Bức tranh toàn cảnh tính toán song song Web3: Khám phá giải pháp mở rộng gốc của Blockchain tốt nhất

“Tam giác không thể” của Blockchain (an toàn, phi tập trung, khả năng mở rộng) tiết lộ sự đánh đổi bản chất trong thiết kế hệ thống Blockchain. Đối với chủ đề vĩnh cửu “khả năng mở rộng”, hiện tại các giải pháp mở rộng Blockchain chủ yếu trên thị trường được phân loại theo các kiểu mẫu, bao gồm:

• Thực hiện mở rộng tăng cường: Nâng cao khả năng thực thi tại chỗ, chẳng hạn như song song, GPU, đa nhân
• Mở rộng loại tách biệt trạng thái: Phân tách trạng thái theo chiều ngang/Shard, ví dụ như phân mảnh, UTXO, nhiều subnet
• Mở rộng theo kiểu thuê ngoài không trên chuỗi: đưa việc thực thi ra ngoài chuỗi, chẳng hạn như Rollup, Coprocessor, DA
• Mở rộng kiểu tách cấu trúc: mô-đun kiến trúc, vận hành phối hợp, chẳng hạn như chuỗi mô-đun, bộ sắp xếp chia sẻ, Rollup Mesh
• Mở rộng đồng thời không đồng bộ: Mô hình Actor, cách ly tiến trình, điều khiển bằng tin nhắn, ví dụ như tác nhân, chuỗi bất đồng bộ đa luồng

Giải pháp mở rộng Blockchain bao gồm: tính toán song song trong chuỗi, Rollup, phân đoạn, mô-đun DA, cấu trúc mô-đun, hệ thống Actor, nén chứng minh zk, kiến trúc Stateless, v.v., bao gồm nhiều cấp độ thực thi, trạng thái, dữ liệu, cấu trúc, là một hệ thống mở rộng “hợp tác đa tầng, tổ hợp mô-đun” hoàn chỉnh. Bài viết này sẽ tập trung giới thiệu phương pháp mở rộng chủ yếu dựa trên tính toán song song.

Tính toán song song trong chuỗi ( intra-chain parallelism ), chú trọng đến việc thực hiện song song các giao dịch/lệnh bên trong khối. Dựa trên cơ chế song song, phương thức mở rộng của nó có thể được chia thành năm loại lớn, mỗi loại đại diện cho những mục tiêu hiệu suất, mô hình phát triển và triết lý kiến trúc khác nhau, với độ phân giải song song ngày càng tinh vi hơn, cường độ song song ngày càng cao hơn, độ phức tạp của lập lịch cũng tăng lên, độ phức tạp lập trình và độ khó thực hiện cũng ngày càng cao.

• Song song cấp tài khoản (Account-level): đại diện cho dự án Solana
• Song song cấp đối tượng (Object-level): Đại diện cho dự án Sui
• Cấp độ giao dịch (Transaction-level): đại diện cho dự án Monad, Aptos
• Gọi cấp/Vi micro VM song song (Call-level / MicroVM): Đại diện cho dự án MegaETH
• Song song cấp lệnh (Instruction-level): Đại diện cho dự án GatlingX

Mô hình đồng thời bất đồng bộ ngoài chuỗi, đại diện là hệ thống tác nhân thông minh (Mô hình Tác nhân / Actor), chúng thuộc về một loại hình thức tính toán song song khác, như là hệ thống tin nhắn xuyên chuỗi/bất đồng bộ (mô hình không đồng bộ khối), mỗi Tác nhân hoạt động như một “quá trình thông minh độc lập”, theo cách thức đồng thời bất đồng bộ tin nhắn, sự kiện điều khiển, không cần lập lịch đồng bộ, các dự án đại diện có AO, ICP, Cartesi, v.v.

Và những giải pháp mở rộng quen thuộc như Rollup hoặc phân đoạn thuộc về cơ chế đồng thời cấp hệ thống, không thuộc về tính toán đồng thời trong chuỗi. Chúng thực hiện việc mở rộng bằng cách “chạy song song nhiều chuỗi/miền thực thi”, thay vì nâng cao độ đồng thời bên trong một khối/ máy ảo. Những giải pháp mở rộng này không phải là trọng tâm của bài viết này, nhưng chúng tôi vẫn sẽ sử dụng chúng để so sánh sự khác biệt trong các khái niệm kiến trúc.

