Rapport de recherche sur la profondeur du calcul parallèle Web3 : le chemin ultime de l'extension native

I. Introduction : L'extension est un sujet éternel, et le parallélisme est le champ de bataille ultime

Depuis sa création, le système blockchain est confronté à ce problème central qu'est l'évolutivité. Les goulots d'étranglement de performance de Bitcoin et Ethereum sont difficiles à surmonter, ce qui contraste fortement avec le monde traditionnel du Web2. Le problème de l'évolutivité est profondément ancré dans la conception sous-jacente de la blockchain, se manifestant par le dilemme de ne pas pouvoir concilier "décentralisation, sécurité, et évolutivité".

Au cours des dix dernières années, la technologie d'évolutivité a connu de nombreuses itérations. De la guerre de l'évolutivité du Bitcoin aux shards d'Ethereum, des canaux d'état au Rollup, du Layer 2 à la reconstruction de la disponibilité des données, l'industrie a exploré des voies d'évolutivité pleines d'imagination. Le Rollup, en tant que paradigme d'évolutivité dominant actuel, améliore le TPS tout en préservant la sécurité d'Ethereum. Cependant, il n'a pas atteint la véritable limite de "performance d'une seule chaîne" de la blockchain, en particulier sur le plan d'exécution, qui reste limité par le vieux paradigme du calcul sériel sur chaîne.

Le calcul parallèle en chaîne entre progressivement dans la vue de l'industrie. Il tente de reconstruire complètement le moteur d'exécution tout en maintenant la structure à chaîne unique, en élevant la blockchain de "l'exécution des transactions en série" à un système haute concurrence de "multithreading + pipeline + planification des dépendances". Cela pourrait non seulement réaliser des augmentations de débit de plusieurs centaines de fois, mais aussi devenir un préalable clé à l'explosion des applications de contrats intelligents.

Le calcul parallèle remet en question le modèle fondamental de l'exécution des contrats intelligents, redéfinissant la logique de base de l'emballage des transactions, de l'accès à l'état, des relations d'appel et de la disposition du stockage. Son objectif n'est pas simplement d'augmenter le débit, mais de fournir un support d'infrastructure durable pour les applications natives Web3 de demain.

Après que la course Rollup soit devenue homogène, le parallélisme intra-chaîne devient une variable décisive dans la compétition Layer1 du nouveau cycle. La performance n'est plus seulement "plus rapide", mais la possibilité de soutenir un monde d'applications hétérogènes entier. Ce n'est pas seulement une compétition technique, mais aussi une bataille de paradigmes. La prochaine génération de plateformes d'exécution souveraines du monde Web3 pourrait bien émerger de cette lutte pour le parallélisme intra-chaîne.

II. Panorama des paradigmes d'extension : cinq types de routes, chacun avec ses propres points forts

L'expansion, en tant que l'un des sujets les plus importants, les plus durables et les plus difficiles à aborder dans l'évolution de la technologie des blockchains publiques, a donné naissance à presque tous les chemins technologiques principaux au cours de la dernière décennie. Depuis le début de la controverse sur la taille des blocs de Bitcoin, cette course technologique sur "comment faire fonctionner la chaîne plus rapidement" a finalement abouti à cinq grandes lignes de base, chacune abordant le goulet d'étranglement sous un angle différent, avec sa propre philosophie technique, difficulté de mise en œuvre, modèle de risque et cas d'utilisation.

La première catégorie de solutions est l'expansion on-chain la plus directe, avec des pratiques représentatives telles que l'augmentation de la taille des blocs, la réduction du temps de génération des blocs, ou l'amélioration de la capacité de traitement par l'optimisation des structures de données et des mécanismes de consensus. Cette approche est devenue le centre des débats sur l'expansion de Bitcoin, donnant naissance à des forks tels que BCH et BSV qui soutiennent les "grands blocs", et a également influencé la conception des premières blockchains à haute performance comme EOS et NEO. Les avantages de cette approche résident dans la préservation de la simplicité de la cohérence d'une seule chaîne, ce qui la rend facile à comprendre et à déployer, mais elle est également susceptible d'atteindre des limites systémiques telles que les risques de centralisation, l'augmentation des coûts d'exploitation des nœuds et la difficulté de synchronisation. Par conséquent, elle n'est plus considérée comme une solution centrale dans les conceptions actuelles, mais plutôt comme un complément à d'autres mécanismes.

