Huobi Growth Academy|Web3 Parallel Computing Diepgaand onderzoeksrapport: de ultieme weg naar native schaalvergroting

1. Inleiding: Schaalvergroting is een eeuwige propositie, en parallellisme is het ultieme slagveld

Sinds de geboorte van Bitcoin heeft het blockchain-systeem altijd te maken gehad met een onvermijdelijk kernprobleem: schaalvergroting. Bitcoin verwerkt minder dan 10 transacties per seconde en Ethereum worstelt om het prestatieknelpunt van tientallen TPS (transacties per seconde) te doorbreken, wat vooral omslachtig is in de traditionele Web2-wereld, die vaak tienduizenden TPS is. Wat nog belangrijker is, dit is geen eenvoudig probleem dat kan worden opgelost door "servers toe te voegen", maar een systemische beperking die diep verankerd is in de onderliggende consensus en het structurele ontwerp van de blockchain - dat wil zeggen, de onmogelijke driehoek van de blockchain waar "decentralisatie, veiligheid en schaalbaarheid" niet kunnen worden gecombineerd.

In het afgelopen decennium hebben we talloze uitbreidingspogingen zien stijgen en dalen. Van de Bitcoin-schaaloorlog tot de Ethereum-sharding-visie, van staatskanalen en plasma tot rollups en modulaire blockchains, van off-chain uitvoering in Layer 2 tot structurele refactoring van gegevensbeschikbaarheid, de hele industrie is begonnen aan een pad van schaalvergroting vol technische verbeeldingskracht. Als het meest geaccepteerde schaalparadigma heeft rollup het doel bereikt om TPS aanzienlijk te verhogen, terwijl de uitvoeringslast van de hoofdketen wordt verminderd en de veiligheid van Ethereum behouden blijft. Maar het raakt niet de echte grenzen van de onderliggende "single-chain prestaties" van de blockchain, vooral niet op uitvoeringsniveau, wat de doorvoer van het blok zelf is - wordt nog steeds beperkt door het oude verwerkingsparadigma van on-chain seriële berekening.

Hierdoor is in-chain parallel computing geleidelijk het gezichtsveld van de industrie binnengekomen. Anders dan off-chain schaling en cross-chain distributie, probeert intra-chain parallellisme de uitvoeringsengine volledig te reconstrueren met behoud van de atomiciteit en geïntegreerde structuur van een enkele keten, en upgradet de blockchain van een single-threaded modus van "seriële uitvoering van één transactie door één" naar een high-concurrency computing-systeem van "multi-threading + pipeline + dependency scheduling" onder begeleiding van modern besturingssysteem en CPU-ontwerp. Een dergelijk pad kan niet alleen een honderdvoudige toename van de doorvoer bereiken, maar kan ook een belangrijke voorwaarde worden voor de explosie van slimme contracttoepassingen.

In feite is single-threaded computing in het Web2-computerparadigma al lang geëlimineerd door moderne hardware-architecturen en vervangen door een eindeloze stroom optimalisatiemodellen zoals parallel programmeren, asynchrone planning, threadpools en microservices. Blockchain, als een primitiever en conservatiever computersysteem met extreem hoge eisen aan zekerheid en verifieerbaarheid, is nooit in staat geweest om volledig gebruik te maken van deze parallelle computerideeën. Dit is zowel een beperking als een kans. Nieuwe ketens zoals Solana, Sui en Aptos zijn de eersten die deze verkenning beginnen door parallellisme op architectonisch niveau te introduceren. Opkomende projecten zoals Monad en MegaETH hebben het on-chain parallellisme verder verheven tot doorbraken in diepe mechanismen zoals pipeline-uitvoering, optimistische gelijktijdigheid en asynchrone berichtgestuurde, met kenmerken die steeds dichter bij moderne besturingssystemen komen.

