Huobi Growth Academy|Hloubková výzkumná zpráva o paralelních výpočtech Web3: Nejlepší cesta k nativnímu škálování

1. Úvod: Škálování je věčná záležitost a paralelismus je konečným bojištěm

Od zrodu Bitcoinu se blockchainový systém vždy potýkal s nevyhnutelným základním problémem: škálováním. Bitcoin zpracovává méně než 10 transakcí za sekundu a Ethereum se snaží prolomit úzké hrdlo výkonu desítek TPS (transakcí za sekundu), což je obzvláště těžkopádné v tradičním světě Web2, který často dosahuje desítek tisíc TPS. Ještě důležitější je, že se nejedná o jednoduchý problém, který lze vyřešit "přidáním serverů", ale o systémové omezení hluboce zakořeněné v základním konsensu a strukturálním designu blockchainu - tedy o nemožný trojúhelník blockchainu, kde nelze kombinovat "decentralizaci, bezpečnost a škálovatelnost".

Za poslední desetiletí jsme byli svědky nesčetných pokusů o expanzi vzestupu a poklesu. Od války o škálování Bitcoinu po vizi shardingu Etherea, od státních kanálů a plazmy po rollupy a modulární blockchainy, od off-chain exekuce ve vrstvě 2 až po strukturální refaktoring dostupnosti dat, se celé odvětví vydalo na cestu škálování plnou inženýrské představivosti. Jako nejrozšířenější paradigma škálování dosáhl rollup cíle výrazně zvýšit TPS a zároveň snížit zátěž provádění hlavního řetězce a zachovat bezpečnost Etherea. Nedotýká se však skutečných limitů základního "jednořetězcového výkonu" blockchainu, zejména na úrovni provádění, kterou je propustnost samotného bloku – je stále omezena starobylým paradigmatem zpracování sériových výpočtů v řetězci.

Z tohoto důvodu se in-chain paralelní výpočty postupně dostaly do zorného pole průmyslu. Na rozdíl od škálování mimo řetězec a distribuce napříč řetězci se intra-chain paralelismus pokouší zcela rekonstruovat prováděcí engine při zachování atomicity a integrované struktury jednoho řetězce a upgraduje blockchain z jednovláknového režimu "sériové provádění jedné transakce po druhé" na výpočetní systém s vysokou souběžností "multi-threading + pipeline + dependency scheduling" pod vedením moderního operačního systému a designu CPU. Taková cesta může nejen dosáhnout stonásobného zvýšení propustnosti, ale také se může stát klíčovým předpokladem pro explozi aplikací pro chytré kontrakty.

Ve skutečnosti bylo v paradigmatu výpočtů Web2 jednovláknové výpočty již dávno eliminovány moderními hardwarovými architekturami a nahrazeny nekonečným proudem optimalizačních modelů, jako je paralelní programování, asynchronní plánování, fondy vláken a mikroslužby. Blockchain, jako primitivnější a konzervativnější výpočetní systém s extrémně vysokými požadavky na jistotu a ověřitelnost, nikdy nebyl schopen plně využít tyto myšlenky paralelních výpočtů. To je jak omezení, tak příležitost. Nové řetězce, jako jsou Solana, Sui a Aptos, jsou první, které tento průzkum zahájily zavedením paralelismu na architektonické úrovni. Nově vznikající projekty, jako jsou Monad a MegaETH, dále povýšily paralelismus v řetězci k průlomům v hlubokých mechanismech, jako je provádění kanálů, optimistická souběžnost a asynchronní zprávy řízené zprávami, a vykazují vlastnosti, které se stále více přibližují moderním operačním systémům.

Dá se říci, že paralelní výpočty nejsou jen "metodou optimalizace výkonu", ale také zlomovým bodem v paradigmatu blockchainového exekučního modelu. Zpochybňuje základní vzorce provádění chytrých kontraktů a nově definuje základní logiku balení transakcí, přístupu ke stavu, vztahů hovorů a rozvržení úložiště. Pokud je rollup "přesun transakcí do off-chain provedení", pak on-chain paralelismus znamená "budování superpočítačových jader on-chain" a jeho cílem není pouze zlepšit propustnost, ale poskytnout skutečně udržitelnou podporu infrastruktury pro budoucí nativní aplikace Web3 (vysokofrekvenční obchodování, herní enginy, provádění modelů AI, on-chain social atd.).

Poté, co rollup track postupně má tendenci být homogenní, intra-chain paralelismus se v tichosti stává rozhodující proměnnou nového cyklu soutěže vrstvy 1. Výkon již není jen "rychlejší", ale možnost podporovat celý heterogenní svět aplikací. Nejedná se pouze o technický závod, ale také o souboj paradigmatu. Z tohoto paralelního zápasu v rámci řetězce pravděpodobně vzejde nová generace suverénních exekučních platforem ve světě Web3.

