Rapporto di ricerca approfondito sul calcolo parallelo Web3: il percorso definitivo verso la scalabilità nativa

1. Introduzione: La scalabilità è una proposta eterna e il parallelismo è il campo di battaglia definitivo

Dalla nascita di Bitcoin, il sistema blockchain ha sempre affrontato un problema fondamentale inevitabile: la scalabilità. Bitcoin elabora meno di 10 transazioni al secondo, ed Ethereum fatica a superare il collo di bottiglia delle prestazioni di decine di TPS (transazioni al secondo), particolarmente ingombrante nel mondo tradizionale del Web2, dove spesso vengono utilizzati decine di migliaia di TPS. Ancora più importante, questo non è un semplice problema che può essere risolto "aggiungendo server", ma una limitazione sistemica profondamente radicata nel consenso sottostante e nel design strutturale della blockchain, ovvero il triangolo impossibile della blockchain in cui "decentralizzazione, sicurezza e scalabilità" non possono essere combinate.

Nell'ultimo decennio, abbiamo assistito a innumerevoli tentativi di espansione in ascesa e in diminuzione. Dalla guerra di scalabilità di Bitcoin alla visione dello sharding di Ethereum, dai canali di stato e plasma ai rollup e alle blockchain modulari, dall'esecuzione off-chain in Layer 2 al refactoring strutturale della disponibilità dei dati, l'intero settore ha intrapreso un percorso di scalabilità pieno di immaginazione ingegneristica. Come paradigma di scalabilità più ampiamente accettato, il rollup ha raggiunto l'obiettivo di aumentare significativamente il TPS, riducendo al contempo l'onere di esecuzione della catena principale e preservando la sicurezza di Ethereum. Ma non tocca i limiti reali delle "prestazioni single-chain" sottostanti alla blockchain, soprattutto a livello di esecuzione, che è il throughput del blocco stesso – è ancora limitato dall'antico paradigma di elaborazione del calcolo seriale on-chain.

Per questo motivo, il calcolo parallelo in-chain è entrato gradualmente nel campo visivo del settore. A differenza della scalabilità off-chain e della distribuzione cross-chain, il parallelismo intra-chain tenta di ricostruire completamente il motore di esecuzione mantenendo l'atomicità a catena singola e la struttura integrata, e aggiorna la blockchain da una modalità a thread singolo di "esecuzione seriale di una transazione per una" a un sistema di calcolo ad alta concorrenza di "multi-threading + pipeline + pianificazione delle dipendenze" sotto la guida del moderno sistema operativo e della progettazione della CPU. Un tale percorso potrebbe non solo ottenere un aumento di cento volte del throughput, ma potrebbe anche diventare un prerequisito chiave per l'esplosione delle applicazioni di smart contract.

Infatti, nel paradigma del Web2 computing, il single-threaded computing è stato da tempo eliminato dalle moderne architetture hardware e sostituito da un flusso infinito di modelli di ottimizzazione come la programmazione parallela, la pianificazione asincrona, i pool di thread e i microservizi. La blockchain, in quanto sistema di calcolo più primitivo e conservativo con requisiti estremamente elevati di certezza e verificabilità, non è mai stata in grado di sfruttare appieno queste idee di calcolo parallelo. Questo è sia un limite che un'opportunità. Nuove catene come Solana, Sui e Aptos sono le prime ad avviare questa esplorazione introducendo il parallelismo a livello architettonico. Progetti emergenti come Monad e MegaETH hanno ulteriormente elevato il parallelismo on-chain a scoperte in meccanismi profondi come l'esecuzione delle pipeline, la concorrenza ottimistica e l'asincrono message-driven, mostrando caratteristiche che si stanno avvicinando sempre di più ai moderni sistemi operativi.

Si può dire che il calcolo parallelo non è solo un "metodo di ottimizzazione delle prestazioni", ma anche un punto di svolta nel paradigma del modello di esecuzione blockchain. Sfida i modelli fondamentali dell'esecuzione degli smart contract e ridefinisce la logica di base del packaging delle transazioni, dell'accesso allo stato, delle relazioni di chiamata e del layout di archiviazione. Se il rollup consiste nel "spostare le transazioni nell'esecuzione off-chain", il parallelismo on-chain consiste nel "costruire core di supercalcolo on-chain" e il suo obiettivo non è semplicemente migliorare il throughput, ma fornire un supporto infrastrutturale veramente sostenibile per le future applicazioni native del Web3 (trading ad alta frequenza, motori di gioco, esecuzione di modelli AI, social on-chain, ecc.).

Dopo che il percorso di rollup tende gradualmente ad essere omogeneo, il parallelismo intra-chain sta silenziosamente diventando la variabile decisiva del nuovo ciclo di competizione Layer 1. Le prestazioni non sono più solo "più veloci", ma la possibilità di poter supportare un intero mondo applicativo eterogeneo. Questa non è solo una gara tecnica, ma anche una battaglia di paradigma. È probabile che la prossima generazione di piattaforme di esecuzione sovrana nel mondo Web3 emerga da questo wrestling parallelo intra-chain.

