Academia de creștere Huobi | Raport de cercetare aprofundat Web3 Parallel Computing: Calea finală către scalarea nativă

1. Introducere: Scalarea este o propunere eternă, iar paralelismul este câmpul de luptă suprem

De la nașterea Bitcoin, sistemul blockchain s-a confruntat întotdeauna cu o problemă de bază inevitabilă: scalarea. Bitcoin procesează mai puțin de 10 tranzacții pe secundă, iar Ethereum se luptă să depășească blocajul de performanță al zecilor de TPS (tranzacții pe secundă), care este deosebit de greoi în lumea tradițională Web2, care este adesea zeci de mii de TPS. Mai important, aceasta nu este o problemă simplă care poate fi rezolvată prin "adăugarea de servere", ci o limitare sistemică adânc înrădăcinată în consensul de bază și designul structural al blockchain-ului - adică triunghiul imposibil al blockchain-ului în care "descentralizarea, securitatea și scalabilitatea" nu pot fi combinate.

În ultimul deceniu, am văzut nenumărate încercări de expansiune crescând și scăzând. De la războiul de scalare Bitcoin la viziunea de fragmentare Ethereum, de la canalele de stare și plasma la rollup-uri și blockchain-uri modulare, de la execuția off-chain în Layer 2 la refactorizarea structurală a disponibilității datelor, întreaga industrie s-a angajat pe o cale de scalare plină de imaginație inginerească. Fiind cea mai acceptată paradigmă de scalare, rollup-ul a atins obiectivul de a crește semnificativ TPS, reducând în același timp povara de execuție a lanțului principal și păstrând securitatea Ethereum. Dar nu atinge limitele reale ale "performanței cu un singur lanț" a blockchain-ului, în special la nivel de execuție, care este debitul blocului în sine – este încă limitat de vechea paradigmă de procesare a calculului serial on-chain.

Din acest motiv, calculul paralel în lanț a intrat treptat în câmpul vizual al industriei. Spre deosebire de scalarea off-chain și distribuția cross-chain, paralelismul intra-lanț încearcă să reconstruiască complet motorul de execuție, menținând în același timp atomicitatea cu un singur lanț și structura integrată și actualizează blockchain-ul de la un mod single-threaded de "execuție serială a unei tranzacții cu una" la un sistem de calcul cu concurență ridicată de "multi-threading + pipeline + programare a dependențelor" sub îndrumarea sistemului de operare modern și a designului procesorului. O astfel de cale poate nu numai să obțină o creștere de o sută de ori a randamentului, dar poate deveni și o condiție prealabilă cheie pentru explozia aplicațiilor de contracte inteligente.

De fapt, în paradigma de calcul Web2, calculul cu un singur fir a fost eliminat de mult timp de arhitecturile hardware moderne și înlocuit de un flux nesfârșit de modele de optimizare, cum ar fi programarea paralelă, programarea asincronă, pool-urile de fire și microserviciile. Blockchain, ca sistem de calcul mai primitiv și mai conservator, cu cerințe extrem de ridicate pentru certitudine și verificabilitate, nu a reușit niciodată să utilizeze pe deplin aceste idei de calcul paralel. Aceasta este atât o limitare, cât și o oportunitate. Noi lanțuri precum Solana, Sui și Aptos sunt primele care încep această explorare prin introducerea paralelismului la nivel arhitectural. Proiectele emergente, cum ar fi Monad și MegaETH, au ridicat și mai mult paralelismul on-chain la descoperiri în mecanisme profunde, cum ar fi execuția pipeline, concurența optimistă și mesajele asincrone, arătând caracteristici care se apropie din ce în ce mai mult de sistemele de operare moderne.

Se poate spune că calculul paralel nu este doar o "metodă de optimizare a performanței", ci și un punct de cotitură în paradigma modelului de execuție blockchain. Acesta provoacă modelele fundamentale ale execuției contractelor inteligente și redefinește logica de bază a ambalării tranzacțiilor, a accesului la stare, a relațiilor de apel și a aspectului de stocare. Dacă rollup-ul este "mutarea tranzacțiilor la execuția off-chain", atunci paralelismul on-chain este "construirea nucleelor de supercalcul on-chain", iar scopul său nu este pur și simplu de a îmbunătăți randamentul, ci de a oferi suport de infrastructură cu adevărat durabil pentru viitoarele aplicații native Web3 (tranzacționare de înaltă frecvență, motoare de joc, execuție a modelului AI, social on-chain etc.).

După ce pista de rollup tinde treptat să fie omogenă, paralelismul intra-lanț devine în liniște variabila decisivă a noului ciclu de competiție Layer 1. Performanța nu mai este doar "mai rapidă", ci posibilitatea de a putea susține o întreagă lume eterogenă a aplicațiilor. Aceasta nu este doar o cursă tehnică, ci și o bătălie de paradigmă. Următoarea generație de platforme de execuție suverană din lumea Web3 este probabil să apară din această luptă paralelă intra-lanț.

