Huobi Growth Academy|Подробный отчет об исследованиях параллельных вычислений Web3: окончательный путь к нативному масштабированию
1. Введение: Масштабирование — это вечное предложение, а параллелизм — окончательное поле битвы
С момента рождения Биткойна система блокчейн всегда сталкивалась с неизбежной основной проблемой: масштабированием. Биткоин обрабатывает менее 10 транзакций в секунду, а Ethereum изо всех сил пытается преодолеть узкое место производительности в десятки транзакций в секунду (транзакций в секунду), что особенно громоздко в традиционном мире Web2, который часто составляет десятки тысяч транзакций в секунду. Что еще более важно, это не простая проблема, которую можно решить путем «добавления серверов», а системное ограничение, глубоко укоренившееся в базовом консенсусе и структурном дизайне блокчейна — то есть в невозможном треугольнике блокчейна, где «децентрализация, безопасность и масштабируемость» не могут быть объединены.
За последнее десятилетие мы стали свидетелями бесчисленных попыток расширения. От войны за масштабирование биткоина до видения шардинга Ethereum, от каналов состояний и плазмы до роллапов и модульных блокчейнов, от выполнения вне сети на уровне 2 до структурного рефакторинга доступности данных — вся отрасль встала на путь масштабирования, полного инженерного воображения. Будучи наиболее широко принятой парадигмой масштабирования, роллап достиг цели значительного увеличения TPS при одновременном снижении нагрузки на основную цепочку и сохранении безопасности Ethereum. Но это не затрагивает реальных пределов базовой «одноцепочечной производительности» блокчейна, особенно на уровне выполнения, который представляет собой пропускную способность самого блока — все еще ограничен древней парадигмой обработки последовательных вычислений в цепочке.
Из-за этого параллельные вычисления в цепочке постепенно вошли в сферу зрения отрасли. В отличие от масштабирования вне сети и кроссчейн-распределения, внутрицепочечный параллелизм пытается полностью перестроить механизм выполнения, сохраняя атомарность и интегрированную структуру одной цепи, и модернизирует блокчейн от однопоточного режима «последовательного выполнения одной транзакции за другой» до высокопараллельной вычислительной системы «многопоточность + конвейер + планирование зависимостей» под руководством современных операционных систем и процессоров. Такой путь может не только привести к стократному увеличению пропускной способности, но и стать ключевой предпосылкой для взрыва приложений смарт-контрактов.
На самом деле, в вычислительной парадигме Web2 однопоточные вычисления уже давно устранены современными аппаратными архитектурами и заменены бесконечным потоком моделей оптимизации, таких как параллельное программирование, асинхронное планирование, пулы потоков и микросервисы. Блокчейн, будучи более примитивной и консервативной вычислительной системой с чрезвычайно высокими требованиями к определенности и проверяемости, так и не смог в полной мере использовать эти идеи параллельных вычислений. Это одновременно и ограничение, и возможность. Новые цепочки, такие как Solana, Sui и Aptos, первыми начали это исследование, внедрив параллелизм на архитектурном уровне. Новые проекты, такие как Monad и MegaETH, еще больше подняли параллелизм в цепочке до прорывов в глубоких механизмах, таких как выполнение конвейера, оптимистичный параллелизм и асинхронное управление сообщениями, демонстрируя характеристики, которые становятся все ближе и ближе к современным операционным системам.
Можно сказать, что параллельные вычисления — это не только «метод оптимизации производительности», но и поворотный момент в парадигме модели исполнения блокчейна. Он бросает вызов фундаментальным шаблонам выполнения смарт-контрактов и переопределяет базовую логику упаковки транзакций, доступа к состоянию, отношений вызовов и структуры хранилища. Если роллап — это «перевод транзакций на выполнение вне сети», то ончейн-параллелизм — это «построение суперкомпьютерных ядер в цепочке», и его цель — не просто повысить пропускную способность, а обеспечить по-настоящему устойчивую инфраструктурную поддержку для будущих нативных приложений Web3 (высокочастотная торговля, игровые движки, выполнение моделей искусственного интеллекта, ончейн-социальные сети и т. д.).
После того как траектория свертывания постепенно становится однородной, внутрицепочечный параллелизм незаметно становится решающей переменной нового цикла конкуренции уровня 1. Производительность — это уже не просто «быстрее», а возможность поддерживать весь мир разнородных приложений. Это не только техническая гонка, но и битва парадигм. Следующее поколение платформ суверенного исполнения в мире Web3, вероятно, появится из этой внутрицепочечной параллельной борьбы.
