Laporan Penelitian Kedalaman Komputasi Paralel Web3: Jalur Ultimasi untuk Skalabilitas Asli

I. Pendahuluan: Skalabilitas adalah isu abadi, dan paralelisme adalah medan perang utama

Sistem blockchain telah menghadapi masalah inti skalabilitas sejak lahir. Jumlah transaksi per detik (TPS) Bitcoin dan Ethereum masih rendah dibandingkan dengan sistem Web2 tradisional. Ini bukan masalah sederhana yang dapat diselesaikan hanya dengan menambah server, tetapi terbatas pada "desain dasar blockchain yang mencakup desentralisasi, keamanan, dan skalabilitas" yang sulit.

Selama sepuluh tahun terakhir, kami telah menyaksikan berbagai upaya perluasan, mulai dari perselisihan perluasan Bitcoin hingga sharding Ethereum, dari saluran status hingga Rollup dan blockchain modular. Rollup sebagai solusi perluasan utama saat ini, telah mencapai tujuan peningkatan TPS yang signifikan. Namun, itu belum menyentuh batasan "kinerja rantai tunggal" yang sebenarnya di lapisan dasar blockchain, terutama dalam hal eksekusi, masih terbatas pada paradigma komputasi serial dalam rantai yang kuno.

Perhitungan paralel dalam rantai secara bertahap memasuki pandangan industri. Ini mencoba untuk sepenuhnya membangun kembali mesin eksekusi sambil mempertahankan atomisitas rantai tunggal, mengupgrade blockchain dari "eksekusi transaksi secara serial satu per satu" menjadi sistem dengan tingkat konkuren tinggi "multithreading + pipelining + penjadwalan ketergantungan". Ini tidak hanya mungkin untuk mencapai peningkatan throughput ratusan kali lipat, tetapi juga dapat menjadi prasyarat kunci untuk ledakan aplikasi kontrak pintar.

Solana, Sui, Aptos dan rantai baru lainnya pertama kali memperkenalkan paralelisme di tingkat arsitektur. Sementara proyek seperti Monad dan MegaETH lebih lanjut mendorong paralelisme dalam rantai menuju eksekusi pipelining, konkurensi optimis, dan terobosan mekanisme mendalam yang didorong oleh pesan asinkron, menunjukkan karakteristik yang semakin mendekati sistem operasi modern.

Dapat dikatakan bahwa komputasi paralel bukan hanya "alat optimasi kinerja", tetapi juga titik balik dalam paradigma model eksekusi blockchain. Ini menantang pola dasar eksekusi kontrak pintar, mendefinisikan ulang logika dasar pengemasan transaksi, akses status, hubungan pemanggilan, dan tata letak penyimpanan. Jika Rollup adalah "memindahkan transaksi untuk dieksekusi di luar rantai", maka paralel di dalam rantai adalah "membangun inti superkomputer di dalam rantai", dengan tujuan untuk menyediakan dukungan infrastruktur yang benar-benar berkelanjutan untuk aplikasi asli Web3 di masa depan.

Setelah jalur Rollup menjadi lebih homogen, paralel dalam rantai semakin menjadi variabel penentu dalam persaingan Layer1 di siklus baru. Platform eksekusi kedaulatan generasi berikutnya di dunia Web3 kemungkinan besar akan lahir dari perebutan paralel dalam rantai ini.

Dua, Pemandangan Paradigma Ekspansi: Lima Jenis Rute, Masing-Masing Memiliki Fokus Tersendiri

Skalabilitas sebagai salah satu topik terpenting, paling berkelanjutan, dan paling sulit dalam evolusi teknologi blockchain, telah melahirkan hampir semua jalur teknologi utama yang muncul dan berkembang dalam sepuluh tahun terakhir. Dimulai dari perdebatan ukuran blok Bitcoin, perlombaan teknologi tentang "bagaimana membuat rantai berjalan lebih cepat" ini akhirnya memunculkan lima jalur dasar, masing-masing dengan pendekatan berbeda terhadap kendala, memiliki filosofi teknis, tingkat kesulitan implementasi, model risiko, dan skenario aplikasi masing-masing.