La deuxième catégorie de solutions est l'extension hors chaîne, représentée par les canaux d'état et les chaînes latérales. L'idée de base de ce type de chemin est de déplacer la majeure partie des activités de transaction hors chaîne, ne faisant écrire que le résultat final sur la chaîne principale, qui sert de couche de règlement final. En termes de philosophie technique, cela se rapproche de la pensée architecturale asynchrone de Web2. Bien que cette approche puisse théoriquement étendre indéfiniment le débit, des problèmes tels que le modèle de confiance des transactions hors chaîne, la sécurité des fonds et la complexité des interactions limitent son application. Un exemple typique est le réseau Lightning, qui a une position claire dans le cadre financier, mais l'échelle de l'écosystème n'a jamais explosé ; tandis que plusieurs conceptions basées sur des chaînes latérales, comme Polygon POS, exposent également les inconvénients de la difficulté à hériter de la sécurité de la chaîne principale tout en ayant un haut débit.

La troisième catégorie de solutions est celle des Layer2 Rollup, qui est actuellement la plus populaire et la plus largement déployée. Cette méthode ne modifie pas directement la chaîne principale elle-même, mais permet l'extension par le biais d'une exécution hors chaîne et d'une vérification sur chaîne. Les Optimistic Rollup et ZK Rollup ont chacun leurs avantages : le premier offre une mise en œuvre rapide et une haute compatibilité, mais présente des problèmes de retard durant la période de challenge et des mécanismes de preuve de fraude ; le second est très sécurisé et dispose d'une bonne capacité de compression des données, mais son développement est complexe et il manque de compatibilité avec l'EVM. Quelles que soient les catégories de Rollup, leur essence est d'externaliser les droits d'exécution tout en conservant les données et la vérification sur la chaîne principale, réalisant ainsi un équilibre relatif entre décentralisation et haute performance. La croissance rapide de projets tels qu'Arbitrum, Optimism, zkSync et StarkNet prouve la faisabilité de cette voie, tout en exposant également des goulets d'étranglement à moyen terme, tels qu'une dépendance trop forte à la disponibilité des données, des coûts encore élevés et une expérience de développement fragmentée.

La quatrième catégorie de routes est celle des architectures de blockchain modulaires qui ont émergé ces dernières années, représentées par des projets tels que Celestia, Avail et EigenLayer. Le paradigme modulaire préconise une découplage complet des fonctionnalités centrales de la blockchain, permettant à plusieurs chaînes spécialisées d'accomplir différentes fonctions, qui sont ensuite combinées en un réseau extensible grâce à des protocoles inter-chaînes. Cette direction est fortement influencée par l'architecture modulaire des systèmes d'exploitation et le concept de combinabilité du cloud computing. Son avantage réside dans la flexibilité de remplacer les composants du système et d'améliorer considérablement l'efficacité à des étapes spécifiques. Cependant, ses défis sont également très évidents : après le découplage des modules, le coût de synchronisation, de validation et de confiance mutuelle entre les systèmes est extrêmement élevé, l'écosystème des développeurs est extrêmement dispersé, et les exigences en matière de normes de protocoles à moyen et long terme et de sécurité inter-chaînes sont bien supérieures à celles de la conception de chaînes traditionnelles. Ce modèle ne consiste essentiellement plus à construire une "chaîne", mais à construire un "réseau de chaînes", ce qui pose un seuil sans précédent en termes de compréhension de l'architecture globale et de l'exploitation.

