Web3並行計算の分野の全景:EVM系強化チェーンとネイティブ並行アーキテクチャの比較分析

Web3並行計算の全景:ネイティブスケーリングの理想的なソリューションを探す

ブロックチェーンシステムの「不可能な三角形」は、セキュリティ、分散化、スケーラビリティの間の本質的なトレードオフを明らかにしています。 スケーラビリティの永遠の課題を考慮すると、市場における主流のブロックチェーンスケーリングソリューションは、次のパラダイムに分類できます。

  • 強化型スケーリングの実行:ネイティブな実行能力を向上させる、例えば並列計算、GPU最適化、マルチコア処理
  • ステートアイソレーション型スケーリング:状態の水平分割、シャーディング、UTXOモデル、マルチサブネットアーキテクチャ
  • オフチェーンアウトソーシング型スケーリング:実行をチェーン外に移動する、例えばRollup、コプロセッサ、データ可用性層
  • 構造的デカップリング拡張:モジュラーアーキテクチャと協調運用、モジュールチェーン、共有ソート器、Rollupネットワーク
  • 非同期並行型拡張:アクターモデル、プロセス隔離とメッセージ駆動、エージェントシステム、非同期チェーン

このトピックでは、並列コンピューティングを中核とするスケールアウト方法に焦点を当てます。 イントラチェーン並列コンピューティングは、イントラブロックトランザクションと命令の並列実行に焦点を当てており、粒度に応じて5つのカテゴリに分類でき、並列の強度と複雑さが増しています。

  • アカウントレベルの並列:プロジェクトSolanaを代表
  • オブジェクトレベルの並行処理:プロジェクトSuiを代表
  • トレードレベルの並行処理:プロジェクトMonad、Aptosを代表
  • 呼び出しレベル/マイクロVM並列:プロジェクトMegaETHを代表
  • 命令レベルの並列処理:プロジェクトGatlingXを代表します

一方、アクター エージェント システム (AO、ICP、CARTESI など) は、非同期メッセージ、イベント駆動型、および独立したプロセスを通じて同時実行性を実現し、ブロック同期スケジューリングに依存しない別の並列パラダイムを採用しています。

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EVM系並行強化チェーン:互換性の中での突破を求める

イーサリアムのシリアルプロセッシングアーキテクチャは、何度もスケーリングの試みを経てきましたが、実行層のボトルネックは完全には解決されていません。 同時に、EVMとSolidityは、依然として最も開発者ベースのスマートコントラクトプラットフォームです。 したがって、EVMパラレルエンハンスメントチェーンは、エコロジカルな互換性とパフォーマンスの向上を考慮に入れた重要なパスになっています。 MonadとMegaETHは、この方向の代表的なプロジェクトです。

Monadの並列計算メカニズム

MonadはEVMのために再設計された高性能L1ブロックチェーンで、パイプライン処理と楽観的並行実行に基づいています。そのコアには次のものが含まれます:

パイプラインメカニズム:ブロックチェーンの実行プロセスは、複数の独立したステージ(提案、コンセンサス、実行、提出)に分割されて3次元パイプラインアーキテクチャを形成し、各ステージは独立したスレッドで実行されて、ブロック間の同時処理を実現します。

非同期実行:非同期コンセンサスレイヤー、非同期実行レイヤー、非同期ストレージを実装し、コンセンサスプロセスはコントラクトロジックを実行せずにトランザクションの並べ替えのみを担当し、コンセンサスが完了した後に実行プロセスが非同期にトリガーされるため、ブロック確認の遅延が大幅に短縮されます。

楽観的並列実行:すべてのトランザクションを楽観的に並列実行し、同時に状態アクセスの競合を監視する競合検出器を実行します。競合が発生した場合、関連するトランザクションを直列化して再実行し、状態の正当性を確保します。

Monadは互換性のあるパスを選択し、EVMルールを可能な限り保持し、書き込み状態の遅延と動的な競合検出によって並列性を実現します。これは、イーサリアムのパフォーマンスアクセラレータのようなもので、エコロジカルな移行を促進します。

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MegaETHの並列計算メカニズム

MegaETHはEVM互換のモジュラー高性能実行層として位置付けられており、独立したL1またはイーサリアム実行の強化層として機能します。その核心的な革新は次の通りです:

