Báo cáo nghiên cứu chuyên sâu về điện toán song song Web3: Con đường cuối cùng để mở rộng quy mô gốc

1. Giới thiệu: Mở rộng quy mô là một đề xuất vĩnh cửu, và song song là chiến trường cuối cùng

từ khi Bitcoin ra đời, hệ thống blockchain luôn phải đối mặt với một vấn đề cốt lõi không thể tránh khỏi: mở rộng quy mô. Bitcoin xử lý ít hơn 10 giao dịch mỗi giây và Ethereum phải vật lộn để vượt qua nút thắt hiệu suất của hàng chục TPS (giao dịch mỗi giây), điều này đặc biệt cồng kềnh trong thế giới Web2 truyền thống, nơi hàng chục nghìn TPS thường được sử dụng. Quan trọng hơn, đây không phải là một vấn đề đơn giản có thể giải quyết bằng cách "thêm máy chủ", mà là một hạn chế hệ thống ăn sâu vào sự đồng thuận cơ bản và thiết kế cấu trúc của blockchain - đó là tam giác bất khả thi của blockchain, nơi "phi tập trung, bảo mật và khả năng mở rộng" không thể kết hợp.

Trong thập kỷ qua, chúng ta đã chứng kiến vô số nỗ lực mở rộng tăng và giảm. Từ cuộc chiến mở rộng quy mô Bitcoin đến tầm nhìn phân mảnh Ethereum, từ các kênh trạng thái và plasma đến rollup và blockchain mô-đun, từ thực thi ngoài chuỗi trong Lớp 2 đến tái cấu trúc Tính khả dụng của dữ liệu, toàn bộ ngành công nghiệp đã bắt tay vào một con đường mở rộng quy mô đầy trí tưởng tượng kỹ thuật. Là mô hình mở rộng quy mô được chấp nhận rộng rãi nhất, rollup đã đạt được mục tiêu tăng đáng kể TPS đồng thời giảm gánh nặng thực thi của chuỗi chính và duy trì tính bảo mật của Ethereum. Nhưng nó không chạm đến giới hạn thực sự của "hiệu suất chuỗi đơn" cơ bản của blockchain, đặc biệt là ở cấp độ thực thi, đó là thông lượng của chính khối - vẫn bị giới hạn bởi mô hình xử lý cổ xưa của tính toán nối tiếp trên chuỗi.

Do đó, điện toán song song trong chuỗi đã dần đi vào tầm nhìn của ngành. Khác với mở rộng quy mô ngoài chuỗi và phân phối chuỗi chéo, tính song song trong chuỗi cố gắng xây dựng lại hoàn toàn công cụ thực thi trong khi vẫn duy trì tính nguyên tử và cấu trúc tích hợp chuỗi đơn, đồng thời nâng cấp blockchain từ chế độ đơn luồng "thực hiện nối tiếp từng giao dịch một" thành hệ thống điện toán đồng thời cao của "đa luồng + đường ống + lập lịch phụ thuộc" dưới sự hướng dẫn của hệ điều hành hiện đại và thiết kế CPU. Một con đường như vậy có thể không chỉ đạt được sự gia tăng gấp trăm lần thông lượng mà còn có thể trở thành điều kiện tiên quyết quan trọng cho sự bùng nổ của các ứng dụng hợp đồng thông minh.

Trên thực tế, trong mô hình điện toán Web2, điện toán đơn luồng từ lâu đã bị loại bỏ bởi các kiến trúc phần cứng hiện đại và được thay thế bằng vô số các mô hình tối ưu hóa như lập trình song song, lập lịch không đồng bộ, nhóm luồng và vi dịch vụ. Blockchain, với tư cách là một hệ thống điện toán nguyên thủy và bảo thủ hơn với yêu cầu cực kỳ cao về tính chắc chắn và khả năng kiểm chứng, chưa bao giờ có thể sử dụng đầy đủ các ý tưởng tính toán song song này. Đây vừa là giới hạn vừa là cơ hội. Các chuỗi mới như Solana, Sui và Aptos là những chuỗi đầu tiên bắt đầu khám phá này bằng cách giới thiệu tính song song ở cấp độ kiến trúc. Các dự án mới nổi như Monad và MegaETH đã nâng cao hơn nữa tính song song trên chuỗi thành những đột phá trong các cơ chế sâu như thực thi đường ống, đồng thời lạc quan và điều khiển thông điệp không đồng bộ, cho thấy các đặc điểm ngày càng gần hơn với các hệ điều hành hiện đại.