La dernière catégorie de routes, qui est également l'objet d'analyse principale dans cet article, est celle des chemins d'optimisation de calcul parallèle sur la chaîne. Contrairement aux quatre premières catégories qui procèdent à un "démantèlement horizontal" principalement au niveau structurel, le calcul parallèle met l'accent sur "la mise à niveau verticale", c'est-à-dire qu'à l'intérieur d'une seule chaîne, il réalise le traitement simultané des transactions atomiques en modifiant l'architecture du moteur d'exécution. Cela nécessite de réécrire la logique de planification de la VM, d'introduire l'analyse de dépendance des transactions, la prévision des conflits d'état, le contrôle du degré de parallélisme, les appels asynchrones et tout un ensemble de mécanismes de planification modernes des systèmes informatiques. Solana est l'un des premiers projets à avoir concrétisé le concept de VM parallèle au niveau du système de chaîne, en réalisant une exécution parallèle multicœur grâce à un jugement des conflits de transactions basé sur un modèle de compte. Les nouveaux projets de génération, tels que Monad, Sei, Fuel, MegaETH, tentent d'aller encore plus loin en introduisant des idées de pointe telles que l'exécution en pipeline, la concurrence optimiste, la partition de stockage, et le découplage parallèle, afin de construire un noyau d'exécution haute performance semblable à un CPU moderne. L'avantage clé de cette direction est qu'elle permet de réaliser une percée dans les limites de débit sans dépendre d'une architecture multi-chaînes, tout en offrant une flexibilité de calcul suffisante pour l'exécution de contrats intelligents complexes, ce qui constitue un prérequis technique important pour des applications futures telles que les agents IA, les jeux sur chaîne de grande envergure, et les produits dérivés à haute fréquence.

Trois, carte des classifications du calcul parallèle : cinq grands chemins de compte à instruction

Dans le contexte de l'évolution continue des technologies d'extension de la blockchain, le calcul parallèle est devenu progressivement le chemin central pour des percées de performance. Contrairement au découplage horizontal des couches structurelles, de réseau ou de disponibilité des données, le calcul parallèle représente un approfondissement vertical au niveau de l'exécution. Il concerne la logique de base qui détermine l'efficacité opérationnelle d'une blockchain, et décide de la rapidité de réaction et de la capacité de traitement d'un système blockchain face à des transactions complexes et à forte concurrence. En partant du modèle d'exécution, en examinant le développement de cette lignée technologique, nous pouvons dresser une carte de classification claire du calcul parallèle, qui peut être grossièrement divisée en cinq voies technologiques : le calcul parallèle au niveau des comptes, le calcul parallèle au niveau des objets, le calcul parallèle au niveau des transactions, le calcul parallèle au niveau des machines virtuelles et le calcul parallèle au niveau des instructions. Ces cinq types de voies, allant de la granularité grossière à la granularité fine, représentent à la fois un processus de raffinement continu de la logique parallèle et une montée en complexité systématique ainsi qu'une difficulté accrue de planification.

Le premier niveau de parallélisme au niveau des comptes est représenté par le modèle Solana. Ce modèle repose sur un design découplé entre les comptes et l'état, en analysant statiquement l'ensemble des comptes impliqués dans les transactions pour déterminer s'il existe des relations de conflit. Si l'ensemble des comptes accédés par deux transactions ne se chevauchent pas, elles peuvent être exécutées en parallèle sur plusieurs cœurs. Ce mécanisme est particulièrement adapté au traitement de transactions dont la structure est claire et dont les entrées et sorties sont bien définies, en particulier pour des programmes à chemin prévisible comme DeFi. Cependant, son hypothèse intrinsèque est que l'accès aux comptes est prévisible et que les dépendances d'état peuvent être inférées statiquement, ce qui peut entraîner des problèmes d'exécution conservatrice et de diminution du parallélisme lorsqu'il est confronté à des contrats intelligents complexes. De plus, les dépendances croisées entre comptes réduisent également les bénéfices du parallélisme dans certains scénarios de trading à haute fréquence. Le runtime de Solana a déjà réalisé une optimisation avancée à cet égard, mais sa stratégie de planification centrale reste limitée par la granularité des comptes.

Sur la base du modèle de compte, nous affinons davantage en entrant dans le niveau technique du parallélisme au niveau des objets. Le parallélisme au niveau des objets introduit une abstraction sémantique des ressources et des modules, permettant un ordonnancement concurrent à une granularité plus fine, par unité de "objet d'état". Aptos et Sui sont des explorateurs importants dans cette direction, en particulier ce dernier, qui, grâce au système de types linéaires du langage Move, définit dès la compilation la propriété et la mutabilité des ressources, permettant ainsi un contrôle précis des conflits d'accès aux ressources au moment de l'exécution. Cette approche est plus universelle et extensible par rapport au parallélisme au niveau des comptes, elle peut couvrir une logique de lecture et d'écriture d'état plus complexe, et sert naturellement des scénarios à haute hétérogénéité tels que les jeux, les réseaux sociaux, l'IA, etc. Cependant, le parallélisme au niveau des objets introduit également un seuil linguistique plus élevé et une complexité de développement accrue, Move n'étant pas un remplacement direct de Solidity, le coût de la transition écologique est élevé, ce qui limite la vitesse de diffusion de son paradigme parallèle.