マイクロVMアーキテクチャ:「アカウントをスレッドとして」実装し、各アカウントは独立したマイクロ仮想マシンを持ち、同期呼び出しの代わりに非同期メッセージを介して通信して自然な並列処理を実現します。

状態依存のDAGスケジューリング:アカウントの状態アクセス関係に基づいて有向非巡回グラフを作成し、トランザクション間の依存関係をリアルタイムで記録し、競合のないトランザクションを並行して実行し、トポロジの順序に従って依存トランザクションをスケジュールします。

非同期実行とコールバック メカニズム: アクター モデルと同様の非同期メッセージ パッシングを使用すると、コントラクト呼び出しは非同期になり、呼び出し履歴は非同期呼び出しグラフに拡張され、トランザクション処理は非同期グラフのトラバーサル、依存関係の解決、および並列スケジューリングを通じて完了します。

MegaETHはリファクタリングの道を選択し、アカウントとコントラクトを独立したVMに抽象化し、非同期実行を通じて極端な並列性の可能性を解き放ち、理論上の並列上限は高くなりますが、複雑さの制御はより困難で、イーサリアムの概念に基づく分散型オペレーティングシステムに似ています。

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さらに、Pharos Networkは、メインネットワークと特殊処理ネットワークの(SPNs)と連携して、マルチ仮想マシン環境、ゼロ知識証明、信頼できる実行環境、およびその他のテクノロジーをサポートする「ロールアップメッシュ」アーキテクチャを提案しています。 その機能には、フルライフサイクルの非同期パイプライン処理、デュアルVM並列実行、モジュラーコンセンサス、およびリステーキングメカニズムが含まれます。

また、マルチスレッドスケジューリング、非同期状態ストレージ、トランザクションバッチのGPU並列処理を通じてトランザクションレベル+操作レベルの並列処理を実現するReddioなど、GPUアクセラレーションEVM並列コンピューティングのアプリケーションパスを探求するプロジェクトも市場に出回っています。 GatlingXは、EVMバイトコードをCUDA並列タスクに動的にコンパイルして命令レベルの並列処理を実現する、より過激な「GPU-EVM」アーキテクチャを提案しています。

Artelaは、WASM仮想マシンとAspectプログラミングモデルを通じて、EVM契約の実行時にExtensionモジュールを注入することをサポートする差別化されたEVM++アーキテクチャを提案しました。これにより、ロジックのデカップリングとモジュールレベルの並列実行が実現されます。

ネイティブ並列アーキテクチャチェーン:VM実行本体の再構築

イーサリアムの「トランザクション全順序+シリアル実行」のシングルスレッドアーキテクチャとは異なり、Solana、MoveVM、およびCosmos SDKに基づいて構築されたブロックチェーンは、基本設計から並列実行のために特化されており、以下の利点を持っています:

  • ステートモデルの自然な分離:Solanaのアカウントロック声明メカニズム、MoveVMのオブジェクト所有権モデル、Sei v2の取引タイプ分類は、すべて静的な競合判定と同時スケジューリングをサポートしています。
  • 仮想マシンは同時実行に最適化されています: Solana の Sealevel エンジンはマルチスレッド実行をサポートし、MoveVM は静的同時実行グラフ分析を実行でき、Sei v2 はマルチスレッド マッチング エンジンを統合しています

もちろん、このようなネイティブなパラレルチェーンはエコシステム互換性の課題にも直面しており、開発者にとっては移行コストや学習のハードルがあるため、新しい開発言語やツールチェーンが必要です。

ソラナのシーレベルパラレルエンジン

SolanaのSealevelは、ブロックチェーン分野で初めて成功裏にオンチェーンの並行スケジューリングを実現した実行モデルで、そのコアメカニズムには以下が含まれます:

  1. 明示的アカウントアクセス声明:取引を提出する際には、関与するアカウントの読み取りおよび書き込み権限を声明する必要があり、システムはこれに基づいて競合を判断します。
  2. 競合検出とマルチスレッドスケジューリング:無交差アカウントの取引は並行実行され、競合があるものは依存関係の順序に従って直列実行されます。
  3. 独立した実行コンテキスト:各契約は隔離されたコンテキスト内で実行され、クロスコールの干渉を避けます

EclipseプロジェクトとNeonプロジェクトは、それぞれSolanaの実行エンジンを他のアーキテクチャにモジュール式にエクスポートするか、EVMをSVM環境に持ち込む。 SolanaのOSベースのスケジューリング哲学は、カーネルスケジューラのそれと似ており、実行速度は速いですが、柔軟性は比較的低いです。

