Звіт про глибоке дослідження паралельних обчислень Huobi Growth Academy|Web3: остаточний шлях до нативного масштабування

1. Вступ: Масштабування - це вічна пропозиція, а паралелізм - остаточне поле бою

З моменту народження Bitcoin система блокчейн завжди стикалася з неминучою основною проблемою: масштабуванням. Bitcoin обробляє менше 10 транзакцій в секунду, і Ethereum щосили намагається подолати вузьке місце продуктивності в десятки TPS (транзакцій в секунду), що особливо громіздко в традиційному світі Web2, який часто становить десятки тисяч TPS. Що ще важливіше, це не проста проблема, яку можна вирішити шляхом «додавання серверів», а системне обмеження, глибоко вбудоване в базовий консенсус і структурний дизайн блокчейну - тобто неможливий трикутник блокчейну, де «децентралізація, безпека та масштабованість» не можуть бути поєднані.

За останнє десятиліття ми спостерігали незліченну кількість спроб розширення, які то зростали, то падали. Від війни за масштабування Bitcoin до бачення шардингу Ethereum, від каналів станів і плазми до роллапів і модульних блокчейнів, від офчейн-виконання на рівні 2 до структурного рефакторингу доступності даних, вся індустрія стала на шлях масштабування, повного інженерної уяви. Як найбільш широко прийнята парадигма масштабування, rollup досяг мети значного збільшення TPS при одночасному зниженні навантаження на виконання основного ланцюга та збереженні безпеки Ethereum. Але це не торкається реальних меж базової «одноланцюгової продуктивності» блокчейну, особливо на рівні виконання, яка є пропускною здатністю самого блоку – все ще обмежена стародавньою парадигмою обробки послідовних обчислень у ланцюжку.

Через це паралельні обчислення в ланцюжку поступово увійшли в поле зору галузі. На відміну від офчейн-масштабування та крос-чейн розподілу, внутрішньоланцюговий паралелізм намагається повністю реконструювати двигун виконання, зберігаючи атомарність та інтегровану структуру одного ланцюга, і оновлює блокчейн з однопотокового режиму «послідовного виконання однієї транзакції за однією» до високопаралелісної обчислювальної системи «багатопоточність + конвеєр + планування залежностей» під керівництвом сучасної операційної системи та дизайну процесора. Такий шлях може не тільки досягти стократного збільшення пропускної здатності, але і стати ключовою передумовою для вибуху додатків смарт-контрактів.

Фактично, у парадигмі обчислень Web2 однопотокові обчислення вже давно витіснені сучасними апаратними архітектурами, і замінені нескінченним потоком оптимізаційних моделей, таких як паралельне програмування, асинхронне планування, пули потоків та мікросервіси. Блокчейн, як більш примітивна і консервативна обчислювальна система з надзвичайно високими вимогами до достовірності і перевірюваності, ніколи не зміг повною мірою використовувати ці ідеї паралельних обчислень. Це і обмеження, і можливість. Нові мережі, такі як Solana, Sui та Aptos, першими починають це дослідження, впроваджуючи паралелізм на архітектурному рівні. Нові проекти, такі як Monad і MegaETH, ще більше підвищили паралелізм в ланцюжку до проривів у глибоких механізмах, таких як виконання конвеєра, оптимістичний паралелізм і асинхронне управління повідомленнями, демонструючи характеристики, які стають все ближче і ближче до сучасних операційних систем.

Можна сказати, що паралельні обчислення – це не тільки «метод оптимізації продуктивності», а й поворотний момент у парадигмі моделі виконання блокчейну. Він кидає виклик фундаментальним моделям виконання смарт-контрактів і перевизначає базову логіку упаковки транзакцій, доступу до стану, відносин дзвінків і макета сховища. Якщо rollup — це «переміщення транзакцій до офчейн-виконання», то ончейн-паралелізм — це «створення суперкомп'ютерних ядер у ланцюжку», і його мета — не просто покращити пропускну здатність, а забезпечити справді стійку підтримку інфраструктури для майбутніх нативних додатків Web3 (високочастотна торгівля, ігрові двигуни, виконання моделі штучного інтелекту, соціальні мережі в ланцюжку тощо).

Після того, як трек rollup поступово має тенденцію до однорідності, внутрішньоланцюговий паралелізм непомітно стає вирішальною змінною нового циклу конкуренції рівня 1. Продуктивність - це вже не просто «швидше», а можливість підтримувати цілий різнорідний світ додатків. Це не тільки технічна гонка, а й битва парадигм. Наступне покоління суверенних платформ для виконання у світі Web3, ймовірно, з'явиться з цієї внутрішньоланцюгової паралельної боротьби.