thể nói, điện toán song song không chỉ là một "phương pháp tối ưu hóa hiệu suất", mà còn là bước ngoặt trong mô hình của mô hình thực thi blockchain. Nó thách thức các mô hình cơ bản của việc thực hiện hợp đồng thông minh và xác định lại logic cơ bản của đóng gói giao dịch, truy cập trạng thái, mối quan hệ cuộc gọi và bố cục lưu trữ. Nếu rollup là "chuyển giao dịch sang thực thi ngoài chuỗi", thì song song on-chain là "xây dựng các lõi siêu máy tính trên chuỗi" và mục tiêu của nó không chỉ đơn giản là cải thiện thông lượng mà còn cung cấp hỗ trợ cơ sở hạ tầng thực sự bền vững cho các ứng dụng Web3 gốc trong tương lai (giao dịch tần suất cao, công cụ trò chơi, thực thi mô hình AI, mạng xã hội trên chuỗi, v.v.).

Sau khi track rollup dần có xu hướng đồng nhất, tính song song trong chuỗi đang lặng lẽ trở thành biến số quyết định của chu kỳ mới của cạnh tranh Layer 1. Hiệu suất không còn chỉ là "nhanh hơn", mà là khả năng có thể hỗ trợ toàn bộ thế giới ứng dụng không đồng nhất. Đây không chỉ là một cuộc đua kỹ thuật, mà còn là một cuộc chiến mô hình. Thế hệ tiếp theo của các nền tảng thực thi có chủ quyền trong thế giới Web3 có khả năng xuất hiện từ cuộc đấu vật song song trong chuỗi này.

2. Toàn cảnh mô hình mở rộng:

Là một trong những chủ đề quan trọng, bền vững và khó khăn nhất trong sự phát triển của công nghệ chuỗi công khai, năm loại lộ trình, mỗi loại đều tập trung vào mở rộng, đã khai sinh ra sự xuất hiện và phát triển của hầu hết các con đường công nghệ chính thống trong thập kỷ qua. Bắt đầu từ cuộc chiến về kích thước khối của Bitcoin, cuộc thi kỹ thuật về "làm thế nào để chuỗi chạy nhanh hơn" này cuối cùng được chia thành năm lộ trình cơ bản, mỗi tuyến cắt vào nút thắt cổ chai từ một góc độ khác nhau, với triết lý kỹ thuật riêng, độ khó hạ cánh, mô hình rủi ro và các kịch bản áp dụng.

tuyến đầu tiên là mở rộng quy mô on-chain đơn giản nhất, thể hiện các cách để tăng kích thước khối, rút ngắn thời gian khối hoặc cải thiện sức mạnh xử lý bằng cách tối ưu hóa cấu trúc dữ liệu và cơ chế đồng thuận. Cách tiếp cận này đã trở thành trọng tâm của cuộc tranh luận về quy mô Bitcoin, làm nảy sinh các fork phe "khối lớn" như BCH và BSV, đồng thời cũng ảnh hưởng đến ý tưởng thiết kế của các chuỗi công khai hiệu suất cao ban đầu như EOS và NEO. Ưu điểm của loại lộ trình này là nó vẫn giữ được sự đơn giản của tính nhất quán một chuỗi, dễ hiểu và triển khai, nhưng cũng rất dễ chạm vào giới hạn trên của hệ thống như rủi ro tập trung, chi phí vận hành nút tăng và độ khó đồng bộ hóa tăng lên, vì vậy nó không còn là giải pháp cốt lõi chính trong thiết kế ngày nay, mà đã trở thành một sự sắp xếp phụ trợ của các cơ chế khác.

Loại tuyến thứ hai là mở rộng quy mô ngoài chuỗi, được thể hiện bằng các kênh trạng thái và sidechain. Ý tưởng cơ bản của loại đường dẫn này là di chuyển hầu hết hoạt động giao dịch ra ngoài chuỗi và chỉ ghi kết quả cuối cùng vào chuỗi chính, đóng vai trò là lớp thanh toán cuối cùng. Về triết lý kỹ thuật, nó gần với kiến trúc không đồng bộ của Web2 - cố gắng để lại quá trình xử lý giao dịch nặng ở ngoại vi và chuỗi chính thực hiện xác minh đáng tin cậy tối thiểu. Mặc dù ý tưởng này về mặt lý thuyết có thể có thể mở rộng vô hạn, nhưng mô hình tin cậy, bảo mật quỹ và độ phức tạp tương tác của các giao dịch ngoài chuỗi hạn chế ứng dụng của nó. Ví dụ, mặc dù Lightning Network có định vị rõ ràng về các kịch bản tài chính nhưng quy mô của hệ sinh thái chưa bao giờ bùng nổ. Tuy nhiên, nhiều thiết kế dựa trên sidechain, chẳng hạn như Polygon POS, không chỉ có thông lượng cao mà còn bộc lộ những nhược điểm khó kế thừa tính bảo mật của chuỗi chính.

