des transactions simultanées, l’expansion du Web3 finira par s’orienter vers une ère d’exécution hautement parallèle. À notre époque, la performance n’est plus seulement une course à la vitesse en chaîne, mais une incarnation complète de la philosophie de conception sous-jacente, de la compréhension approfondie de l’architecture, de la collaboration logicielle et matérielle et du contrôle du système. Et le parallélisme intra-chaîne pourrait être le champ de bataille ultime de cette guerre à long terme.

3. Graphique de classification de l’informatique parallèle : cinq chemins de l’explication à l’instructionDans

le contexte de l’évolution continue de la technologie de mise à l’échelle de la blockchain, l’informatique parallèle est progressivement devenue la voie principale des percées en matière de performances. Différent du découplage horizontal de la couche structure, de la couche réseau ou de la couche de disponibilité des données, le calcul parallèle est un minage profond au niveau de la couche d’exécution, qui est lié à la logique la plus basse de l’efficacité opérationnelle de la blockchain, et détermine la vitesse de réponse et la capacité de traitement d’un système blockchain face à une concurrence élevée et à des transactions complexes de plusieurs types. En partant du modèle d’exécution et en examinant le développement de cette lignée technologique, nous pouvons établir une carte de classification claire du calcul parallèle, qui peut être grossièrement divisée en cinq chemins techniques : parallélisme au niveau du compte, parallélisme au niveau de l’objet, parallélisme au niveau de la transaction, parallélisme au niveau de la machine virtuelle et parallélisme au niveau de l’instruction. Ces cinq types de chemins, du plus grossier au plus fin, ne sont pas seulement le processus de raffinement continu de la logique parallèle, mais aussi le chemin de la complexité croissante du système et de la difficulté de planification.