2. Panorama del paradigma di espansione:

essendo uno degli argomenti più importanti, sostenibili e difficili nell'evoluzione della tecnologia della catena pubblica, cinque tipi di percorsi, ognuno con il proprio focus sull'espansione, hanno dato vita all'emergere e all'evoluzione di quasi tutti i percorsi tecnologici tradizionali nell'ultimo decennio. Partendo dalla battaglia sulla dimensione del blocco di Bitcoin, questa competizione tecnica su "come far correre la catena più veloce" si è infine divisa in cinque percorsi di base, ognuno dei quali taglia il collo di bottiglia da un'angolazione diversa, con la propria filosofia tecnica, difficoltà di atterraggio, modello di rischio e scenari applicabili.

il primo percorso è il più semplice ridimensionamento on-chain, che rappresenta modi per aumentare la dimensione del blocco, accorciare il tempo di blocco o migliorare la potenza di elaborazione ottimizzando la struttura dei dati e il meccanismo di consenso. Questo approccio è stato al centro del dibattito sulla scalabilità di Bitcoin, dando origine a fork di fazione "big block" come BCH e BSV, e influenzando anche le idee di design delle prime chain pubbliche ad alte prestazioni come EOS e NEO. Il vantaggio di questo tipo di percorso è che mantiene la semplicità della coerenza a catena singola, che è facile da capire e implementare, ma è anche molto facile toccare il limite superiore sistemico come il rischio di centralizzazione, l'aumento dei costi operativi dei nodi e l'aumento della difficoltà di sincronizzazione, quindi non è più la soluzione principale nella progettazione odierna, ma è diventata più una collocazione ausiliaria di altri meccanismi.

Il secondo tipo di route è il ridimensionamento off-chain, che è rappresentato da canali di stato e sidechain. L'idea di base di questo tipo di percorso è quella di spostare la maggior parte dell'attività di transazione off-chain e scrivere solo il risultato finale nella catena principale, che funge da livello di regolamento finale. In termini di filosofia tecnica, è vicino all'architettura asincrona del Web2: prova a lasciare l'elaborazione delle transazioni pesante alla periferia e la catena principale esegue una verifica affidabile minima. Sebbene questa idea possa teoricamente essere scalabile all'infinito, il modello di fiducia, la sicurezza dei fondi e la complessità di interazione delle transazioni off-chain ne limitano l'applicazione. Ad esempio, sebbene Lightning Network abbia un chiaro posizionamento degli scenari finanziari, la scala dell'ecosistema non è mai esplosa. Tuttavia, più progetti basati su sidechain, come Polygon POS, non solo hanno un throughput elevato, ma espongono anche gli svantaggi della difficile ereditarietà della sicurezza della catena principale.

Il terzo tipo di route è la route rollup di livello 2 più diffusa e distribuita. Questo metodo non modifica direttamente la catena principale stessa, ma scala attraverso il meccanismo di esecuzione off-chain e verifica on-chain. L'Optimistic Rollup e lo ZK Rollup hanno i loro vantaggi: il primo è veloce da implementare e altamente compatibile, ma presenta i problemi del ritardo del periodo di sfida e del meccanismo a prova di frode; Quest'ultimo ha una forte sicurezza e buone capacità di compressione dei dati, ma è complesso da sviluppare e manca di compatibilità EVM. Indipendentemente dal tipo di rollup, la sua essenza è quella di esternalizzare la potenza di esecuzione, mantenendo i dati e la verifica sulla catena principale, raggiungendo un relativo equilibrio tra decentralizzazione e prestazioni elevate. La rapida crescita di progetti come Arbitrum, Optimism, zkSync e StarkNet dimostra la fattibilità di questo percorso, ma mette anche in luce colli di bottiglia a medio termine come l'eccessiva dipendenza dalla disponibilità dei dati (DA), i costi elevati e l'esperienza di sviluppo frammentata.

Il quarto tipo di percorso è l'architettura blockchain modulare che è emersa negli ultimi anni, come Celestia, Avail, EigenLayer, ecc. Il paradigma modulare sostiene il completo disaccoppiamento delle funzioni principali della blockchain - esecuzione, consenso, disponibilità dei dati e regolamento - da parte di più catene specializzate per completare diverse funzioni, e quindi combinarle in una rete scalabile con un protocollo cross-chain. Questa direzione è fortemente influenzata dall'architettura modulare del sistema operativo e dalla componibilità del cloud computing, che ha il vantaggio di poter sostituire in modo flessibile i componenti del sistema e migliorare notevolmente l'efficienza in ambiti specifici come la DA. Tuttavia, le sfide sono anche molto evidenti: il costo della sincronizzazione, della verifica e della fiducia reciproca tra i sistemi dopo il disaccoppiamento dei moduli è estremamente elevato, l'ecosistema degli sviluppatori è estremamente frammentato e i requisiti per gli standard di protocollo a medio e lungo termine e la sicurezza cross-chain sono molto più elevati rispetto a quelli della progettazione tradizionale della catena. In sostanza, questo modello non costruisce più una "catena", ma una "rete a catena", che propone una soglia senza precedenti per la comprensione dell'architettura complessiva, il funzionamento e la manutenzione.