Hai, chuỗi tăng cường song song hệ EVM: đột phá giới hạn hiệu suất trong khả năng tương thích

Kiến trúc xử lý tuần tự của Ethereum đã trải qua nhiều vòng thử nghiệm mở rộng như phân đoạn, Rollup, và kiến trúc mô-đun cho đến nay, nhưng nút thắt về thông lượng của lớp thực thi vẫn chưa có bước đột phá cơ bản. Tuy nhiên, EVM và Solidity vẫn là nền tảng hợp đồng thông minh có cơ sở phát triển và tiềm năng hệ sinh thái mạnh mẽ nhất hiện nay. Do đó, chuỗi tăng cường song song EVM, với khả năng tương thích hệ sinh thái và nâng cao hiệu suất thực thi, đang trở thành hướng quan trọng trong tiến trình mở rộng mới. Monad và MegaETH là hai dự án tiêu biểu nhất trong hướng đi này, lần lượt từ việc thực thi trễ và phân tích trạng thái, xây dựng kiến trúc xử lý song song EVM hướng tới các kịch bản có độ đồng thời cao và thông lượng lớn.

Phân tích cơ chế tính toán song song của Monad

Monad là một blockchain Layer1 hiệu suất cao được thiết kế lại cho máy ảo Ethereum (EVM), dựa trên ý tưởng song song cơ bản của xử lý theo đường ống (Pipelining), thực hiện thực thi bất đồng bộ (Asynchronous Execution) ở tầng đồng thuận và thực thi song song lạc quan (Optimistic Parallel Execution) ở tầng thực thi. Ngoài ra, ở tầng đồng thuận và lưu trữ, Monad lần lượt giới thiệu giao thức BFT hiệu suất cao (MonadBFT) và hệ thống cơ sở dữ liệu chuyên dụng (MonadDB), thực hiện tối ưu hóa từ đầu đến cuối.

Pipelining: Cơ chế thực thi song song nhiều giai đoạn

Pipelining là ý tưởng cơ bản của việc thực thi song song Monad, ý tưởng cốt lõi là tách quy trình thực thi của Blockchain thành nhiều giai đoạn độc lập và xử lý các giai đoạn này một cách song song, hình thành kiến trúc ống dẫn ba chiều, mỗi giai đoạn chạy trên các luồng hoặc nhân độc lập, đạt được xử lý đồng thời qua các khối, cuối cùng đạt được hiệu quả nâng cao thông lượng và giảm độ trễ. Các giai đoạn này bao gồm: đề xuất giao dịch (Propose), đạt được đồng thuận (Consensus), thực thi giao dịch (Execution) và cam kết khối (Commit).

Thực thi bất đồng bộ：Nhận thức - Giải tách thực thi bất đồng bộ

Trong chuỗi truyền thống, sự đồng thuận và thực thi giao dịch thường là quy trình đồng bộ, mô hình tuần tự này đã hạn chế nghiêm trọng khả năng mở rộng hiệu suất. Monad đã đạt được sự đồng thuận phi đồng bộ qua “thực thi không đồng bộ”, sự đồng thuận lớp, thực thi lớp và lưu trữ không đồng bộ. Giảm đáng kể thời gian khối (block time) và độ trễ xác nhận, làm cho hệ thống linh hoạt hơn, quy trình xử lý được phân tách tốt hơn và tỷ lệ sử dụng tài nguyên cao hơn.

Thiết kế cốt lõi:

• Quá trình đồng thuận (tầng đồng thuận) chỉ chịu trách nhiệm sắp xếp giao dịch, không thực thi logic hợp đồng.
• Quá trình thực thi (tầng thực thi) sẽ được kích hoạt bất đồng bộ sau khi hoàn tất đồng thuận.
• Sau khi hoàn thành đồng thuận, ngay lập tức vào quy trình đồng thuận khối tiếp theo, không cần chờ hoàn thành thực thi.

Optimistic Parallel Execution：Thực thi song song lạc quan

Ethereum truyền thống sử dụng mô hình tuần tự nghiêm ngặt cho việc thực thi giao dịch để tránh xung đột trạng thái. Trong khi đó, Monad áp dụng chiến lược “thực thi song song lạc quan”, tăng đáng kể tốc độ xử lý giao dịch.

