Báo cáo nghiên cứu sâu về tính toán song song Web3: Con đường tối thượng của mở rộng bản địa

Một, Lời mở đầu: Mở rộng là một đề tài vĩnh cửu, song song là chiến trường tối thượng

Hệ thống blockchain từ khi ra đời đã phải đối mặt với vấn đề cốt lõi về khả năng mở rộng. Hiệu suất của Bitcoin và Ethereum rất khó để vượt qua, điều này tạo ra sự tương phản rõ rệt với thế giới Web2 truyền thống. Vấn đề mở rộng được ghi sâu trong thiết kế nền tảng của blockchain, thể hiện qua nghịch lý "phi tập trung, an toàn, khả năng mở rộng" không thể đạt được đồng thời.

Trong mười năm qua, công nghệ mở rộng đã trải qua nhiều lần lặp. Từ cuộc chiến mở rộng Bitcoin đến phân đoạn Ethereum, từ kênh trạng thái đến Rollup, từ Layer 2 đến tái cấu trúc khả năng dữ liệu, ngành đã khám phá ra con đường mở rộng đầy tưởng tượng. Rollup, như một mô hình mở rộng chính hiện nay, đã nâng cao TPS trong khi vẫn giữ được tính bảo mật của Ethereum. Tuy nhiên, nó vẫn chưa chạm đến giới hạn thực sự của "hiệu suất chuỗi đơn" của blockchain, đặc biệt là ở cấp thực thi vẫn bị giới hạn bởi mô hình tính toán tuần tự trong chuỗi cổ điển.

Tính toán song song trong chuỗi đang dần trở thành tâm điểm của ngành. Nó cố gắng tái cấu trúc hoàn toàn động cơ thực thi trong khi vẫn giữ cấu trúc chuỗi đơn, nâng cấp blockchain từ "thực thi giao dịch tuần tự từng giao dịch" lên hệ thống có độ đồng thời cao "đa luồng + ống dẫn + lập lịch phụ thuộc". Điều này không chỉ có thể đạt được hàng trăm lần cải thiện thông lượng mà còn có thể trở thành điều kiện tiên quyết cho sự bùng nổ ứng dụng hợp đồng thông minh.

Tính toán song song thách thức mô hình cơ bản của việc thực thi hợp đồng thông minh, định nghĩa lại logic cơ bản của đóng gói giao dịch, truy cập trạng thái, mối quan hệ gọi và bố cục lưu trữ. Mục tiêu của nó không chỉ là nâng cao thông lượng mà còn cung cấp hỗ trợ cơ sở hạ tầng bền vững cho các ứng dụng gốc Web3 trong tương lai.

Khi lĩnh vực Rollup trở nên đồng nhất, việc thực hiện song song trên chuỗi đang trở thành biến số quyết định trong cuộc cạnh tranh Layer1 của chu kỳ mới. Hiệu suất không còn chỉ là "nhanh hơn", mà là khả năng hỗ trợ một thế giới ứng dụng dị thể toàn diện. Đây không chỉ là cuộc đua công nghệ, mà còn là cuộc chiến giành lấy mô hình. Nền tảng thực thi chủ quyền thế hệ tiếp theo của thế giới Web3 rất có thể sẽ được sinh ra từ cuộc đấu tranh song song trên chuỗi này.

Hai, Toàn cảnh mô hình mở rộng: Năm loại lộ trình, mỗi loại có trọng tâm riêng

Mở rộng là một trong những chủ đề quan trọng, kéo dài và khó khăn nhất trong tiến trình phát triển công nghệ chuỗi công cộng, đã thúc đẩy sự xuất hiện và biến đổi của hầu hết các con đường công nghệ chính trong gần mười năm qua. Bắt đầu từ cuộc tranh cãi về kích thước khối của Bitcoin, cuộc đua công nghệ về "làm thế nào để làm cho chuỗi chạy nhanh hơn" cuối cùng đã phân hóa thành năm hướng cơ bản, mỗi hướng đều tiếp cận nút thắt từ những góc độ khác nhau, với triết lý công nghệ, độ khó thực hiện, mô hình rủi ro và cảnh áp dụng riêng biệt.