2. Panorama paradigmei expansiunii:

Fiind unul dintre cele mai importante, durabile și dificile subiecte în evoluția tehnologiei lanțurilor publice, cinci tipuri de rute, fiecare cu propriul accent pe expansiune, au dat naștere apariției și evoluției aproape tuturor căilor tehnologice mainstream în ultimul deceniu. Pornind de la bătălia pentru dimensiunea blocului Bitcoin, această competiție tehnică despre "cum să faci lanțul să meargă mai repede" s-a împărțit în cele din urmă în cinci rute de bază, fiecare dintre ele tăiind blocajul dintr-un unghi diferit, cu propria filozofie tehnică, dificultate de aterizare, model de risc și scenarii aplicabile.

prima cale este cea mai simplă scalare on-chain, care reprezintă modalități de a crește dimensiunea blocului, de a scurta timpul blocului sau de a îmbunătăți puterea de procesare prin optimizarea structurii datelor și a mecanismului de consens. Această abordare a fost în centrul dezbaterii privind scalarea Bitcoin, dând naștere unor bifurcații "big block", cum ar fi BCH și BSV, și influențând, de asemenea, ideile de proiectare ale lanțurilor publice timpurii de înaltă performanță, cum ar fi EOS și NEO. Avantajul acestui tip de rută este că păstrează simplitatea consistenței cu un singur lanț, care este ușor de înțeles și de implementat, dar este, de asemenea, foarte ușor de atins limita superioară sistemică, cum ar fi riscul de centralizare, creșterea costurilor de operare a nodurilor și dificultatea crescută de sincronizare, astfel încât nu mai este soluția de bază principală în designul de astăzi, ci a devenit mai mult o colocare auxiliară a altor mecanisme.

Al doilea tip de rută este scalarea off-chain, care este reprezentată de canale de stare și lanțuri laterale. Ideea de bază a acestui tip de cale este de a muta cea mai mare parte a activității de tranzacție în afara lanțului și de a scrie rezultatul final doar în lanțul principal, care acționează ca strat final de decontare. În ceea ce privește filozofia tehnică, este aproape de arhitectura asincronă a Web2 - încercați să lăsați procesarea grea a tranzacțiilor la periferie, iar lanțul principal face o verificare minimă de încredere. Deși această idee poate fi teoretic infinit scalabilă, modelul de încredere, securitatea fondurilor și complexitatea interacțiunii tranzacțiilor off-chain îi limitează aplicarea. De exemplu, deși Lightning Network are o poziționare clară a scenariilor financiare, amploarea ecosistemului nu a explodat niciodată. Cu toate acestea, mai multe modele bazate pe sidechain, cum ar fi Polygon POS, nu numai că au un randament ridicat, dar expun și dezavantajele moștenirii dificile a securității lanțului principal.

Al treilea tip de rută este cea mai populară și mai răspândită rută de cumul de nivel 2. Această metodă nu schimbă direct lanțul principal în sine, ci se scalează prin mecanismul de execuție off-chain și verificare on-chain. Optimistic Rollup și ZK Rollup au propriile avantaje: primul este rapid de implementat și foarte compatibil, dar are probleme legate de întârzierea perioadei de provocare și mecanismul de verificare a fraudei; Acesta din urmă are o securitate puternică și capabilități bune de compresie a datelor, dar este complex de dezvoltat și nu are compatibilitate cu EVM. Indiferent de tipul de rollup, esența sa este de a externaliza puterea de execuție, păstrând în același timp datele și verificarea pe lanțul principal, realizând un echilibru relativ între descentralizare și performanță ridicată. Creșterea rapidă a proiectelor precum Arbitrum, Optimism, zkSync și StarkNet dovedește fezabilitatea acestei căi, dar expune și blocaje pe termen mediu, cum ar fi dependența excesivă de disponibilitatea datelor (DA), costurile ridicate și experiența de dezvoltare fragmentată.

Al patrulea tip de cale este arhitectura modulară blockchain care a apărut în ultimii ani, cum ar fi Celestia, Avail, EigenLayer etc. Paradigma modulară susține decuplarea completă a funcțiilor de bază ale blockchain-ului - execuție, consens, disponibilitatea datelor și decontare - prin mai multe lanțuri specializate pentru a finaliza diferite funcții și apoi le combină într-o rețea scalabilă cu un protocol cross-chain. Această direcție este puternic influențată de arhitectura modulară a sistemului de operare și de conceptul de compoziție în cloud computing, care are avantajul de a putea înlocui în mod flexibil componentele sistemului și de a îmbunătăți considerabil eficiența în domenii specifice, cum ar fi DA. Cu toate acestea, provocările sunt, de asemenea, foarte evidente: costul sincronizării, verificării și încrederii reciproce între sisteme după decuplarea modulelor este extrem de mare, ecosistemul dezvoltatorilor este extrem de fragmentat, iar cerințele pentru standardele de protocol pe termen mediu și lung și securitatea cross-chain sunt mult mai mari decât cele ale proiectării tradiționale a lanțului. În esență, acest model nu mai construiește un "lanț", ci construiește o "rețea de lanț", care prezintă un prag fără precedent pentru înțelegerea arhitecturii generale, operarea și întreținerea.