Cơ chế thực hiện:

• Monad sẽ thực thi tất cả các giao dịch một cách lạc quan và song song, giả định rằng phần lớn các giao dịch giữa chúng không có xung đột trạng thái.
• Chạy đồng thời một “Bộ phát hiện xung đột (Conflict Detector)” để giám sát xem các giao dịch có truy cập cùng một trạng thái hay không (như xung đột đọc/ghi).
• Nếu phát hiện xung đột, giao dịch xung đột sẽ được tuần tự thực thi lại, đảm bảo tính chính xác của trạng thái.

Monad đã chọn con đường tương thích: giảm thiểu thay đổi các quy tắc EVM, trong quá trình thực hiện thông qua việc hoãn ghi trạng thái, phát hiện xung đột động để thực hiện song song, giống như phiên bản hiệu suất của Ethereum, độ trưởng thành tốt dễ dàng thực hiện di chuyển hệ sinh thái EVM, là bộ tăng tốc song song của thế giới EVM.

Phân tích cơ chế tính toán song song của MegaETH

Khác với định vị L1 của Monad, MegaETH được định vị là lớp thực thi song song hiệu suất cao, tương thích với EVM, có thể hoạt động như một chuỗi công khai L1 độc lập hoặc như một lớp tăng cường thực thi (Execution Layer) trên Ethereum hoặc thành phần mô-đun. Mục tiêu thiết kế cốt lõi của nó là tách biệt và cấu trúc lại logic tài khoản, môi trường thực thi và trạng thái thành các đơn vị tối thiểu có thể lập lịch độc lập, nhằm đạt được khả năng thực thi đồng thời cao trong chuỗi và khả năng phản hồi với độ trễ thấp. Sự đổi mới chính mà MegaETH đưa ra là: kiến trúc Micro-VM + DAG phụ thuộc trạng thái (Directed Acyclic Graph) và cơ chế đồng bộ hóa mô-đun, cùng nhau xây dựng một hệ thống thực thi song song hướng tới “đa luồng trong chuỗi”.

Kiến trúc Micro-VM (máy ảo vi mô): Tài khoản chính là luồng

MegaETH đã giới thiệu mô hình thực thi “một máy ảo vi mô (Micro-VM) cho mỗi tài khoản”, biến môi trường thực thi thành “đa luồng”, cung cấp đơn vị cách ly tối thiểu cho lập lịch song song. Các VM này giao tiếp với nhau thông qua thông điệp bất đồng bộ (Asynchronous Messaging), thay vì gọi đồng bộ, cho phép một lượng lớn VM thực thi độc lập, lưu trữ độc lập, tự nhiên song song.

State Dependency DAG: Cơ chế lập lịch dựa trên đồ thị phụ thuộc

MegaETH xây dựng một hệ thống lập lịch DAG dựa trên mối quan hệ truy cập trạng thái tài khoản, hệ thống duy trì một đồ thị phụ thuộc toàn cầu (Dependency Graph) theo thời gian thực, mỗi giao dịch sẽ mô hình hóa những tài khoản nào bị thay đổi, và những tài khoản nào được đọc thành mối quan hệ phụ thuộc. Các giao dịch không có xung đột có thể được thực hiện song song ngay lập tức, trong khi các giao dịch có mối quan hệ phụ thuộc sẽ được sắp xếp theo thứ tự topo hoặc bị hoãn lại để thực hiện. Đồ thị phụ thuộc đảm bảo tính nhất quán trạng thái và không ghi lại nhiều lần trong quá trình thực hiện song song.

Thực thi bất đồng bộ và cơ chế callback

B

Tổng quan, MegaETH đã phá vỡ mô hình máy trạng thái đơn luồng EVM truyền thống, thực hiện đóng gói vi máy ảo theo từng tài khoản, thông qua đồ thị phụ thuộc trạng thái để tiến hành lập lịch giao dịch, và thay thế ngăn xếp gọi đồng bộ bằng cơ chế tin nhắn bất đồng bộ. Nó là một nền tảng tính toán song song được thiết kế lại từ “cấu trúc tài khoản → kiến trúc lập lịch → quy trình thực thi” ở tất cả các chiều, cung cấp một cách tiếp cận mới cấp độ mô hình cho việc xây dựng hệ thống chuỗi trên hiệu suất cao thế hệ tiếp theo.

MegaETH đã chọn con đường tái cấu trúc: hoàn toàn trừu tượng hóa tài khoản và hợp đồng thành VM độc lập, thông qua lập lịch thực thi bất đồng bộ để giải phóng tiềm năng song song tối đa. Về lý thuyết, giới hạn song song của MegaETH cao hơn, nhưng cũng khó kiểm soát độ phức tạp, giống như một hệ điều hành phân tán siêu theo ý tưởng của Ethereum.

