Rapport de recherche approfondi sur le calcul parallèle Web3 : le chemin ultime de l'extension native

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

Depuis sa création, le système blockchain est confronté à la question centrale de l'évolutivité. Le nombre de transactions par seconde (TPS) de Bitcoin et d'Ethereum est encore très faible par rapport aux systèmes Web2 traditionnels. Ce problème ne peut pas être résolu simplement en ajoutant des serveurs, mais est limité par le "dilemme de la décentralisation, de la sécurité et de l'évolutivité" dans la conception sous-jacente de la blockchain.

Au cours de la dernière décennie, nous avons été témoins de diverses tentatives d'extension, allant de la lutte pour l'extension de Bitcoin aux sharding d'Ethereum, des canaux d'état aux Rollups et aux blockchains modulaires. Les Rollups, en tant que solution d'extension actuellement dominante, ont atteint l'objectif d'augmenter considérablement le TPS. Cependant, ils n'ont pas touché à la véritable limite de "performance d'une seule chaîne" au niveau de la blockchain, en particulier en ce qui concerne l'exécution, qui reste limitée par ce vieux paradigme de calcul sériel en chaîne.

Le calcul parallèle intra-chaîne entre progressivement dans le champ de vision de l'industrie. Il tente de reconstruire complètement le moteur d'exécution tout en maintenant l'atomicité d'une seule chaîne, en mettant à niveau la blockchain de "l'exécution sérielle des transactions une par une" à un système à haute concurrence de "multi-threading + pipeline + planification des dépendances". Cela pourrait non seulement réaliser des améliorations de débit de centaines de fois, mais pourrait également devenir une condition préalable clé à l'explosion des applications de contrats intelligents.

Solana, Sui, Aptos et d'autres nouvelles chaînes introduisent en premier la parallélisme au niveau de l'architecture. Des projets comme Monad et MegaETH poussent encore plus loin la parallélisme intra-chaîne vers des percées dans l'exécution en pipeline, la concurrence optimiste et les mécanismes de messages asynchrones, montrant des caractéristiques de plus en plus proches des systèmes d'exploitation modernes.

On peut dire que le calcul parallèle n'est pas seulement un "moyen d'optimisation des performances", mais aussi un tournant dans le paradigme des modèles d'exécution de la blockchain. Il 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. Si l'on dit que le Rollup est "déménager les transactions pour les exécuter hors chaîne", alors le parallèle en chaîne est "construire un noyau de supercalculateur sur la chaîne", son objectif étant de fournir un soutien infrastructurel véritablement durable pour les applications natives Web3 de demain.

Après que la piste Rollup soit devenue homogène, le parallélisme on-chain devient un variable déterminante dans la compétition Layer1 du nouveau cycle. La prochaine génération de plateforme d'exécution souveraine dans le monde Web3 pourrait bien émerger de cette lutte pour le parallélisme on-chain.

II. Panorama des paradigmes d'extension : cinq types de voies, chacune avec ses propres accents

L'extensibilité, en tant que l'un des sujets les plus importants, les plus persistants et les plus difficiles à aborder dans l'évolution des technologies de la blockchain, a donné naissance à presque tous les chemins technologiques majeurs au cours de la dernière décennie. À partir du débat sur la taille des blocs de Bitcoin, cette compétition technologique sur "comment faire fonctionner la chaîne plus rapidement" a finalement abouti à cinq grandes routes fondamentales, chacune abordant le goulot d'étranglement sous un angle différent, avec sa propre philosophie technique, ses difficultés de mise en œuvre, ses modèles de risque et ses scénarios d'application.

La première catégorie de solutions est l'extension on-chain la plus directe, avec des mesures telles que l'augmentation de la taille des blocs, la réduction du temps de création des blocs, ou l'amélioration de la capacité de traitement par l'optimisation de la structure des données et des mécanismes de consensus. Cette approche a été au centre des débats sur l'expansion de Bitcoin, donnant naissance à des forks "grands blocs" comme BCH et BSV, et a également influencé la conception de chaînes publiques à haute performance telles qu'EOS et NEO. Ce type de solution conserve la simplicité de la cohérence d'une seule chaîne, ce qui la rend facile à comprendre et à déployer, mais elle est également susceptible de rencontrer des risques de centralisation, une augmentation des coûts d'exploitation des nœuds et des difficultés de synchronisation, ce qui constitue des limites systémiques. Par conséquent, dans les conceptions actuelles, elle n'est plus une solution principale, mais plutôt un complément à d'autres mécanismes.

La deuxième catégorie de routes 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 plupart des activités de transaction hors chaîne, n'écrivant le résultat final que sur la chaîne principale, où la chaîne principale sert de couche de règlement final. D'un point de vue philosophique technique, cela se rapproche de la pensée de l'architecture asynchrone de Web2. Bien que cette idée 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 Lightning Network qui, bien qu'ayant une localisation claire de scénario financier, n'a jamais réussi à exploser en termes d'échelle écologique ; 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 débit élevé.