L'ultimo tipo di percorso, che è il fulcro della successiva analisi in questo articolo, è il percorso di ottimizzazione del calcolo parallelo intra-chain. A differenza dei primi quattro tipi di "scissione orizzontale", che effettuano principalmente la "scissione orizzontale" dal livello strutturale, il calcolo parallelo enfatizza l'"upgrading verticale", ovvero l'elaborazione simultanea delle transazioni atomiche viene realizzata modificando l'architettura del motore di esecuzione all'interno di una singola catena. Ciò richiede la riscrittura della logica di pianificazione delle macchine virtuali e l'introduzione di un set completo di meccanismi di pianificazione dei sistemi informatici moderni, ad esempio l'analisi delle dipendenze delle transazioni, la previsione dei conflitti di stato, il controllo del parallelismo e la chiamata asincrona. Solana è il primo progetto a implementare il concetto di VM parallela in un sistema a livello di catena, che realizza l'esecuzione parallela multi-core attraverso il giudizio dei conflitti di transazione basato sul modello di account. La nuova generazione di progetti, come Monad, Sei, Fuel, MegaETH, ecc., cerca inoltre di introdurre idee all'avanguardia come l'esecuzione della pipeline, la concorrenza ottimistica, il partizionamento dello storage e il disaccoppiamento parallelo per costruire core di esecuzione ad alte prestazioni simili alle moderne CPU. Il vantaggio principale di questa direzione è che non ha bisogno di fare affidamento sull'architettura multi-chain per ottenere una svolta nel limite di throughput e allo stesso tempo fornisce una flessibilità di calcolo sufficiente per l'esecuzione di contratti intelligenti complessi, che è un importante prerequisito tecnico per futuri scenari applicativi come AI Agent, giochi a catena su larga scala e derivati ad alta frequenza.

Guardando i cinque tipi di percorsi di scalabilità di cui sopra, la divisione dietro di essi è in realtà il compromesso sistematico tra prestazioni, componibilità, sicurezza e complessità di sviluppo della blockchain. Il rollup è forte nell'outsourcing del consenso e nell'ereditarietà sicura, la modularità evidenzia la flessibilità strutturale e il riutilizzo dei componenti, lo scaling off-chain tenta di sfondare il collo di bottiglia della catena principale ma il costo di fiducia è elevato e il parallelismo intra-chain si concentra sull'aggiornamento fondamentale del livello di esecuzione, cercando di avvicinarsi al limite di prestazioni dei moderni sistemi distribuiti senza distruggere la coerenza della catena. È impossibile che ogni percorso risolva tutti i problemi, ma sono queste direzioni che insieme formano un panorama dell'aggiornamento del paradigma di calcolo Web3 e forniscono anche a sviluppatori, architetti e investitori opzioni strategiche estremamente ricche.

Proprio come il sistema operativo è passato da single-core a multi-core e i database si sono evoluti da indici sequenziali a transazioni simultanee, l'espansione del Web3 finirà per spostarsi verso un'era di esecuzione altamente parallela. In quest'epoca, le prestazioni non sono più solo una corsa alla velocità a catena, ma un'incarnazione completa della filosofia di progettazione sottostante, della profonda comprensione dell'architettura, della collaborazione software e hardware e del controllo del sistema. E il parallelismo intra-chain potrebbe essere il campo di battaglia finale di questa guerra a lungo termine.

3. Grafico di classificazione del calcolo parallelo: cinque percorsi dall'account all'istruzioneNel

contesto della continua evoluzione della tecnologia di scalabilità blockchain, il calcolo parallelo è gradualmente diventato il percorso principale per le scoperte in termini di prestazioni. A differenza del disaccoppiamento orizzontale del livello della struttura, del livello di rete o del livello di disponibilità dei dati, il calcolo parallelo è un mining profondo a livello di esecuzione, che è correlato alla logica più bassa dell'efficienza operativa della blockchain e determina la velocità di risposta e la capacità di elaborazione di un sistema blockchain a fronte di un'elevata concorrenza e di transazioni complesse di tipo multiplo. Partendo dal modello di esecuzione e rivedendo lo sviluppo di questa linea tecnologica, possiamo ordinare una chiara mappa di classificazione del calcolo parallelo, che può essere approssimativamente suddivisa in cinque percorsi tecnici: parallelismo a livello di account, parallelismo a livello di oggetto, parallelismo a livello di transazione, parallelismo a livello di macchina virtuale e parallelismo a livello di istruzione. Questi cinque tipi di percorsi, da quelli a grana grossa a quelli a grana fine, non sono solo il processo di raffinamento continuo della logica parallela, ma anche il percorso di crescente complessità del sistema e difficoltà di programmazione.