2. Панорама парадигмы расширения:
Будучи одной из самых важных, устойчивых и сложных тем в эволюции технологий публичных сетей, пять типов маршрутов, каждый из которых имеет свой собственный акцент на расширение, привели к появлению и эволюции почти всех основных технологических путей за последнее десятилетие. Начав с битвы за размер блока биткоина, это техническое соревнование на тему «как заставить цепочку работать быстрее» в конечном итоге разделилось на пять основных маршрутов, каждый из которых разрезает узкое место под разным углом, со своей собственной технической философией, сложностью посадки, моделью риска и применимыми сценариями.
первый путь — это самый простой ончейн-масштабирование, которое представляет собой способы увеличения размера блока, сокращения времени блока или улучшения вычислительной мощности за счет оптимизации структуры данных и механизма консенсуса. Этот подход был в центре внимания дебатов о масштабировании биткоина, что привело к появлению форков «больших блоков», таких как BCH и BSV, а также повлияло на идеи дизайна ранних высокопроизводительных публичных сетей, таких как EOS и NEO. Преимущество такого рода маршрута заключается в том, что он сохраняет простоту одноцепочечной согласованности, которую легко понять и развернуть, но также очень легко коснуться системного верхнего предела, такого как риск централизации, растущие эксплуатационные расходы узла и повышенная сложность синхронизации, поэтому он больше не является основным основным решением в сегодняшнем дизайне, а стал скорее вспомогательным сочетанием других механизмов.
Второй тип маршрута — это off-chain scaling, который представлен каналами состояния и сайдчейнами. Основная идея этого типа пути заключается в том, чтобы переместить большую часть транзакционной активности за пределы цепи и записать только конечный результат в основную цепочку, которая выступает в качестве конечного расчетного уровня. С точки зрения технической философии он близок к асинхронной архитектуре Web2 — постарайтесь оставить тяжелую обработку транзакций на периферии, а основная цепочка будет выполнять минимальную доверенную проверку. Хотя теоретически эта идея может быть бесконечно масштабируемой, модель доверия, безопасность средств и сложность взаимодействия транзакций вне сети ограничивают ее применение. Например, несмотря на то, что Lightning Network имеет четкое позиционирование финансовых сценариев, масштабы экосистемы никогда не взрывались. Тем не менее, несколько конструкций на основе сайдчейна, таких как Polygon POS, не только имеют высокую пропускную способность, но и обнажают недостатки сложного наследования безопасности основной цепи.
Третий тип маршрута является наиболее популярным и широко используемым сверточным маршрутом уровня 2. Этот метод напрямую не изменяет саму основную цепочку, а масштабируется за счет механизма выполнения off-chain и on-chain верификации. Optimistic Rollup и ZK Rollup имеют свои преимущества: первый быстро внедряется и хорошо совместим, но у него есть проблемы с задержкой периода вызова и механизмом защиты от мошенничества; Последний обладает высокой безопасностью и хорошими возможностями сжатия данных, но сложен в разработке и не совместим с EVM. Независимо от того, какой это тип роллапа, его суть заключается в том, чтобы передать мощности исполнения на аутсорсинг, сохраняя при этом данные и верификацию на основной цепочке, достигая относительного баланса между децентрализацией и высокой производительностью. Быстрый рост таких проектов, как Arbitrum, Optimism, zkSync и StarkNet, доказывает целесообразность этого пути, но он также обнажает среднесрочные узкие места, такие как чрезмерная зависимость от доступности данных (DA), высокие затраты и фрагментированный опыт разработки.
Четвертый тип маршрута — это модульная архитектура блокчейна, появившаяся в последние годы, такая как Celestia, Avail, EigenLayer и т.д. Модульная парадигма выступает за полное разъединение основных функций блокчейна — исполнения, консенсуса, доступности данных и расчетов — несколькими специализированными цепочками для выполнения различных функций, а затем их объединение в масштабируемую сеть с кроссчейн-протоколом. На это направление сильно влияет модульная архитектура операционной системы и концепция компонуемости облачных вычислений, преимущество которой заключается в возможности гибкой замены компонентов системы и значительном повышении эффективности в конкретных областях, таких как DA. Тем не менее, проблемы также очень очевидны: стоимость синхронизации, верификации и взаимного доверия между системами после разделения модулей чрезвычайно высока, экосистема разработчиков крайне фрагментирована, а требования к средне- и долгосрочным стандартам протоколов и кроссчейн-безопасности намного выше, чем при традиционном проектировании цепей. По сути, эта модель больше не строит «цепь», а строит «цепную сеть», которая выдвигает беспрецедентный порог для общего понимания архитектуры, эксплуатации и обслуживания.