Lộ trình loại đầu tiên là mở rộng chuỗi trên trực tiếp nhất, với các biện pháp đại diện như tăng kích thước khối, rút ngắn thời gian tạo khối, hoặc nâng cao khả năng xử lý thông qua tối ưu hóa cấu trúc dữ liệu và cơ chế đồng thuận. Phương pháp này đã từng trở thành tâm điểm trong cuộc tranh luận mở rộng Bitcoin, dẫn đến sự ra đời của các phân nhánh "khối lớn" như BCH, BSV, và cũng đã ảnh hưởng đến tư duy thiết kế của các chuỗi công cộng hiệu suất cao như EOS và NEO. Ưu điểm của lộ trình này là giữ lại sự đơn giản trong tính nhất quán của chuỗi đơn, dễ hiểu và triển khai, nhưng cũng rất dễ chạm tới rủi ro tập trung, tăng chi phí vận hành của nút, tăng độ khó đồng bộ hóa và các giới hạn hệ thống khác, do đó trong thiết kế ngày nay đã không còn là giải pháp cốt lõi chính thống, mà trở thành sự kết hợp hỗ trợ cho các cơ chế khác.

Lộ trình thứ hai là mở rộng ngoài chuỗi, đại diện là kênh trạng thái và chuỗi phụ. Ý tưởng cơ bản của con đường này là chuyển hầu hết các hoạt động giao dịch ra ngoài chuỗi, chỉ ghi lại kết quả cuối cùng vào chuỗi chính, chuỗi chính đóng vai trò là lớp thanh toán cuối cùng. Về mặt triết lý kỹ thuật, nó gần gũi với tư tưởng kiến trúc bất đồng bộ của Web2. Mặc dù ý tưởng này lý thuyết có thể mở rộng thông lượng vô hạn, nhưng mô hình tin cậy của giao dịch ngoài chuỗi, độ an toàn của quỹ, độ phức tạp trong tương tác và các vấn đề khác đã hạn chế việc ứng dụng của nó. Điển hình như mạng Lightning mặc dù có vị trí rõ ràng trong các tình huống tài chính, nhưng quy mô sinh thái vẫn chưa bùng nổ; trong khi đó, nhiều thiết kế dựa trên chuỗi phụ, như Polygon POS, mặc dù có thông lượng cao nhưng cũng bộc lộ nhược điểm trong việc kế thừa độ an toàn của chuỗi chính.

Lộ trình loại ba là lộ trình Layer2 Rollup phổ biến nhất hiện nay và được triển khai rộng rãi. Phương pháp này không thay đổi trực tiếp chuỗi chính mà thực hiện mở rộng thông qua cơ chế thực thi ngoại chuỗi và xác minh trên chuỗi. Optimistic Rollup và ZK Rollup có những ưu điểm riêng: cái trước thực hiện nhanh và khả năng tương thích cao, nhưng gặp phải vấn đề trì hoãn thời gian thách thức và cơ chế chứng minh gian lận; cái sau có độ an toàn cao, khả năng nén dữ liệu tốt, nhưng phát triển phức tạp và không tương thích đủ với EVM. Dù là loại Rollup nào, bản chất của nó là ủy quyền quyền 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, StarkNet đã chứng minh tính khả thi của con đường này, nhưng cũng đồng thời bộc lộ những điểm nghẽn trung hạn như phụ thuộc quá mạnh vào khả năng sử dụng dữ liệu, chi phí vẫn còn cao và trải nghiệm phát triển bị phân tách.