Rute pertama adalah perluasan on-chain yang paling langsung, dengan metode yang diwakili seperti meningkatkan ukuran blok, memperpendek waktu pembuatan blok, atau meningkatkan kapasitas pemrosesan melalui optimasi struktur data dan mekanisme konsensus. Cara ini pernah menjadi fokus dalam perselisihan perluasan Bitcoin, melahirkan fork "blok besar" seperti BCH dan BSV, serta mempengaruhi pemikiran desain dari blockchain publik berkinerja tinggi awal seperti EOS dan NEO. Rute ini mempertahankan kesederhanaan konsistensi rantai tunggal, mudah dipahami dan diterapkan, tetapi juga sangat rentan terhadap risiko sentralisasi, peningkatan biaya operasi node, dan meningkatnya kesulitan sinkronisasi, sehingga dalam desain saat ini tidak lagi menjadi solusi inti arus utama, tetapi lebih menjadi pasangan pendukung untuk mekanisme lainnya.

Rute kelas kedua adalah skalabilitas di luar rantai, yang diwakili oleh saluran status dan rantai samping. Pemikiran dasar dari jalur ini adalah memindahkan sebagian besar aktivitas transaksi ke luar rantai, hanya mencatat hasil akhir ke dalam rantai utama, dengan rantai utama berfungsi sebagai lapisan penyelesaian akhir. Dalam filosofi teknis, ini mendekati pemikiran arsitektur asinkron Web2. Meskipun pemikiran ini secara teori dapat memperluas throughput tanpa batas, masalah seperti model kepercayaan transaksi di luar rantai, keamanan dana, dan kompleksitas interaksi membatasi aplikasinya. Contohnya, Lightning Network meskipun memiliki posisi skenario keuangan yang jelas, tetapi ukuran ekosistemnya tidak pernah meledak; sementara beberapa desain berbasis rantai samping, seperti Polygon POS, pada throughput tinggi juga mengungkapkan kelemahan dalam mewarisi keamanan rantai utama.

Jenis rute ketiga adalah rute Layer2 Rollup yang paling populer dan paling luas diterapkan saat ini. Metode ini tidak secara langsung mengubah rantai utama itu sendiri, tetapi mencapai skalabilitas melalui mekanisme eksekusi di luar rantai dan verifikasi di dalam rantai. Optimistic Rollup dan ZK Rollup memiliki keunggulan masing-masing: yang pertama cepat dan memiliki kompatibilitas tinggi, tetapi ada masalah penundaan periode tantangan dan mekanisme bukti penipuan; yang kedua memiliki keamanan yang kuat dan kemampuan kompresi data yang baik, tetapi pengembangannya kompleks dan kurang kompatibel dengan EVM. Terlepas dari jenis Rollup mana pun, esensinya adalah mengalihkan hak eksekusi, sambil mempertahankan data dan verifikasi di atas rantai utama, mencapai keseimbangan relatif antara desentralisasi dan kinerja tinggi. Pertumbuhan cepat proyek-proyek seperti Arbitrum, Optimism, zkSync, StarkNet membuktikan kelayakan rute ini, tetapi juga mengungkapkan ketergantungan yang terlalu kuat pada ketersediaan data, biaya yang masih tinggi, dan pengalaman pengembangan yang terputus sebagai hambatan jangka menengah.

Jenis rute keempat adalah arsitektur blockchain modular yang muncul dalam beberapa tahun terakhir, diwakili oleh Celestia, Avail, EigenLayer, dan lainnya. Paradigma modular berpendapat untuk memisahkan fungsi inti blockchain, di mana berbagai rantai khusus menyelesaikan fungsi yang berbeda, kemudian digabungkan menjadi jaringan yang dapat diskalakan melalui protokol lintas rantai. Arah ini sangat dipengaruhi oleh arsitektur modular sistem operasi dan konsep komposabilitas dalam komputasi awan, dengan keunggulan mampu mengganti komponen sistem secara fleksibel, dan dalam tahap tertentu ( seperti DA) secara signifikan meningkatkan efisiensi. Namun tantangannya juga sangat jelas: setelah pemisahan modul, biaya sinkronisasi, verifikasi, dan saling percaya antar sistem sangat tinggi, ekosistem pengembang sangat terdesentralisasi, dengan tuntutan standar protokol jangka menengah dan panjang serta keamanan lintas rantai yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan desain rantai tradisional. Mode ini pada dasarnya tidak lagi membangun sebuah "rantai", tetapi membangun sebuah "jaringan rantai", yang menghadirkan ambang batas yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam pemahaman dan pengoperasian arsitektur secara keseluruhan.