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MoveVMアーキテクチャ:リソースとオブジェクト駆動

MoveVMは「リソースはオブジェクトである」という理念を強調し、すべてのチェーン上の状態はオブジェクト形式で存在し、明確な所有権とライフサイクルを持っています。これにより、コンパイル時に状態の競合を分析し、オブジェクトレベルの並列スケジューリングを実現できます。

Suiのオブジェクト所有権モデルは、「オブジェクト」に基づいて状態モデルを構築し、各オブジェクトには一意のIDと明確な所有者があり、コントラクトが呼び出されたときに関連するオブジェクトが明示的に宣言され、静的所有権分析と組み合わせることで、コンパイル期間中にトランザクションの競合を判断でき、オブジェクトレベルの並列実行を低コストで実現できます。

AptosのBlock-STM実行メカニズムは、「実行時の楽観的同時実行+競合ロールバック」の動的スケジューリング戦略を採用しており、実行は3つの段階に分かれています:すべてのトランザクションの楽観的同時実行と読み取り/書き込みセットの記録、競合の検出と検証、および競合するトランザクションのロールバックと再試行は、状態集約的で論理的に複雑なシナリオに適しています。

Solana、Aptos、Suiは、Web3並列コンピューティングへの異なる哲学的道筋を表しています:Solanaはオペレーティングシステムのカーネルのようなもので、明確な状態境界を持つ高頻度取引に適しています。 Aptosはデータベースの並行性エンジンのようなもので、強力な状態結合を持つ複雑なコントラクトに適しています。 Suiは、リソースベースのインテリジェント言語プラットフォームであり、資産の分離と明確な組み合わせを備えたアプリケーションに適しています。

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Cosmos SDK の並列拡張機能

Sei V2 は Cosmos SDK 上に構築されており、その並列処理機能はマルチスレッド マッチング エンジンと仮想マシン レイヤーの最適化に反映され、高頻度で待機時間の短いトランザクション シナリオに対応します。

  1. 並行マッチングエンジン:オーダーブックとマッチングロジックをスレッドレベルで分割し、複数の市場間でマッチングを並行処理
  2. 仮想マシンレベルの並行最適化:状態の競合がないコントラクト呼び出しの並列実行をサポート
  3. Parallel Consensus with Execution Layer Scheduling: 「Twin-Turbo」コンセンサスメカニズムは、コンセンサスレイヤーと実行レイヤー間のスループットとデカップリングを強化します

UTXOモデルリファクタリングツールFuel

FuelはEthereumのモジュラーアーキテクチャに基づいて設計されており、コアパラレルメカニズムは改良されたUTXOモデルから派生しています。 自社開発のスマートコントラクト言語であるSwayや静的解析ツールと組み合わせることで、トランザクション実行前に入力の競合を判断し、パフォーマンスとモジュール性を考慮したEVMの代替実行レイヤーである効率的で安全なトランザクションレベルの並列スケジューリングを実現できます。

アクターモデル:エージェントの並行実行の新しいパラダイム

アクターモデルは、エージェントプロセスに基づいて並列実行パラダイムを構築し、各エージェントは独立した状態と動作を持ち、非同期メッセージ通信を通じてスケジュールされます。 従来のチェーン内並列アーキテクチャやシャードアーキテクチャとは異なり、アクターモデルは「マルチプロセス非同期コンピューティング」の概念を表しており、多数の分離されたプロセスが同時に実行され、AIエージェント、マルチタスクインタラクション、および複雑なロジックオーケストレーションのためのネイティブインフラストラクチャを提供します。

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AO (Arweave): ストレージ層の上にあるハイパー並列コンピューター

AOはArweaveの永久ストレージ層の上に構築されており、コア機能には次のものが含まれます:

  • プロセスアーキテクチャ:各エージェントは独立したプロセスであり、独自の状態と実行ロジックを持っています。
  • ブロックチェーン構造なし:分散ストレージ層とマルチエージェントメッセージ駆動実行エンジンに基づく
  • 非同期メッセージスケジューリング:プロセス間でのメッセージ通信により、ロックなしで非同期に実行され、自然に並行処理をサポートします。
  • 状態の永続保存:すべての状態とメッセージの記録は永続的に保存され、監査性と透明性を確保します
  • ネイティブエージェント:複雑なマルチステップタスクに適しており、AIエージェント、自動タスクオーケストレーションなどに使用されます。