Loại đường thứ tư là kiến trúc blockchain mô-đun đang nổi lên trong những năm gần đây, đại diện như Celestia, Avail, EigenLayer, v.v. Mô hình mô-đun khuyến khích việc tách rời hoàn toàn các chức năng cốt lõi của blockchain, để nhiều chuỗi chuyên biệt thực hiện các chức năng khác nhau, sau đó kết hợp chúng thành một mạng lưới có khả năng mở rộng thông qua giao thức liên chuỗi. Hướng đi này bị ảnh hưởng sâu sắc bởi kiến trúc mô-đun của hệ điều hành và ý tưởng có thể kết hợp của điện toán đám mây, lợi thế của nó là có thể thay thế linh hoạt các thành phần hệ thống và nâng cao hiệu quả đáng kể ở các khâu cụ thể. Tuy nhiên, thách thức cũng rất rõ ràng: sau khi tách rời mô-đun, chi phí đồng bộ, xác thực và tin cậy giữa các hệ thống rất cao, hệ sinh thái phát triển cực kỳ phân tán, yêu cầu về tiêu chuẩn giao thức trung hạn và dài hạn cũng như an toàn liên chuỗi cao hơn nhiều so với thiết kế chuỗi truyền thống. Mô hình này về bản chất không còn xây dựng một "chuỗi", mà là xây dựng một "mạng lưới chuỗi", đặt ra ngưỡng chưa từng có về hiểu biết và vận hành cho toàn bộ kiến trúc.

Lớp cuối cùng của các lộ trình, cũng chính là đối tượng phân tích trọng tâm trong phần tiếp theo của bài viết, là con đường tối ưu hóa tính toán song song trong chuỗi. Khác với bốn loại trước chủ yếu thực hiện "phân tách theo chiều ngang" từ góc độ cấu trúc, tính toán song song nhấn mạnh "nâng cấp theo chiều dọc", tức là trong một chuỗi duy nhất thông qua việc thay đổi kiến trúc động cơ thực thi, để thực hiện xử lý đồng thời các giao dịch nguyên tử. Điều này yêu cầu viết lại logic lập lịch VM, đưa vào phân tích phụ thuộc giao dịch, dự đoán xung đột trạng thái, kiểm soát độ song song, gọi bất đồng bộ và một bộ cơ chế lập lịch của hệ thống máy tính hiện đại. Solana là dự án đầu tiên áp dụng khái niệm VM song song vào hệ thống cấp chuỗi, thông qua việc xác định xung đột giao dịch dựa trên mô hình tài khoản để thực hiện thực thi song song đa nhân. Trong khi đó, các dự án thế hệ mới như Monad, Sei, Fuel, MegaETH, v.v., còn tiến xa hơn nữa khi thử nghiệm đưa vào các ý tưởng tiên tiến như thực thi theo chuỗi, đồng thời lạc quan, phân vùng lưu trữ, tách rời song song, để xây dựng lõi thực thi hiệu suất cao giống như CPU hiện đại. Lợi thế cốt lõi của hướng đi này là không cần phụ thuộc vào kiến trúc đa chuỗi để đạt được đột phá giới hạn thông lượng, đồng thời cung cấp đủ tính linh hoạt tính toán cho việc thực thi hợp đồng thông minh phức tạp, là tiền đề công nghệ quan trọng cho các trường hợp ứng dụng trong tương lai như AI Agent, trò chơi chuỗi lớn, sản phẩm phái sinh tần suất cao.