Une parallélisation au niveau des transactions encore plus avancée est une direction explorée par la nouvelle génération de chaînes haute performance représentée par Monad, Sei et Fuel. Ce chemin ne considère plus l'état ou le compte comme l'unité de parallélisation minimale, mais construit plutôt un graphique de dépendance autour de la transaction elle-même. Il considère la transaction comme une unité d'opération atomique, construit un graphique de transaction par analyse statique ou dynamique, et s'appuie sur un planificateur pour exécuter en flux parallèle. Cette conception permet au système de maximiser l'exploitation de la parallélisation sans avoir besoin de comprendre complètement la structure d'état sous-jacente. Monad est particulièrement remarquable, car il combine des techniques modernes de moteurs de bases de données telles que le contrôle de concurrence optimiste, la planification en pipeline parallèle et l'exécution hors ordre, rendant l'exécution de la chaîne plus proche du paradigme du "planificateur GPU". En pratique, ce mécanisme nécessite un gestionnaire de dépendances et un détecteur de conflits extrêmement complexes, le planificateur lui-même pouvant également devenir un goulot d'étranglement, mais sa capacité de débit potentielle est bien supérieure à celle des modèles de comptes ou d'objets, devenant ainsi une force avec un plafond théorique parmi les acteurs actuels du calcul parallèle.

La parallélisation au niveau de la machine virtuelle intègre directement la capacité d'exécution concurrente dans la logique de planification des instructions au niveau de la VM, cherchant à briser complètement les limitations inhérentes à l'exécution séquentielle de l'EVM. MegaETH, en tant qu'"expérience de super machine virtuelle" au sein de l'écosystème Ethereum, tente de redessiner l'EVM pour qu'il prenne en charge l'exécution concurrente multithread des codes de contrats intelligents. Au niveau inférieur, grâce à des mécanismes tels que l'exécution par segments, la séparation d'état et les appels asynchrones, chaque contrat peut s'exécuter de manière indépendante dans différents contextes d'exécution, tout en utilisant une couche de synchronisation parallèle pour garantir la cohérence finale. La difficulté de cette approche réside dans le fait qu'elle doit être entièrement compatible avec les sémantiques de comportement de l'EVM existant, tout en transformant l'ensemble de l'environnement d'exécution et le mécanisme de Gas, afin de permettre une migration fluide de l'écosystème Solidity vers le cadre parallèle. Son défi ne réside pas seulement dans la profondeur de la pile technologique, mais aussi dans l'acceptabilité par la structure politique de l'Ethereum L1 des changements majeurs de protocole. Mais si cela réussit, MegaETH pourrait devenir la "révolution des processeurs multicœurs" dans le domaine de l'EVM.

La dernière catégorie de chemins, c'est-à-dire le plus fin niveau de granularité et le plus haut seuil technique, est le parallélisme au niveau des instructions. Cette idée provient de l'exécution hors ordre et du pipeline d'instructions dans la conception moderne des CPU. Ce paradigme considère que, puisque chaque contrat intelligent est finalement compilé en instructions de bytecode, il est tout à fait possible de planifier et de réorganiser chaque opération de la même manière que le CPU exécute l'ensemble d'instructions x86. L'équipe de Fuel a déjà introduit un modèle d'exécution réordonnable au niveau des instructions dans son FuelVM, et à long terme, une fois que le moteur d'exécution de la blockchain mettra en œuvre l'exécution prédictive des dépendances d'instructions et le réarrangement dynamique, son degré de parallélisme atteindra une limite théorique. Cette approche pourrait même porter la conception collaborative entre blockchain et matériel à un nouveau niveau, faisant de la chaîne un véritable "ordinateur décentralisé", et pas seulement un "grand livre distribué". Bien sûr, ce chemin...