Kelas jalur terakhir, yang juga merupakan objek analisis utama dalam artikel ini, adalah jalur optimasi perhitungan paralel dalam rantai. Berbeda dengan empat kelas sebelumnya yang melakukan "pemisahan horizontal" dari perspektif struktur, perhitungan paralel menekankan "peningkatan vertikal", yaitu melalui perubahan arsitektur mesin eksekusi di dalam satu rantai untuk mencapai pemrosesan konkuren dari transaksi atomik. Ini mengharuskan penulisan ulang logika penjadwalan VM, memperkenalkan analisis ketergantungan transaksi, prediksi konflik status, kontrol paralelisme, pemanggilan asinkron, dan seluruh rangkaian mekanisme penjadwalan sistem komputer modern. Solana adalah salah satu proyek pertama yang mengimplementasikan konsep VM paralel ke dalam sistem tingkat rantai, melalui penilaian konflik transaksi berbasis model akun untuk mencapai eksekusi paralel multi-inti. Sementara proyek generasi baru seperti Monad, Sei, Fuel, MegaETH, dan lain-lain, berusaha lebih jauh untuk memperkenalkan eksekusi pipeline, konkurensi optimis, partisi penyimpanan, dan pemisahan paralel sebagai ide-ide mutakhir untuk membangun inti eksekusi berkinerja tinggi yang mirip CPU modern. Keunggulan inti dari arah ini adalah tidak perlu bergantung pada arsitektur multi-rantai untuk mencapai terobosan batas throughput, sekaligus memberikan cukup fleksibilitas komputasi untuk pelaksanaan kontrak pintar yang kompleks, yang merupakan prasyarat teknologi penting untuk aplikasi masa depan seperti AI Agent, permainan rantai besar, dan derivatif frekuensi tinggi.

Melihat kelima jalur perluasan di atas, perbedaan di baliknya sebenarnya adalah kompromi sistematis antara kinerja, komposabilitas, keamanan, dan kompleksitas pengembangan dalam blockchain. Rollup unggul dalam outsourcing konsensus dan warisan keamanan, modularitas menonjolkan fleksibilitas struktur dan penggunaan kembali komponen, perluasan off-chain mencoba melampaui batasan mainchain tetapi dengan biaya kepercayaan yang tinggi, sementara paralel on-chain berfokus pada peningkatan fundamental lapisan eksekusi, mencoba mendekati batas kinerja sistem terdistribusi modern tanpa merusak konsistensi di dalam rantai. Setiap jalur tidak mungkin menyelesaikan semua masalah, tetapi justru arah-arah ini bersama-sama membentuk panorama peningkatan paradigma komputasi Web3, serta memberikan opsi strategis yang sangat kaya bagi pengembang, arsitek, dan investor.

Seperti halnya sejarah sistem operasi yang beralih dari satu inti ke banyak inti, serta basis data yang berkembang dari indeks urut menjadi transaksi bersamaan, jalan ekspansi Web3 juga akan menuju era eksekusi yang sangat paralel. Dalam era ini, kinerja bukan hanya perlombaan kecepatan rantai, tetapi merupakan perwujudan komprehensif dari filosofi desain dasar, pemahaman arsitektur yang mendalam, kolaborasi perangkat keras dan perangkat lunak, serta kontrol sistem. Dan paralel dalam rantai, mungkin merupakan medan perang terakhir dari perang jangka panjang ini.