Ba, Bản đồ phân loại tính toán song song: Năm con đường từ tài khoản đến lệnh

Trong bối cảnh công nghệ mở rộng blockchain liên tục tiến triển, tính toán song song dần trở thành con đường cốt lõi để bứt phá hiệu suất. Khác với việc tách rời theo chiều ngang ở tầng cấu trúc, tầng mạng hoặc tầng khả năng sẵn có dữ liệu, tính toán song song là việc khai thác chiều sâu ở tầng thực thi, nó liên quan đến logic cơ bản nhất của hiệu suất vận hành blockchain, quyết định tốc độ phản ứng và khả năng xử lý của một hệ thống blockchain khi đối mặt với các giao dịch phức tạp với độ đồng thời cao và nhiều loại. Xuất phát từ mô hình thực thi, nhìn lại mạch phát triển của dòng công nghệ này, chúng ta có thể vạch ra một bản đồ phân loại tính toán song song rõ ràng, nó có thể được chia thành năm con đường công nghệ chính: tính toán song song cấp tài khoản, cấp đối tượng, cấp giao dịch, cấp máy ảo và cấp lệnh. Năm con đường này từ thô đến mịn, vừa là quá trình tinh chỉnh logic song song liên tục, cũng vừa là con đường mà độ phức tạp của hệ thống và độ khó của việc lập lịch ngày càng gia tăng.

Mô hình song song cấp tài khoản xuất hiện sớm nhất, đại diện là Solana. Mô hình này dựa trên thiết kế tách rời tài khoản - trạng thái, thông qua phân tích tĩnh tập hợp tài khoản liên quan trong giao dịch, xác định xem có tồn tại mối quan hệ xung đột hay không. Nếu tập hợp tài khoản mà hai giao dịch truy cập không chồng chéo, chúng có thể được thực thi song song trên nhiều lõi. Cơ chế này rất phù hợp để xử lý các giao dịch có cấu trúc rõ ràng, đầu vào và đầu ra minh bạch, đặc biệt là các chương trình có đường đi có thể dự đoán như DeFi. Nhưng giả định tự nhiên của nó là việc truy cập tài khoản có thể dự đoán, phụ thuộc trạng thái có thể suy diễn tĩnh, điều này khiến nó dễ gặp phải vấn đề thực thi bảo thủ và giảm độ song song khi đối mặt với các hợp đồng thông minh phức tạp. Hơn nữa, sự phụ thuộc chéo giữa các tài khoản cũng làm giảm nghiêm trọng lợi ích song song trong một số tình huống giao dịch tần suất cao. Runtime của Solana đã thực hiện tối ưu hóa cao trong lĩnh vực này, nhưng chiến lược lập lịch cốt lõi của nó vẫn bị giới hạn bởi độ granularity của tài khoản.

Dựa trên mô hình tài khoản, chúng ta tiếp tục tinh chỉnh và bước vào cấp độ kỹ thuật song song theo đối tượng. Song song theo đối tượng giới thiệu sự trừu tượng ngữ nghĩa của tài nguyên và mô-đun, cho phép lập lịch đồng thời theo đơn vị "đối tượng trạng thái" có độ chi tiết cao hơn. Aptos và Sui là những khám phá quan trọng trong hướng này, đặc biệt là cái sau thông qua hệ thống loại tuyến tính của ngôn ngữ Move, định nghĩa quyền sở hữu và tính biến đổi của tài nguyên ngay trong thời gian biên dịch, từ đó cho phép kiểm soát chính xác xung đột truy cập tài nguyên trong thời gian chạy. Cách này so với song song theo tài khoản có tính phổ quát và khả năng mở rộng hơn, có thể bao phủ các logic đọc ghi trạng thái phức tạp hơn và phục vụ tự nhiên cho các cảnh cao độ dị thể như trò chơi, mạng xã hội, AI. Tuy nhiên, song song theo đối tượng cũng mang đến rào cản ngôn ngữ cao hơn và độ phức tạp phát triển, Move không phải là sự thay thế trực tiếp cho Solidity, chi phí chuyển đổi hệ sinh thái cao, giới hạn tốc độ phổ biến của mô hình song song này.