2. Панорама парадигми розширення:

Як одна з найважливіших, стійких і складних тем в еволюції технології публічних ланцюгів, п'ять типів маршрутів, кожен з яких має свій акцент на розширенні, породили появу та еволюцію майже всіх основних технологічних шляхів за останнє десятиліття. Почавши з битви за розмір блоку Bitcoin, це технічне змагання на тему «як змусити ланцюг працювати швидше» нарешті розділилося на п'ять основних маршрутів, кожен з яких врізається в вузьке місце під різним кутом, зі своєю технічною філософією, складністю посадки, моделлю ризику і застосовними сценаріями.

перший шлях - це найпростіше масштабування в ланцюжку, яке представляє способи збільшення розміру блоку, скорочення часу блоку або поліпшення обчислювальної потужності за рахунок оптимізації структури даних і механізму консенсусу. Цей підхід був у центрі уваги дебатів про масштабування Bitcoin, що призвело до появи форків «великого блоку», таких як BCH та BSV, а також вплинуло на ідеї дизайну ранніх високопродуктивних публічних ланцюгів, таких як EOS та NEO. Перевага такого роду маршруту полягає в тому, що він зберігає простоту одноланцюгової узгодженості, яку легко зрозуміти та розгорнути, але також дуже легко торкнутися верхньої системної межі, такої як ризик централізації, зростання експлуатаційних витрат вузлів та підвищена складність синхронізації, тому він більше не є основним основним основним рішенням у сучасному дизайні, а став скоріше допоміжним зведенням інших механізмів.

Другий тип маршруту – це офчейн-масштабування, яке представлено каналами стану та сайдчейнами. Основна ідея цього типу шляху полягає в тому, щоб перенести більшу частину транзакційної активності в офчейн і записувати кінцевий результат лише в основний ланцюг, який виступає в якості кінцевого рівня розрахунків. З точки зору технічної філософії, вона близька до асинхронної архітектури Web2 — намагайтеся залишити важку обробку транзакцій на периферії, а основний ланцюг робить мінімальну довірчу верифікацію. Хоча ця ідея теоретично може бути нескінченно масштабованою, модель довіри, безпека фондів і складність взаємодії офчейн-транзакцій обмежують її застосування. Наприклад, хоча Lightning Network має чітке позиціонування фінансових сценаріїв, масштаби екосистеми ніколи не вибухали. Однак кілька конструкцій на основі сайдчейнів, таких як Polygon POS, не тільки мають високу пропускну здатність, але й викривають недоліки складного успадкування безпеки основного ланцюга.

Третій тип маршрутів є найпопулярнішим і широко розгорнутим маршрутом зведення рівня 2. Цей метод безпосередньо не змінює сам основний ланцюг, а масштабується через механізм виконання поза ланцюгом та верифікації в мережі. Optimistic Rollup і ZK Rollup мають свої переваги: перший швидкий у впровадженні та високо сумісний, але має проблеми затримки періоду виклику та механізму захисту від шахрайства; Останній має надійний захист і хороші можливості стиснення даних, але він складний у розробці та не має сумісності з EVM. Незалежно від того, до якого типу ролапу це належить, його суть полягає в тому, щоб передати потужність виконання на аутсорсинг, зберігаючи при цьому дані та верифікацію в основному ланцюжку, досягаючи відносного балансу між децентралізацією та високою продуктивністю. Стрімке зростання таких проєктів, як Arbitrum, Optimism, zkSync і StarkNet, доводить реалістичність цього шляху, але воно також оголює середньострокові вузькі місця, такі як надмірна залежність від доступності даних (DA), високі витрати та фрагментарний досвід розробки.

Четвертий тип маршруту – це модульна архітектура блокчейну, що з'явилася в останні роки, така як Celestia, Avail, EigenLayer тощо. Модульна парадигма виступає за повне відокремлення основних функцій блокчейну - виконання, консенсусу, доступності даних і розрахунків - кількома спеціалізованими ланцюжками для виконання різних функцій, а потім об'єднання їх в масштабовану мережу з крос-чейн протоколом. На цей напрямок сильно вплинула модульна архітектура операційної системи та концепція компонування хмарних обчислень, перевагою якої є можливість гнучкої заміни компонентів системи та значного підвищення ефективності в конкретних областях, таких як DA. Однак проблеми також дуже очевидні: вартість синхронізації, верифікації та взаємної довіри між системами після розв'язки модулів надзвичайно висока, екосистема розробників надзвичайно фрагментована, а вимоги до середньострокових і довгострокових стандартів протоколів і крос-чейн безпеки набагато вищі, ніж при традиційному дизайні ланцюгів. По суті, ця модель вже не будує «ланцюжок», а будує «ланцюгову мережу», що висуває безпрецедентний поріг для загального розуміння архітектури та її експлуатації та обслуговування.