Последний тип маршрута, который является предметом последующего анализа в данной статье, — это путь оптимизации внутрицепочечных параллельных вычислений. В отличие от первых четырех типов «горизонтального дробления», которые в основном осуществляют «горизонтальное расщепление» со структурного уровня, параллельные вычисления делают акцент на «вертикальном апгрейдинге», то есть параллельная обработка атомарных транзакций реализуется путем изменения архитектуры исполняющего движка в рамках единой цепочки. Это требует переписывания логики планирования виртуальных машин и внедрения полного набора современных механизмов планирования компьютерных систем, таких как анализ зависимостей транзакций, прогнозирование конфликтов состояний, управление параллелизмом и асинхронные вызовы. Solana — первый проект, в котором концепция параллельной виртуальной машины реализована в системе на уровне цепочки, которая реализует многоядерное параллельное выполнение через суждение о конфликте транзакций на основе модели учетной записи. Новое поколение проектов, таких как Monad, Sei, Fuel, MegaETH и т. д., еще больше пытается внедрить передовые идеи, такие как выполнение конвейера, оптимистичный параллелизм, разделение хранилища и параллельное разделение для создания высокопроизводительных исполнительных ядер, подобных современным процессорам. Основное преимущество этого направления заключается в том, что ему не нужно полагаться на многоцепочечную архитектуру для достижения прорыва в лимите пропускной способности, и в то же время обеспечивается достаточная вычислительная гибкость для выполнения сложных смарт-контрактов, что является важной технической предпосылкой для будущих сценариев применения, таких как AI Agent, крупномасштабные сетевые игры и высокочастотные деривативы.
Если посмотреть на вышеупомянутые пять типов путей масштабирования, то за ними на самом деле стоит систематический компромисс между производительностью, компонуемостью, безопасностью и сложностью разработки блокчейна. Роллап силен в аутсорсинге консенсуса и безопасном наследовании, модульность выделяет структурную гибкость и повторное использование компонентов, масштабирование вне сети пытается прорваться через узкое место основной цепи, но стоимость доверия высока, а внутричейн-параллелизм фокусируется на фундаментальном обновлении уровня исполнения, пытаясь приблизиться к пределу производительности современных распределенных систем, не нарушая согласованность цепочки. Невозможно для каждого пути решить все проблемы, но именно эти направления в совокупности формируют панораму обновления вычислительной парадигмы Web3, а также предоставляют разработчикам, архитекторам и инвесторам чрезвычайно богатые стратегические возможности.
Подобно тому, как операционная система перешла от одноядерной к многоядерной, а базы данных эволюционировали от последовательных индексов к параллельным транзакциям, расширение Web3 в конечном итоге приведет к эре высокопараллельного выполнения. В нашу эпоху производительность — это уже не просто гонка на скорости цепи, а всестороннее воплощение лежащей в основе философии проектирования, глубокого понимания архитектуры, сотрудничества программного и аппаратного обеспечения и управления системой. И внутрицепной параллелизм может стать конечным полем битвы в этой долгосрочной войне.
3. Граф классификации параллельных вычислений: пять путей от аккаунта к инструкцииВ
условиях непрерывной эволюции технологии масштабирования блокчейна параллельные вычисления постепенно стали основным путем для прорывов в производительности. В отличие от горизонтального разделения структурного уровня, сетевого уровня или уровня доступности данных, параллельные вычисления представляют собой глубокий майнинг на уровне исполнения, который связан с самой низкой логикой эффективности работы блокчейна и определяет скорость отклика и вычислительную мощность блокчейн-системы в условиях высокого параллелизма и многотипных сложных транзакций. Начав с модели выполнения и рассмотрев развитие этой технологической линии, мы можем отсортировать четкую классификационную карту параллельных вычислений, которую можно условно разделить на пять технических путей: параллелизм на уровне учетной записи, параллелизм на уровне объекта, параллелизм на уровне транзакций, параллелизм на уровне виртуальной машины и параллелизм на уровне инструкций. Эти пять типов путей, от крупнозернистых до мелкозернистых, представляют собой не только непрерывный процесс уточнения параллельной логики, но и путь возрастающей сложности системы и сложности планирования.