Men kan zeggen dat parallel computing niet alleen een "methode voor prestatie-optimalisatie" is, maar ook een keerpunt in het paradigma van het blockchain-uitvoeringsmodel. Het daagt de fundamentele patronen van de uitvoering van slimme contracten uit en herdefinieert de basislogica van transactieverpakking, statustoegang, aanroeprelaties en opslaglay-out. Als rollup "het verplaatsen van transacties naar off-chain uitvoering" is, dan is on-chain parallellisme "het bouwen van supercomputing-cores on-chain", en het doel is niet alleen om de doorvoer te verbeteren, maar om echt duurzame infrastructuurondersteuning te bieden voor toekomstige Web3-native applicaties (high-frequency trading, game-engines, uitvoering van AI-modellen, on-chain social, enz.).

Nadat het rollup-traject geleidelijk homogeen wordt, wordt parallellisme binnen de keten stilletjes de doorslaggevende variabele van de nieuwe cyclus van Layer 1-competitie. Prestaties zijn niet langer alleen "sneller", maar de mogelijkheid om een hele heterogene applicatiewereld te kunnen ondersteunen. Dit is niet alleen een technische race, maar ook een paradigmastrijd. De volgende generatie soevereine uitvoeringsplatforms in de Web3-wereld zal waarschijnlijk voortkomen uit dit parallelle worstelen binnen de keten.

2. Panorama van het expansieparadigma:

Als een van de belangrijkste, meest duurzame en moeilijke onderwerpen in de evolutie van de openbare ketentechnologie, hebben vijf soorten routes, elk met zijn eigen focus op uitbreiding, geleid tot de opkomst en evolutie van bijna alle reguliere technologiepaden in het afgelopen decennium. Beginnend met de strijd om de blokgrootte van Bitcoin, is deze technische wedstrijd over "hoe de keten sneller te laten lopen" uiteindelijk opgedeeld in vijf basisroutes, die elk vanuit een andere invalshoek in het knelpunt snijden, met zijn eigen technische filosofie, landingsmoeilijkheidsgraad, risicomodel en toepasbare scenario's.

is de eerste route de meest eenvoudige on-chain schaling, die manieren vertegenwoordigt om de blokgrootte te vergroten, de bloktijd te verkorten of de verwerkingskracht te verbeteren door de gegevensstructuur en het consensusmechanisme te optimaliseren. Deze aanpak is de focus geweest van het debat over Bitcoin-schaalvergroting, wat heeft geleid tot "big block"-forks zoals BCH en BSV, en ook tot invloed heeft op de ontwerpideeën van vroege high-performance openbare ketens zoals EOS en NEO. Het voordeel van dit soort route is dat het de eenvoud van single-chain consistentie behoudt, wat gemakkelijk te begrijpen en te implementeren is, maar het is ook heel gemakkelijk om de systemische bovengrens te raken, zoals centralisatierisico, stijgende operationele kosten van knooppunten en verhoogde synchronisatiemoeilijkheid, dus het is niet langer de mainstream kernoplossing in het huidige ontwerp, maar is meer een extra collocatie van andere mechanismen geworden.

Het tweede type route is off-chain schaling, die wordt vertegenwoordigd door staatskanalen en sidechains. Het basisidee van dit type pad is om het grootste deel van de transactieactiviteit off-chain te verplaatsen en alleen het eindresultaat naar de hoofdketen te schrijven, die fungeert als de uiteindelijke afwikkelingslaag. In termen van technische filosofie ligt het dicht bij de asynchrone architectuur van Web2 - probeer zware transactieverwerking aan de periferie te laten, en de hoofdketen doet minimale betrouwbare verificatie. Hoewel dit idee theoretisch oneindig schaalbaar kan zijn, beperken het vertrouwensmodel, de fondsbeveiliging en de interactiecomplexiteit van off-chain transacties de toepassing ervan. Hoewel Lightning Network bijvoorbeeld een duidelijke positionering van financiële scenario's heeft, is de schaal van het ecosysteem nooit geëxplodeerd. Ontwerpen op basis van meerdere sidechains, zoals Polygon POS, hebben echter niet alleen een hoge doorvoer, maar leggen ook de nadelen bloot van moeilijke overerving van de beveiliging van de hoofdketen.