Loại tuyến thứ ba là tuyến rollup Layer 2 phổ biến và được triển khai rộng rãi nhất. Phương pháp này không trực tiếp thay đổi chính chuỗi chính mà mở rộng quy mô thông qua cơ chế thực thi ngoài chuỗi và xác minh trên chuỗi. Optimistic Rollup và ZK Rollup có những ưu điểm riêng: trước đây triển khai nhanh và tương thích cao, nhưng nó có các vấn đề về độ trễ thời gian thử thách và cơ chế chống gian lận; Loại thứ hai có tính bảo mật mạnh mẽ và khả năng nén dữ liệu tốt, nhưng nó phức tạp để phát triển và thiếu khả năng tương thích với EVM. Bất kể đó là loại rollup nào, bản chất của nó là thuê ngoài sức mạnh thực thi, đồng thời giữ dữ liệu và xác minh trên chuỗi chính, đạt được sự cân bằng tương đối giữa phi tập trung và hiệu suất cao. Sự phát triển nhanh chóng của các dự án như Arbitrum, Optimism, zkSync và StarkNet chứng minh tính khả thi của con đường này, nhưng nó cũng phơi bày các nút thắt cổ chai trung hạn như phụ thuộc quá mức vào tính khả dụng của dữ liệu (DA), chi phí cao và kinh nghiệm phát triển phân mảnh.

Loại tuyến thứ tư là kiến trúc blockchain mô-đun đã xuất hiện trong những năm gần đây, chẳng hạn như Celestia, Avail, EigenLayer, v.v. Mô hình mô-đun ủng hộ việc tách rời hoàn toàn các chức năng cốt lõi của blockchain - thực thi, đồng thuận, tính sẵn có của dữ liệu và thanh toán - bằng nhiều chuỗi chuyên biệt để hoàn thành các chức năng khác nhau, sau đó kết hợp chúng thành một mạng có thể mở rộng với giao thức chuỗi chéo. Hướng đi này bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi kiến trúc mô-đun của hệ điều hành và khả năng kết hợp của điện toán đám mây, có ưu điểm là có thể thay thế linh hoạt các thành phần hệ thống và cải thiện đáng kể hiệu quả trong các lĩnh vực cụ thể như DA. Tuy nhiên, những thách thức cũng rất rõ ràng: chi phí đồng bộ, xác minh và tin tưởng lẫn nhau giữa các hệ thống sau khi tách mô-đun là cực kỳ cao, hệ sinh thái nhà phát triển cực kỳ phân mảnh, và yêu cầu về các tiêu chuẩn giao thức trung và dài hạn và bảo mật chuỗi chéo cao hơn nhiều so với thiết kế chuỗi truyền thống. Về bản chất, mô hình này không còn xây dựng một "chuỗi" mà xây dựng một "mạng chuỗi", đưa ra một ngưỡng chưa từng có cho sự hiểu biết về kiến trúc tổng thể và vận hành và bảo trì.