2. Panorama paradigmatu expanze:

Jako jedno z nejdůležitějších, udržitelných a nejobtížnějších témat ve vývoji technologie veřejných řetězců se v posledním desetiletí zrodilo pět typů tras, z nichž každá má své vlastní zaměření na expanzi. Počínaje bitvou o velikost bloku Bitcoinu se tato technická soutěž na téma "jak zrychlit běh řetězce" nakonec rozdělila do pěti základních tras, z nichž každá zařezává do úzkého hrdla z jiného úhlu, s vlastní technickou filozofií, obtížností přistání, rizikovým modelem a použitelnými scénáři.

první cestou je nejpřímější škálování v řetězci, které představuje způsoby, jak zvětšit velikost bloku, zkrátit dobu bloku nebo zlepšit výpočetní výkon optimalizací datové struktury a mechanismu konsensu. Tento přístup byl středem zájmu debaty o škálování Bitcoinu, což vedlo ke vzniku "big block" forků, jako jsou BCH a BSV, a také ovlivnil designové nápady raných vysoce výkonných veřejných řetězců, jako jsou EOS a NEO. Výhodou tohoto druhu trasy je, že si zachovává jednoduchost jednořetězcové konzistence, která je snadno pochopitelná a nasaditelná, ale je také velmi snadné se dotknout systémové horní hranice, jako je riziko centralizace, rostoucí náklady na provoz uzlů a zvýšená obtížnost synchronizace, takže již není hlavním základním řešením v dnešním designu, ale stal se spíše pomocným spojením jiných mechanismů.

Druhým typem trasy je škálování mimo řetězec, které je reprezentováno stavovými kanály a postranními řetězci. Základní myšlenkou tohoto typu cesty je přesunout většinu transakčních aktivit mimo řetězec a do hlavního řetězce zapsat pouze konečný výsledek, který funguje jako konečná vrstva vypořádání. Z hlediska technické filozofie se blíží asynchronní architektuře Web2 - snažte se nechat náročné zpracování transakcí na periferii a hlavní řetězec provádí minimální důvěryhodné ověření. Ačkoli tato myšlenka může být teoreticky nekonečně škálovatelná, model důvěry, zabezpečení fondu a složitost interakce transakcí mimo řetězec omezují její použití. Například, ačkoli má Lightning Network jasné umístění finančních scénářů, rozsah ekosystému nikdy neexplodoval. Více návrhů založených na sidechainu, jako je Polygon POS, má však nejen vysokou propustnost, ale také odhaluje nevýhody obtížné dědičnosti zabezpečení hlavního řetězce.

Třetí typ trasy je nejoblíbenější a nejrozšířenější souhrnnou trasou vrstvy 2. Tato metoda přímo nemění samotný hlavní řetězec, ale škáluje se prostřednictvím mechanismu provádění mimo řetězec a ověřování v řetězci. Optimistic Rollup a ZK Rollup mají své vlastní výhody: první z nich se rychle implementuje a je vysoce kompatibilní, ale má problémy se zpožděním doby výzvy a mechanismem ochrany proti podvodům; Ten má silné zabezpečení a dobré schopnosti komprese dat, ale jeho vývoj je složitý a postrádá kompatibilitu s EVM. Bez ohledu na to, o jaký typ rollupu se jedná, jeho podstatou je outsourcovat výkon provádění a zároveň zachovat data a ověřování na hlavním chainu, čímž se dosáhne relativní rovnováhy mezi decentralizací a vysokým výkonem. Rychlý růst projektů jako Arbitrum, Optimism, zkSync a StarkNet dokazuje proveditelnost této cesty, ale také odhaluje střednědobá úzká hrdla, jako je přílišné spoléhání se na dostupnost dat (DA), vysoké náklady a roztříštěné zkušenosti s vývojem.

Čtvrtým typem trasy je modulární blockchainová architektura, která se objevila v posledních letech, jako je Celestia, Avail, EigenLayer atd. Modulární paradigma prosazuje úplné oddělení základních funkcí blockchainu - provádění, konsensu, dostupnosti dat a vypořádání - několika specializovanými řetězci, aby se dokončily různé funkce, a poté je zkombinovaly do škálovatelné sítě s cross-chain protokolem. Tento směr je silně ovlivněn modulární architekturou operačního systému a konceptem skládání cloud computingu, který má tu výhodu, že je schopen flexibilně nahrazovat systémové komponenty a výrazně zlepšit efektivitu ve specifických oblastech, jako je DA. Výzvy jsou však také velmi zřejmé: náklady na synchronizaci, ověřování a vzájemnou důvěru mezi systémy po oddělení modulů jsou extrémně vysoké, vývojářský ekosystém je extrémně roztříštěný a požadavky na střednědobé a dlouhodobé standardy protokolů a zabezpečení napříč řetězci jsou mnohem vyšší než u tradičního návrhu řetězce. V podstatě tento model již nevytváří "řetězec", ale buduje "řetězovou síť", což představuje bezprecedentní práh pro celkové pochopení architektury, provoz a údržbu.