Останнім типом маршруту, на якому зосереджений подальший аналіз у даній роботі, є внутрішньоланцюговий шлях оптимізації паралельних обчислень. На відміну від перших чотирьох типів «горизонтального розбиття», які в основному здійснюють «горизонтальне розбиття» зі структурного рівня, паралельні обчислення роблять акцент на «вертикальному оновленні», тобто одночасна обробка атомарних транзакцій реалізується шляхом зміни архітектури механізму виконання в межах єдиного ланцюга. Для цього потрібно переписати логіку планування ВМ і впровадити повний набір сучасних механізмів планування комп'ютерних систем, таких як аналіз залежності транзакцій, прогнозування конфліктів станів, контроль паралелізму та асинхронний виклик. Solana є першим проєктом, який реалізує концепцію паралельної віртуальної машини в систему на рівні ланцюга, яка реалізує багатоядерне паралельне виконання за допомогою судження про конфлікт транзакцій на основі моделі облікового запису. Нове покоління проектів, таких як Monad, Sei, Fuel, MegaETH і т.д., також намагається впровадити передові ідеї, такі як виконання конвеєра, оптимістичний паралелізм, розділення сховища і паралельне розв'язування для створення високопродуктивних ядер виконання, схожих на сучасні процесори. Основна перевага цього напрямку полягає в тому, що йому не потрібно покладатися на багатоланцюгову архітектуру для досягнення прориву в ліміті пропускної здатності, і в той же час забезпечує достатню обчислювальну гнучкість для виконання складних смарт-контрактів, що є важливою технічною передумовою для майбутніх сценаріїв застосування, таких як AI Agent, масштабні ланцюгові ігри та високочастотні похідні.

Розглядаючи вищезазначені п'ять типів шляхів масштабування, поділ, що стоїть за ними, насправді є систематичним компромісом між продуктивністю, компонуванням, безпекою та складністю розробки блокчейну. Rollup сильний у консенсусному аутсорсингу та безпечному успадкуванні, модульність підкреслює структурну гнучкість та повторне використання компонентів, масштабування поза ланцюгом намагається пробити вузьке місце основного ланцюга, але вартість довіри висока, а внутрішньоланцюговий паралелізм зосереджується на фундаментальному оновленні рівня виконання, намагаючись наблизитися до межі продуктивності сучасних розподілених систем без руйнування узгодженості ланцюга. Кожен шлях не може вирішити всі проблеми, але саме ці напрямки разом формують панораму оновлення парадигми Web3 комп'ютерів, а також надають розробникам, архітекторам та інвесторам надзвичайно багаті стратегічні можливості.

Подібно до того, як операційна система перейшла від одноядерної до багатоядерної, а бази даних еволюціонували від послідовних індексів до паралельних транзакцій, розширення Web3 зрештою переміститься до ери дуже паралельного виконання. У цю епоху продуктивність – це вже не просто гонка за швидкістю ланцюга, а всеосяжне втілення філософії, що лежить в основі дизайну, глибини розуміння архітектури, спільної роботи програмного та апаратного забезпечення, а також управління системою. І внутрішньоланцюговий паралелізм може стати кінцевим полем бою цієї довготривалої війни.

3. Графік класифікації паралельних обчислень: п'ять шляхів від облікового запису до інструкціїУ

контексті безперервної еволюції технології масштабування блокчейну паралельні обчислення поступово стали основним шляхом для проривів у продуктивності. На відміну від горизонтального розв'язання структурного рівня, мережевого рівня або рівня доступності даних, паралельні обчислення є глибоким майнінгом на рівні виконання, який пов'язаний з найнижчою логікою ефективності роботи блокчейну та визначає швидкість реакції та обчислювальну здатність системи блокчейну в умовах високого паралелізму та багатотипових складних транзакцій. Відштовхуючись від моделі виконання та розглядаючи розвиток цієї технологічної лінії, ми можемо скласти чітку класифікаційну карту паралельних обчислень, яку можна умовно розділити на п'ять технічних шляхів: паралелізм на рівні облікового запису, паралелізм на рівні об'єкта, паралелізм на рівні транзакцій, паралелізм на рівні віртуальної машини та паралелізм на рівні інструкцій. Ці п'ять типів шляхів, від грубозернистих до дрібнозернистих, є не тільки безперервним процесом уточнення паралельної логіки, але й шляхом зростання складності системи та складності планування.