Loại tuyến đường cuối cùng, là trọng tâm của phân tích tiếp theo trong bài báo này, là đường dẫn tối ưu hóa tính toán song song trong chuỗi. Không giống như bốn loại "phân tách ngang" đầu tiên, chủ yếu thực hiện "phân tách ngang" từ cấp độ cấu trúc, điện toán song song nhấn mạnh "nâng cấp dọc", nghĩa là, việc xử lý đồng thời các giao dịch nguyên tử được thực hiện bằng cách thay đổi kiến trúc của công cụ thực thi trong một chuỗi duy nhất. Điều này đòi hỏi phải viết lại logic lập lịch máy ảo và giới thiệu một bộ hoàn chỉnh các cơ chế lập lịch hệ thống máy tính hiện đại, chẳng hạn như phân tích phụ thuộc giao dịch, dự đoán xung đột trạng thái, kiểm soát song song và gọi không đồng bộ. Solana là dự án đầu tiên triển khai khái niệm máy ảo song song vào một hệ thống cấp chuỗi, thực hiện thực thi song song đa lõi thông qua phán đoán xung đột giao dịch dựa trên mô hình tài khoản. Các dự án thế hệ mới, chẳng hạn như Monad, Sei, Fuel, MegaETH, v.v., tiếp tục cố gắng giới thiệu các ý tưởng tiên tiến như thực thi đường ống, đồng thời lạc quan, phân vùng lưu trữ và tách song song để xây dựng các lõi thực thi hiệu suất cao tương tự như CPU hiện đại. Ưu điểm cốt lõi của hướng này là không cần dựa vào kiến trúc đa chuỗi để đạt được sự đột phá về giới hạn thông lượng, đồng thời cung cấp đủ tính linh hoạt tính toán để thực hiện các hợp đồng thông minh phức tạp, đây là điều kiện tiên quyết kỹ thuật quan trọng cho các tình huống ứng dụng trong tương lai như AI Agent, trò chơi chuỗi quy mô lớn và các công cụ phái sinh tần số cao.

Nhìn vào năm loại đường dẫn mở rộng quy mô trên, sự phân chia đằng sau chúng thực sự là sự đánh đổi có hệ thống giữa hiệu suất, khả năng kết hợp, bảo mật và độ phức tạp phát triển của blockchain. Rollup mạnh mẽ trong việc gia công phần mềm đồng thuận và kế thừa an toàn, tính mô-đun làm nổi bật tính linh hoạt của cấu trúc và tái sử dụng thành phần, nỗ lực mở rộng quy mô ngoài chuỗi để vượt qua nút thắt cổ chai của chuỗi chính nhưng chi phí tin cậy cao và tính song song trong chuỗi tập trung vào nâng cấp cơ bản của lớp thực thi, cố gắng tiếp cận giới hạn hiệu suất của các hệ thống phân tán hiện đại mà không phá hủy tính nhất quán của chuỗi. Không thể mỗi con đường giải quyết được tất cả các vấn đề, nhưng chính những hướng đi này cùng nhau tạo thành một bức tranh toàn cảnh về nâng cấp mô hình điện toán Web3, đồng thời cung cấp cho các nhà phát triển, kiến trúc sư và nhà đầu tư các lựa chọn chiến lược vô cùng phong phú.

Cũng giống như hệ điều hành đã chuyển từ lõi đơn sang đa lõi và cơ sở dữ liệu đã phát triển từ các chỉ mục tuần tự sang các giao dịch đồng thời, việc mở rộng Web3 cuối cùng sẽ chuyển sang kỷ nguyên thực thi song song cao. Trong thời đại này, hiệu suất không còn chỉ là một cuộc đua tốc độ dây chuyền, mà là hiện thân toàn diện của triết lý thiết kế cơ bản, hiểu biết sâu sắc về kiến trúc, hợp tác phần mềm và phần cứng và điều khiển hệ thống. Và song song trong chuỗi có thể là chiến trường cuối cùng của cuộc chiến lâu dài này.

3. Biểu đồ phân loại điện toán song song: năm con đường từ tài khoản đến hướng dẫnTrong

bối cảnh công nghệ mở rộng quy mô blockchain không ngừng phát triển, điện toán song song đã dần trở thành con đường cốt lõi cho những đột phá về hiệu suất. Khác với tách rời theo chiều ngang của lớp cấu trúc, lớp mạng hoặc lớp tính khả dụng dữ liệu, điện toán song song là khai thác sâu ở lớp thực thi, có liên quan đến logic thấp nhất về hiệu quả hoạt động của blockchain và xác định tốc độ phản hồi và khả năng xử lý của hệ thống blockchain khi đối mặt với tính đồng thời cao và các giao dịch phức tạp đa loại. Bắt đầu từ mô hình thực thi và xem xét sự phát triển của dòng công nghệ này, chúng ta có thể sắp xếp một bản đồ phân loại rõ ràng của điện toán song song, có thể được chia thành năm con đường kỹ thuật: song song cấp tài khoản, song song cấp đối tượng, song song cấp giao dịch, song song cấp máy ảo và song song cấp lệnh lệnh. Năm loại đường dẫn này, từ hạt thô đến hạt mịn, không chỉ là quá trình tinh chỉnh liên tục của logic song song, mà còn là con đường làm tăng độ phức tạp của hệ thống và độ khó lập lịch trình.