Posledním typem cesty, na kterou se zaměřuje následná analýza v tomto článku, je cesta optimalizace paralelních výpočtů v rámci řetězce. Na rozdíl od prvních čtyř typů "horizontálního rozdělení", které provádějí hlavně "horizontální rozdělení" ze strukturální úrovně, paralelní výpočty zdůrazňují "vertikální modernizaci", to znamená, že souběžné zpracování atomických transakcí je realizováno změnou architektury prováděcího motoru v rámci jednoho řetězce. To vyžaduje přepsání logiky plánování VM a zavedení kompletní sady moderních plánovacích mechanismů počítačových systémů, jako je analýza transakčních závislostí, predikce konfliktů stavů, řízení paralelismu a asynchronní volání. Solana je prvním projektem, který implementuje koncept paralelního VM do systému na úrovni řetězce, který realizuje vícejádrové paralelní provádění prostřednictvím posouzení konfliktu transakcí na základě modelu účtu. Nová generace projektů, jako jsou Monad, Sei, Fuel, MegaETH atd., se dále snaží představit špičkové nápady, jako je provádění kanálů, optimistická souběžnost, dělení úložiště a paralelní oddělení, aby vytvořily vysoce výkonná prováděcí jádra podobná moderním procesorům. Hlavní výhodou tohoto směru je, že se nemusí spoléhat na víceřetězcovou architekturu, aby dosáhl průlomu v limitu propustnosti, a zároveň poskytuje dostatečnou výpočetní flexibilitu pro provádění složitých chytrých kontraktů, což je důležitý technický předpoklad pro budoucí scénáře aplikací, jako je AI Agent, rozsáhlé řetězové hry a vysokofrekvenční deriváty.

Když se podíváme na výše uvedených pět typů škálovacích cest, rozdělení za nimi je ve skutečnosti systematickým kompromisem mezi výkonem, skládatelností, bezpečností a složitostí vývoje blockchainu. Rollup je silný v konsensuálním outsourcingu a bezpečné dědičnosti, modularita zdůrazňuje strukturální flexibilitu a opětovné použití komponent, off-chain škálování se pokouší prolomit úzké hrdlo hlavního řetězce, ale náklady na důvěru jsou vysoké, a intra-chain paralelismus se zaměřuje na zásadní upgrade prováděcí vrstvy a snaží se přiblížit výkonnostnímu limitu moderních distribuovaných systémů, aniž by došlo ke zničení konzistence řetězce. Je nemožné, aby každá cesta vyřešila všechny problémy, ale právě tyto směry společně tvoří panorama upgradu výpočetního paradigmatu Web3 a také poskytují vývojářům, architektům a investorům extrémně bohaté strategické možnosti.

Stejně jako se operační systém posunul od jednojádrového k vícejádrovému a databáze se vyvinuly od sekvenčních indexů k souběžným transakcím, expanze Web3 se nakonec posune směrem k éře vysoce paralelního provádění. V této éře již výkon není jen závodem v řetězové rychlosti, ale komplexním ztělesněním základní filozofie návrhu, hloubky porozumění architektuře, spolupráci na softwaru a hardwaru a řízení systému. A vnitrořetězcový paralelismus může být konečným bojištěm této dlouhodobé války.

3. Klasifikační graf paralelních výpočtů: pět cest od účtu k instrukciV

souvislosti s neustálým vývojem technologie škálování blockchainu se paralelní výpočty postupně staly základní cestou pro průlomy ve výkonu. Na rozdíl od horizontálního oddělení strukturní vrstvy, síťové vrstvy nebo vrstvy dostupnosti dat je paralelní výpočty hlubokou těžbou na prováděcí vrstvě, která souvisí s nejnižší logikou provozní efektivity blockchainu a určuje rychlost odezvy a kapacitu zpracování blockchainového systému tváří v tvář vysoké souběžnosti a vícetypovým složitým transakcím. Počínaje prováděcím modelem a přezkoumáním vývoje této technologické linie můžeme vytřídit jasnou klasifikační mapu paralelních výpočtů, kterou lze zhruba rozdělit do pěti technických cest: paralelismus na úrovni účtu, paralelismus na úrovni objektu, paralelismus na úrovni transakce, paralelismus na úrovni virtuálního stroje a paralelismus na úrovni instrukcí. Těchto pět typů cest, od hrubozrnných po jemnozrnné, není jen nepřetržitým procesem zdokonalování paralelní logiky, ale také cestou zvyšující se složitosti systému a obtížnosti plánování.