Ultimul tip de rută, care este punctul central al analizei ulterioare din această lucrare, este calea de optimizare a calculului paralel intra-lanț. Spre deosebire de primele patru tipuri de "divizare orizontală", care efectuează în principal "divizarea orizontală" de la nivel structural, calculul paralel pune accentul pe "actualizarea verticală", adică procesarea concomitentă a tranzacțiilor atomice se realizează prin schimbarea arhitecturii motorului de execuție într-un singur lanț. Acest lucru necesită rescrierea logicii de planificare a VM și introducerea unui set complet de mecanisme moderne de planificare a sistemelor informatice, cum ar fi analiza dependenței tranzacțiilor, predicția conflictelor de stare, controlul paralelismului și apelarea asincronă. Solana este primul proiect care implementează conceptul de VM paralel într-un sistem la nivel de lanț, care realizează execuția paralelă multi-core prin judecata conflictului de tranzacții bazată pe modelul de cont. Noua generație de proiecte, cum ar fi Monad, Sei, Fuel, MegaETH etc., încearcă în continuare să introducă idei de ultimă oră, cum ar fi execuția conductelor, concurența optimistă, partiționarea stocării și decuplarea paralelă pentru a construi nuclee de execuție de înaltă performanță similare cu procesoarele moderne. Avantajul principal al acestei direcții este că nu trebuie să se bazeze pe arhitectura multi-lanț pentru a obține o descoperire în limita de transfer și, în același timp, oferă suficientă flexibilitate de calcul pentru executarea contractelor inteligente complexe, care este o condiție tehnică prealabilă importantă pentru scenarii de aplicații viitoare, cum ar fi AI Agent, jocuri în lanț la scară largă și derivate de înaltă frecvență.

Privind cele cinci tipuri de căi de scalare de mai sus, diviziunea din spatele lor este de fapt compromisul sistematic între performanță, componibilitate, securitate și complexitatea dezvoltării blockchain. Rollup-ul este puternic în externalizarea consensului și moștenirea sigură, modularitatea evidențiază flexibilitatea structurală și reutilizarea componentelor, scalarea off-chain încearcă să străpungă blocajul lanțului principal, dar costul de încredere este ridicat, iar paralelismul intra-lanț se concentrează pe actualizarea fundamentală a stratului de execuție, încercând să se apropie de limita de performanță a sistemelor distribuite moderne fără a distruge consistența lanțului. Este imposibil ca fiecare cale să rezolve toate problemele, dar aceste direcții formează împreună o panoramă a actualizării paradigmei de calcul Web3 și, de asemenea, oferă dezvoltatorilor, arhitecților și investitorilor opțiuni strategice extrem de bogate.

Așa cum sistemul de operare a trecut de la single-core la multi-core și bazele de date au evoluat de la indici secvențiali la tranzacții simultane, expansiunea Web3 se va îndrepta în cele din urmă către o eră de execuție extrem de paralelă. În această eră, performanța nu mai este doar o cursă a vitezei în lanț, ci o întruchipare cuprinzătoare a filozofiei de proiectare de bază, a profunzimii înțelegerii arhitecturii, a colaborării software și hardware și a controlului sistemului. Iar paralelismul intra-lanț poate fi câmpul de luptă final al acestui război pe termen lung.

3. Graficul de clasificare a calculului paralel: cinci căi de la cont la instrucțiuneÎn

contextul evoluției continue a tehnologiei de scalare blockchain, calculul paralel a devenit treptat calea de bază pentru descoperirile de performanță. Spre deosebire de decuplarea orizontală a stratului de structură, a stratului de rețea sau a stratului de disponibilitate a datelor, calculul paralel este un minerit profund la nivelul de execuție, care este legat de cea mai scăzută logică a eficienței operaționale a blockchain-ului și determină viteza de răspuns și capacitatea de procesare a unui sistem blockchain în fața concurenței ridicate și a tranzacțiilor complexe de tip multiple. Pornind de la modelul de execuție și revizuind dezvoltarea acestei linii tehnologice, putem sorta o hartă clară de clasificare a calculului paralel, care poate fi împărțită aproximativ în cinci căi tehnice: paralelism la nivel de cont, paralelism la nivel de obiect, paralelism la nivel de tranzacție, paralelism la nivel de mașină virtuală și paralelism la nivel de instrucțiune. Aceste cinci tipuri de căi, de la granulație grosieră la granulație fină, nu sunt doar procesul continuu de rafinare a logicii paralele, ci și calea creșterii complexității sistemului și a dificultății de programare.