AOは、軽量コンピューティングとコンポーザブル制御構造を備えたマイクロカーネルフレームワークである「エージェントネイティブ+ストレージドリブン+チェーンレスアーキテクチャ」の究極のルートを取ります。

ICP (インターネットコンピュータ):フルスタックWeb3ホスティングプラットフォーム

ICPは、オンチェーンのコンピューティングパワーをWeb2に近いエクスペリエンスに拡張し、フルサービスのホスティングとサーバーレスアーキテクチャをサポートすることを目指しています。

キャニスターのアーキテクチャー: 各キャニスターは、Wasm VM 上で実行されるエージェント・コンテナーであり、独立した状態およびスケジューリング機能を備えています サブネット分散コンセンサス: ネットワークは複数のサブネットで構成され、各サブネットは一連のキャニスターを維持します

  • 非同期呼び出しモデル:Canister間で非同期メッセージ通信を介して、非ブロッキング実行をサポートします。
  • オンチェーンWebホスティング:スマートコントラクトによるフロントエンドの直接ホスティング、ネイティブDNSマッピング
  • システム機能が充実:オンチェーンのホットアップグレード、認証されたID、ランダム性、タイマーなどのシステムAPIを備えています。

ICPは、リプラットフォームと一体型パッケージのルートを選択しており、全栈Web3ホスティングプラットフォームです。

Web3パラレルコンピューティングトラック全景図:ネイティブスケーリングの最良のソリューション?

まとめと展望

ブロックチェーンの並列計算ソリューションは大きく分けて2種類あります:EVM系並列強化チェーンとネイティブ並列アーキテクチャチェーン。

EVMは、エコロジカルな互換性を維持しながら実行レイヤーを最適化するための並列強化チェーンであり、代表的なプロジェクトには次のものがあります。

  • Monad: 遅延書き込みとランタイム衝突検出による楽観的な並列実行
  • MegaETH:アカウントを微小仮想マシンに抽象化し、非同期メッセージと依存グラフに基づいてアカウントレベルの並行処理を実現
  • Pharos:Rollup Meshアーキテクチャを構築し、非同期パイプラインを通じてシステムレベルの並列処理を実現
  • Reddio:zkRollup+GPUアーキテクチャを採用して検証プロセスを加速

ネイティブ並列アーキテクチャチェーン 実行パラダイムをボトムアップで再設計し、次のようなサブクラスを表現します。

  • Solana:アカウントアクセス宣言と静的スケジューリングに基づいて、アカウントレベルの並行処理を実現する
  • Sui/Aptos:リソースオブジェクトモデルに基づき、コンパイル時の静的解析をサポート
  • Sei V2:マルチスレッドマッチングエンジンと仮想マシンの同時最適化を導入
  • フューエル:UTXO入力セット分析を通じてトランザクションレベルの並行処理を実現

アクターモデルシステムは、非同期プロセスとメッセージ駆動によってエージェント実行パラダイムを構築します:

  • AO:永続ストレージに基づく非同期マイクロカーネルシステム
  • ICP:コンテナ化されたエージェントを単位とするWeb3ホスティングプラットフォーム
  • Cartesi:Linuxをオフチェーンの信頼できる計算環境として導入

より広い視点から見ると、シャーディングとロールアップは、ステートシャーディングまたはオフチェーン実行による水平スケーリングに焦点を当てているのに対し、並列コンピューティングチェーンとアクターシステムは、ネイティブ並列処理を実現するために実行モデルを直接再構築します。 前者は「負荷を複数のチェーンに分割する」または「オフチェーンにアウトソーシングする」のと似ていますが、後者は「実行エンジン自体からパフォーマンスの可能性を引き出す」ことです。

現在、ほとんどのネイティブ並列アーキテクチャチェーンがメインネット段階に入っており、開発者エコシステムはまだEVMシステムほど良くはありませんが、SolanaやSuiなどのプロジェクトは市場の注目の的となっています。 対照的に、主流のEVMパラレルエンハンスメントチェーンはほとんどがテストネット段階にあり、そのスケーリング能力と安定性をさらに検証する必要があります。 これらのプロジェクトが、互換性を維持しながらEVMの性能を大幅に向上させることができるのか、エコロジカルな移行を促進することができるのか、それとも資源の差別化を悪化させることができるのかは、まだわかりません。

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