Việc xử lý song song ở cấp độ giao dịch tiếp theo là hướng đi mà các chuỗi hiệu suất cao thế hệ mới như Monad, Sei, Fuel đang khám phá. Con đường này không còn xem trạng thái hoặc tài khoản là đơn vị song song tối thiểu, mà thay vào đó xây dựng đồ thị phụ thuộc xung quanh chính giao dịch. Nó coi giao dịch như một đơn vị thao tác nguyên tử, thông qua phân tích tĩnh hoặc động để xây dựng đồ thị giao dịch, và phụ thuộc vào bộ lập lịch để thực hiện đồng thời. Thiết kế này cho phép hệ thống tối đa hóa khả năng song song mà không cần hiểu hoàn toàn cấu trúc trạng thái nền. Monad đặc biệt nổi bật, kết hợp các công nghệ của động cơ cơ sở dữ liệu hiện đại như điều khiển đồng thời lạc quan, lập lịch ống song song, và thực thi không theo thứ tự, giúp việc thực thi chuỗi gần gũi hơn với mô hình "bộ lập lịch GPU". Trong thực tế, cơ chế này yêu cầu một trình quản lý phụ thuộc và bộ phát hiện xung đột cực kỳ phức tạp, và chính bộ lập lịch cũng có thể trở thành nút thắt cổ chai, nhưng khả năng thông lượng tiềm năng của nó cao hơn nhiều so với mô hình tài khoản hoặc đối tượng, trở thành một sức mạnh có lý thuyết trần cao nhất trong lĩnh vực tính toán song song hiện tại.

Và ở cấp độ máy ảo, khả năng thực thi đồng thời được nhúng trực tiếp vào logic lập lịch lệnh dưới VM, nhằm mục tiêu hoàn toàn vượt qua những hạn chế cố hữu của việc thực thi tuần tự EVM. MegaETH, như một "thí nghiệm siêu máy ảo" trong hệ sinh thái Ethereum, đang cố gắng thiết kế lại EVM để hỗ trợ thực thi mã hợp đồng thông minh đa luồng đồng thời. Cơ sở của nó thông qua việc thực thi phân đoạn, phân cách trạng thái, gọi bất đồng bộ và các cơ chế khác, cho phép mỗi hợp đồng chạy độc lập trong các ngữ cảnh thực thi khác nhau, và nhờ vào lớp đồng bộ song song để đảm bảo tính nhất quán cuối cùng. Cách tiếp cận này khó nhất ở chỗ nó phải hoàn toàn tương thích với ngữ nghĩa hành vi hiện tại của EVM, đồng thời cải tạo toàn bộ môi trường thực thi và cơ chế Gas, để cho hệ sinh thái Solidity có thể chuyển tiếp mượt mà sang khung đồng thời. Thách thức không chỉ nằm ở việc ngăn xếp công nghệ cực kỳ sâu, mà còn liên quan đến mức độ chấp nhận của cấu trúc chính trị Ethereum L1 đối với những thay đổi protocol lớn. Nhưng nếu thành công, MegaETH có khả năng trở thành "cuộc cách mạng bộ xử lý đa nhân" trong lĩnh vực EVM.

Lớp cuối cùng của đường dẫn, tức là mức độ chi tiết nhất, có rào cản công nghệ cao nhất là song song cấp lệnh. Ý tưởng này xuất phát từ việc thực hiện ngoài thứ tự và ống lệnh trong thiết kế CPU hiện đại. Mô hình này cho rằng, vì mỗi hợp đồng thông minh cuối cùng được biên dịch thành mã byte lệnh, nên hoàn toàn có thể giống như CPU thực hiện bộ lệnh x86, tiến hành phân tích điều độ và tái sắp xếp song song cho từng thao tác. Nhóm Fuel đã bước đầu giới thiệu mô hình thực hiện có thể tái sắp xếp cấp lệnh trong FuelVM của họ, và về lâu dài, một khi động cơ thực hiện blockchain đạt được việc dự đoán thực hiện phụ thuộc lệnh và tái sắp xếp động, mức độ song song của nó sẽ đạt đến giới hạn lý thuyết. Cách này thậm chí có thể đưa thiết kế phối hợp giữa blockchain và phần cứng lên một tầm cao mới, khiến cho chuỗi trở thành một "máy tính phi tập trung" thực sự, chứ không chỉ là "sổ cái phân tán". Tất nhiên, con đường này...