Het derde type route is de meest populaire en meest ingezette Layer 2 rollup route. Deze methode verandert de hoofdketen zelf niet direct, maar schaalt door het mechanisme van off-chain uitvoering en on-chain verificatie. Optimistic Rollup en ZK Rollup hebben hun eigen voordelen: de eerste is snel te implementeren en zeer compatibel, maar heeft de problemen van vertraging in de uitdagingsperiode en fraudebestendigheidsmechanisme; De laatste heeft een sterke beveiliging en goede gegevenscompressiemogelijkheden, maar is complex om te ontwikkelen en mist EVM-compatibiliteit. Het maakt niet uit wat voor soort rollup het is, de essentie is om de uitvoeringskracht uit te besteden, terwijl gegevens en verificatie op de hoofdketen worden gehouden, waardoor een relatief evenwicht wordt bereikt tussen decentralisatie en hoge prestaties. De snelle groei van projecten zoals Arbitrum, Optimism, zkSync en StarkNet bewijst de haalbaarheid van dit pad, maar het legt ook knelpunten op de middellange termijn bloot, zoals een te grote afhankelijkheid van gegevensbeschikbaarheid (DA), hoge kosten en gefragmenteerde ontwikkelingservaring.

Het vierde type route is de modulaire blockchain-architectuur die de afgelopen jaren is ontstaan, zoals Celestia, Avail, EigenLayer, enz. Het modulaire paradigma pleit voor de volledige ontkoppeling van de kernfuncties van de blockchain - uitvoering, consensus, beschikbaarheid van gegevens en afwikkeling - door meerdere gespecialiseerde ketens om verschillende functies te voltooien en deze vervolgens te combineren tot een schaalbaar netwerk met een cross-chain protocol. Deze richting wordt sterk beïnvloed door de modulaire architectuur van het besturingssysteem en het concept van cloud computing composability, dat het voordeel heeft dat systeemcomponenten flexibel kunnen worden vervangen en de efficiëntie op specifieke gebieden zoals DA aanzienlijk kan worden verbeterd. De uitdagingen zijn echter ook heel duidelijk: de kosten van synchronisatie, verificatie en wederzijds vertrouwen tussen systemen na ontkoppeling van modules zijn extreem hoog, het ontwikkelaarsecosysteem is extreem gefragmenteerd en de vereisten voor protocolstandaarden op middellange en lange termijn en cross-chain beveiliging zijn veel hoger dan die van traditioneel ketenontwerp. In wezen bouwt dit model niet langer een "keten", maar bouwt het een "ketennetwerk", wat een ongekende drempel naar voren brengt voor het algehele begrip van de architectuur en de werking en het onderhoud.