La troisième catégorie de solutions est la plus populaire et la plus largement déployée, à savoir les solutions Layer2 Rollup. Cette méthode ne modifie pas directement la chaîne principale, mais réalise l'évolutivité par le biais d'un mécanisme d'exécution hors chaîne et de vérification sur chaîne. Les Optimistic Rollup et ZK Rollup ont chacun leurs avantages : le premier réalise des transactions rapidement et est très compatible, mais présente des problèmes de délai pendant la période de contestation et de mécanisme de preuve de fraude ; le second offre une forte sécurité et de bonnes capacités de compression des données, mais est complexe à développer et manque de compatibilité avec l'EVM. Qu'il s'agisse de Rollup Optimistic ou ZK, leur essence réside dans l'externalisation du droit 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, mais met également en évidence des goulets d'étranglement à moyen terme, tels qu'une dépendance excessive à la disponibilité des données, des frais encore trop 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, EigenLayer, etc. Le paradigme modulaire préconise de découpler les fonctions essentielles de la blockchain, de sorte que plusieurs chaînes spécialisées accomplissent différentes fonctions, qui sont ensuite combinées en un réseau extensible par le biais de protocoles inter-chaînes. Cette direction est profondément influencée par l'architecture modulaire des systèmes d'exploitation et l'idée de combinabilité dans le cloud computing. Son avantage réside dans la possibilité de remplacer de manière flexible les composants du système et d'améliorer considérablement l'efficacité à des étapes spécifiques ( telles que DA). Cependant, ses défis sont également très évidents : une fois le système découplé, le coût de synchronisation, de vérification 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 ainsi que de sécurité inter-chaînes sont bien plus élevées que dans la conception des chaînes traditionnelles. Ce modèle ne construit essentiellement plus une "chaîne", mais plutôt un "réseau de chaînes", posant des barrières sans précédent à la compréhension et à l'exploitation de l'architecture globale.

La dernière catégorie de routes, qui est également l'objet de l'analyse approfondie de cet article, est la voie d'optimisation du calcul parallèle sur la chaîne. Contrairement aux quatre premières catégories qui se concentrent principalement sur une "décomposition horizontale" au niveau structurel, le calcul parallèle met l'accent sur une "mise à niveau verticale", c'est-à-dire, au sein d'une seule chaîne, en modifiant l'architecture du moteur d'exécution pour réaliser le traitement concurrent des transactions atomiques. Cela nécessite une réécriture de la logique de planification de la VM, l'introduction d'une analyse de dépendance des transactions, la prévision des conflits d'état, le contrôle du degré de parallélisme, les appels asynchrones, et toute une série 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, réalisant une exécution parallèle multicœur grâce à un jugement des conflits de transaction basé sur un modèle de compte. Les nouveaux projets de génération tels que Monad, Sei, Fuel, MegaETH, etc., tentent d'aller encore plus loin en introduisant des idées de pointe telles que l'exécution en pipeline, la concurrence optimiste, le partitionnement de stockage, et le découplage parallèle, construisant ainsi un noyau d'exécution haute performance similaire à un CPU moderne. L'avantage clé de cette direction est qu'elle permet de réaliser des percées dans les limites de débit sans dépendre d'une architecture multi-chaînes, tout en fournissant une flexibilité de calcul suffisante pour l'exécution de contrats intelligents complexes, ce qui est une condition technique importante pour des scénarios d'application futurs tels que les agents IA, les jeux de chaîne à grande échelle, et les dérivés à haute fréquence.

En examinant les cinq types de solutions d'extension mentionnés ci-dessus, la véritable distinction qui se cache derrière est en réalité le compromis systémique entre la performance, la combinabilité, la sécurité et la complexité de développement dans la blockchain. Les Rollups excellent dans l'externalisation du consensus et l'héritage de sécurité, la modularité met en avant la flexibilité structurelle et la réutilisation des composants, l'extension hors chaîne tente de surmonter le goulot d'étranglement de la chaîne principale mais à un coût de confiance très élevé, tandis que le parallélisme intra-chaîne se concentre sur la mise à niveau fondamentale de la couche d'exécution, essayant d'atteindre la limite de performance des systèmes distribués modernes sans compromettre la cohérence interne de la chaîne. Chaque voie ne peut pas résoudre tous les problèmes, mais ce sont précisément ces directions qui forment ensemble le panorama de la mise à niveau du paradigme de calcul Web3, offrant ainsi aux développeurs, architectes et investisseurs des options stratégiques extrêmement riches.

Tout comme les systèmes d'exploitation ont évolué de mono-core à multi-core, et les bases de données ont progressé des index séquentiels aux transactions concurrentes, le chemin de l'expansion de Web3 se dirigera inévitablement vers une ère d'exécution hautement parallèle. Dans cette ère, la performance n'est plus seulement une compétition de vitesse de chaîne, mais une expression intégrée de la philosophie de conception sous-jacente, de la compréhension architecturale de la profondeur, de la synergie matériel-logiciel et du contrôle systémique. Et la parallélisation interne de la chaîne pourrait bien être le champ de bataille ultime de cette guerre de longue haleine.