Monad và MegaETH có thiết kế tư tưởng khác biệt lớn với phân đoạn (Sharding): phân đoạn chia Blockchain thành nhiều chuỗi con độc lập (phân đoạn Shards), mỗi chuỗi con chịu trách nhiệm cho một phần giao dịch và trạng thái, phá vỡ giới hạn chuỗi đơn trong việc mở rộng tầng mạng; trong khi Monad và MegaETH vẫn giữ nguyên tính toàn vẹn của chuỗi đơn, chỉ mở rộng theo chiều ngang ở tầng thực thi, tối ưu hóa thực thi song song cực hạn bên trong chuỗi đơn để vượt qua hiệu suất. Cả hai đại diện cho hai hướng trong con đường mở rộng blockchain: củng cố chiều dọc và mở rộng chiều ngang.

Các dự án tính toán song song như Monad và MegaETH chủ yếu tập trung vào con đường tối ưu hóa thông lượng, với mục tiêu chính là nâng cao TPS trên chuỗi, thông qua thực thi trì hoãn (Deferred Execution) và kiến trúc vi máy ảo (Micro-VM) để đạt được xử lý song song ở mức giao dịch hoặc tài khoản. Pharos Network, một mạng lưới L1 Blockchain toàn diện và mô-đun, có cơ chế tính toán song song cốt lõi được gọi là “Rollup Mesh”. Kiến trúc này hỗ trợ môi trường máy ảo đa dạng (EVM và Wasm) thông qua sự hợp tác giữa mạng chính và mạng xử lý đặc biệt (SPNs), và tích hợp các công nghệ tiên tiến như bằng chứng không kiến thức (ZK) và môi trường thực thi đáng tin cậy (TEE).

Phân tích cơ chế tính toán song song Rollup Mesh:

1. Xử lý ống dẫn bất đồng bộ toàn bộ vòng đời (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos giải quyết từng giai đoạn của giao dịch (như đồng thuận, thực thi, lưu trữ) một cách tách biệt và áp dụng phương thức xử lý bất đồng bộ, cho phép mỗi giai đoạn có thể thực hiện độc lập và song song, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý tổng thể.
2. Thực thi song song hai máy ảo (Dual VM Parallel Execution): Pharos hỗ trợ hai môi trường máy ảo EVM và WASM, cho phép các nhà phát triển chọn môi trường thực thi phù hợp theo nhu cầu. Kiến trúc hai máy ảo này không chỉ nâng cao tính linh hoạt của hệ thống mà còn cải thiện khả năng xử lý giao dịch thông qua việc thực thi song song.
3. Mạng xử lý đặc biệt (SPNs): SPNs là thành phần chính trong kiến trúc Pharos, tương tự như các mạng con mô-đun, chuyên dùng để xử lý các loại nhiệm vụ hoặc ứng dụng cụ thể. Thông qua SPNs, Pharos có thể thực hiện phân bổ tài nguyên động và xử lý nhiệm vụ song song, từ đó nâng cao khả năng mở rộng và hiệu suất của hệ thống.
4. Đồng thuận mô-đun và cơ chế tái thế chấp (Modular Consensus & Restaking): Pharos đã giới thiệu cơ chế đồng thuận linh hoạt, hỗ trợ nhiều mô hình đồng thuận (như PBFT, PoS, PoA), và thông qua giao thức tái thế chấp (Restaking) để thực hiện sự chia sẻ an toàn và tích hợp tài nguyên giữa mạng chính và SPNs.

Ngoài ra, Pharos đã tái cấu trúc mô hình thực thi từ tầng lưu trữ thông qua nhiều phiên bản cây Merkle, mã hóa khác biệt (Delta Encoding), địa chỉ theo phiên bản (Versioned Addressing) và công nghệ đẩy ADS (ADS Pushdown), ra mắt động cơ lưu trữ hiệu suất cao chuỗi khối gốc Pharos Store, đạt được khả năng xử lý trên chuỗi với thông lượng cao, độ trễ thấp và khả năng xác minh mạnh mẽ.

Tổng thể, kiến trúc Rollup Mesh của Pharos thông qua thiết kế mô-đun và cơ chế xử lý không đồng bộ, đã đạt được khả năng tính toán song song hiệu suất cao, Pharos làm