Het laatste type route, waarop de volgende analyse in dit artikel centraal staat, is het optimalisatiepad voor parallelle computing binnen de keten. In tegenstelling tot de eerste vier soorten "horizontale splitsing", die voornamelijk "horizontale splitsing" uitvoeren vanaf het structurele niveau, legt parallel computing de nadruk op "verticale upgrade", dat wil zeggen dat de gelijktijdige verwerking van atomaire transacties wordt gerealiseerd door de architectuur van de uitvoeringsengine binnen een enkele keten te veranderen. Dit vereist het herschrijven van de VM-planningslogica en het introduceren van een complete set moderne planningsmechanismen voor computersystemen, zoals analyse van transactieafhankelijkheid, voorspelling van statusconflicten, parallellismecontrole en asynchroon aanroepen. Solana is het eerste project dat het concept van parallelle VM implementeert in een systeem op ketenniveau, dat multi-core parallelle uitvoering realiseert door middel van het beoordelen van transactieconflicten op basis van het accountmodel. De nieuwe generatie projecten, zoals Monad, Sei, Fuel, MegaETH, enz., probeert verder geavanceerde ideeën te introduceren, zoals pijplijnuitvoering, optimistische gelijktijdigheid, opslagpartitionering en parallelle ontkoppeling om krachtige uitvoeringskernen te bouwen die vergelijkbaar zijn met moderne CPU's. Het belangrijkste voordeel van deze richting is dat het niet hoeft te vertrouwen op de multi-chain-architectuur om een doorbraak in de doorvoerlimiet te bereiken, en tegelijkertijd voldoende rekenflexibiliteit biedt voor de uitvoering van complexe slimme contracten, wat een belangrijke technische voorwaarde is voor toekomstige toepassingsscenario's zoals AI Agent, grootschalige ketenspellen en hoogfrequente afgeleiden.

Als we naar de bovenstaande vijf soorten schaalpaden kijken, is de divisie erachter eigenlijk de systematische afweging tussen prestaties, composability, beveiliging en ontwikkelingscomplexiteit van blockchain. Rollup is sterk in consensusoutsourcing en veilige overerving, modulariteit benadrukt structurele flexibiliteit en hergebruik van componenten, off-chain schaalpogingen om het knelpunt van de hoofdketen te doorbreken, maar de vertrouwenskosten zijn hoog, en intra-chain parallellisme richt zich op de fundamentele upgrade van de uitvoeringslaag, in een poging de prestatielimiet van moderne gedistribueerde systemen te benaderen zonder de consistentie van de keten te vernietigen. Het is onmogelijk voor elk pad om alle problemen op te lossen, maar het zijn deze richtingen die samen een panorama vormen van de upgrade van het Web3-computerparadigma en ook ontwikkelaars, architecten en investeerders extreem rijke strategische opties bieden.

Net zoals het besturingssysteem is verschoven van single-core naar multi-core en databases zijn geëvolueerd van sequentiële indexen naar gelijktijdige transacties, zal de uitbreiding van Web3 uiteindelijk evolueren naar een zeer parallel uitvoeringstijdperk. In dit tijdperk zijn prestaties niet langer alleen een race om de kettingsnelheid, maar een uitgebreide belichaming van de onderliggende ontwerpfilosofie, diepgaande kennis van de architectuur, samenwerking tussen software en hardware en systeemcontrole. En parallellisme binnen de keten kan het ultieme slagveld zijn van deze langdurige oorlog.

3. Parallelle computerclassificatiegrafiek: vijf paden van account naar instructieIn

de context van de voortdurende evolutie van blockchain-schaaltechnologie is parallel computing geleidelijk het kernpad geworden voor doorbraken op het gebied van prestaties. Anders dan de horizontale ontkoppeling van de structuurlaag, netwerklaag of gegevensbeschikbaarheidslaag, is parallelle computing een diepe mijnbouw op de uitvoeringslaag, die verband houdt met de laagste logica van de operationele efficiëntie van de blockchain, en de reactiesnelheid en verwerkingscapaciteit van een blockchain-systeem bepaalt in het licht van hoge gelijktijdigheid en complexe transacties van meerdere typen. Uitgaande van het uitvoeringsmodel en een overzicht van de ontwikkeling van deze technologielijn, kunnen we een duidelijke classificatiekaart van parallel computing opstellen, die grofweg kan worden onderverdeeld in vijf technische paden: parallellisme op accountniveau, parallellisme op objectniveau, parallellisme op transactieniveau, parallellisme op virtueel machineniveau en parallellisme op instructieniveau. Deze vijf soorten paden, van grofkorrelig tot fijnkorrelig, zijn niet alleen het continue verfijningsproces van parallelle logica, maar ook het pad van toenemende systeemcomplexiteit en planningsmoeilijkheid.