Trois, carte de classification du calcul parallèle : cinq grands chemins de comptes aux instructions

Dans le contexte de l'évolution continue des technologies d'extensibilité de la blockchain, le calcul parallèle est progressivement devenu le chemin central pour les percées de performance. Contrairement au découplage horizontal des couches structurelles, des couches réseau ou des couches de disponibilité des données, le calcul parallèle est une exploration en profondeur au niveau de l'exécution, qui concerne la logique fondamentale de l'efficacité opérationnelle de la blockchain, déterminant la vitesse de réaction et la capacité de traitement d'un système blockchain face à des transactions complexes et à haute concurrence. En partant du modèle d'exécution et en rétrospective du développement de cette lignée technologique, nous pouvons dresser une carte de classification claire du calcul parallèle, qui peut être grossièrement divisée en cinq chemins techniques : 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 de la machine virtuelle et le calcul parallèle au niveau des instructions. Ces cinq types de chemins, allant de la granularité grossière à la granularité fine, représentent à la fois un processus de raffinement continu de la logique parallèle et un cheminement d'augmentation constante de la complexité du système et de la difficulté de planification.

Le premier niveau de parallélisme au niveau des comptes est représenté par le modèle de Solana. Ce modèle est basé sur un design de découplage entre compte et état, en utilisant l'analyse statique des ensembles de comptes impliqués dans les transactions pour déterminer s'il existe des relations de conflit. Si les ensembles de comptes accédés par deux transactions ne se chevauchent pas, elles peuvent être exécutées simultanément sur plusieurs cœurs. Ce mécanisme est particulièrement adapté pour traiter des transactions clairement structurées avec des entrées et sorties bien définies, en particulier pour les programmes à chemin prévisible comme DeFi. Cependant, son hypothèse naturelle est que l'accès aux comptes est prévisible et que la dépendance à l'état peut être inférée statiquement, ce qui entraîne des problèmes de conservation de l'exécution et de baisse du degré de parallélisme face à des contrats intelligents complexes. De plus, la dépendance croisée entre les comptes réduit considérablement les bénéfices du parallélisme dans certains scénarios de trading à haute fréquence. Le runtime de Solana a déjà réalisé une optimisation élevée dans ce domaine, mais sa stratégie de planification centrale reste limitée par la granularité des comptes.

Sur la base du modèle de compte, nous affinons encore davantage en entrant dans le niveau technique de la parallélisation au niveau des objets. La parallélisation au niveau des objets introduit une abstraction sémantique des ressources et des modules, permettant une planification concurrente au niveau de "l'objet d'état" avec une granularité plus fine. 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 la propriété et la mutabilité des ressources à la compilation, permettant ainsi un contrôle précis des conflits d'accès aux ressources à l'exécution. Cette approche est plus universelle et extensible que la parallélisation au niveau des comptes, pouvant couvrir des logiques de lecture et d'écriture d'état plus complexes, et servant naturellement des scénarios à haute hétérogénéité comme les jeux, les réseaux sociaux et l'IA. Cependant, la parallélisation au niveau des objets introduit également un niveau de langue plus élevé et une complexité de développement accrue. Move n'est pas un remplacement direct de Solidity, et le coût de la transition écologique est élevé, ce qui limite la rapidité de diffusion de son paradigme de parallélisation.

L'exécution parallèle au niveau des transactions, représentée par des chaînes de nouvelle génération à haute performance telles que Monad, Sei et Fuel, est une direction explorée. Ce chemin ne considère plus l'état ou le compte comme l'unité de parallélisme minimale, mais construit plutôt un graphe de dépendances autour de la transaction elle-même. Il traite la transaction comme une unité d'opération atomique, construit un graphe de transactions par analyse statique ou dynamique, et s'appuie sur un ordonnanceur pour une exécution en pipeline concurrente. Ce design permet au système de maximiser l'exploitation de la parallélisme sans avoir besoin de comprendre complètement la structure d'état sous-jacente. Monad est particulièrement remarquable, car il combine le contrôle de concurrence optimiste (OCC), l'ordonnancement en pipeline parallèle, l'exécution hors ordre et d'autres technologies modernes des moteurs de bases de données, rapprochant l'exécution de la chaîne du paradigme du "planificateur GPU". Dans la pratique, ce mécanisme nécessite des gestionnaires de dépendances et des détecteurs de conflits extrêmement complexes, et l'ordonnanceur lui-même peut également devenir un goulot d'étranglement, mais sa capacité de débit potentielle est bien supérieure à celle des modèles de comptes ou d'objets, faisant de lui une force avec le plafond théorique le plus élevé dans le domaine du calcul parallèle actuel.

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, visant à surmonter les limitations fixes de 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. À un niveau inférieur, par le biais de mécanismes tels que l'exécution segmentée, la séparation des états et les appels asynchrones, chaque contrat fonctionne de manière indépendante dans différents contextes d'exécution, tout en s'appuyant sur une couche de synchronisation parallèle pour assurer.