Tiga, Peta Klasifikasi Komputasi Paralel: Lima Jalur dari Akun ke Instruksi

Dalam konteks evolusi teknologi skalabilitas blockchain, komputasi paralel secara bertahap menjadi jalur inti untuk terobosan kinerja. Berbeda dengan dekoupling horizontal di lapisan struktur, lapisan jaringan, atau lapisan ketersediaan data, komputasi paralel adalah penggalian mendalam di lapisan eksekusi, yang berkaitan dengan logika dasar efisiensi operasi blockchain, menentukan kecepatan respons dan kapasitas pemrosesan suatu sistem blockchain ketika menghadapi transaksi yang kompleks dengan tingkat paralelisme tinggi dan beragam. Berdasarkan model eksekusi, meninjau perkembangan garis keturunan teknologi ini, kita dapat menyusun peta klasifikasi komputasi paralel yang jelas, yang secara garis besar dapat dibagi menjadi lima jalur teknologi: paralelisme tingkat akun, paralelisme tingkat objek, paralelisme tingkat transaksi, paralelisme tingkat mesin virtual, dan paralelisme tingkat instruksi. Lima jalur ini, dari granularity kasar hingga granularity halus, merupakan proses pemurnian logika paralel yang terus menerus, serta jalur di mana kompleksitas sistem dan kesulitan penjadwalan terus meningkat.

Paralel tingkat akun yang muncul paling awal adalah paradigma yang diwakili oleh Solana. Model ini didasarkan pada desain pemisahan akun-status, dengan menganalisis secara statis kumpulan akun yang terlibat dalam transaksi untuk menentukan apakah ada hubungan konflik. Jika kumpulan akun yang diakses oleh dua transaksi tidak saling tumpang tindih, maka dapat dieksekusi secara bersamaan di beberapa inti. Mekanisme ini sangat cocok untuk menangani transaksi yang terstruktur dengan jelas dan input-output yang jelas, terutama program dengan jalur yang dapat diprediksi seperti DeFi. Namun, asumsi dasarnya adalah bahwa akses akun dapat diprediksi dan ketergantungan status dapat disimpulkan secara statis, yang membuatnya rentan terhadap eksekusi konservatif dan penurunan paralelisme ketika menghadapi kontrak pintar yang kompleks. Selain itu, ketergantungan silang antar akun juga membuat keuntungan paralel berkurang secara signifikan dalam beberapa skenario perdagangan frekuensi tinggi. Runtime Solana telah mencapai optimisasi tinggi dalam hal ini, tetapi strategi penjadwalan intinya masih terpengaruh oleh batasan granularitas akun.

Berdasarkan model akun, kita lebih lanjut memperinci dan memasuki tingkat teknis paralelisme tingkat objek. Paralelisme tingkat objek memperkenalkan abstraksi semantik sumber daya dan modul, untuk penjadwalan konkuren berdasarkan unit "objek status" yang lebih halus. Aptos dan Sui adalah penjelajah penting dalam arah ini, terutama yang terakhir melalui sistem tipe linear bahasa Move, yang mendefinisikan kepemilikan dan variabilitas sumber daya pada waktu kompilasi, sehingga memungkinkan kontrol akses sumber daya yang tepat pada saat runtime. Cara ini, dibandingkan dengan paralelisme tingkat akun, memiliki universalitas dan skalabilitas yang lebih besar, dapat mencakup logika pembacaan dan penulisan status yang lebih kompleks, dan secara alami melayani skenario dengan heterogenitas tinggi seperti permainan, sosial, dan AI. Namun, paralelisme tingkat objek juga memperkenalkan ambang bahasa yang lebih tinggi dan kompleksitas pengembangan, Move bukanlah pengganti langsung untuk Solidity, biaya untuk beralih ekosistem sangat tinggi, membatasi kecepatan penyebaran paradigma paralelisme ini.

Paralelisme tingkat transaksi yang lebih lanjut adalah arah yang dijelajahi oleh generasi baru rantai berkinerja tinggi yang diwakili oleh Monad, Sei, dan Fuel. Jalur ini tidak lagi menjadikan status atau akun sebagai unit paralel terkecil, tetapi membangun grafik ketergantungan di sekitar transaksi itu sendiri. Ini menganggap transaksi sebagai unit operasi atom, membangun grafik transaksi melalui analisis statis atau dinamis, dan bergantung pada penjadwal untuk menjalankan eksekusi paralel. Desain ini memungkinkan sistem untuk memaksimalkan eksplorasi paralel tanpa perlu sepenuhnya memahami struktur status bawahannya. Monad sangat menarik, menggabungkan kontrol paralel optimis (OCC), penjadwalan pipa paralel, eksekusi out-of-order, dan teknologi mesin basis data modern lainnya, membuat eksekusi rantai lebih mendekati paradigma "penjadwal GPU". Dalam praktiknya, mekanisme ini memerlukan manajer ketergantungan dan detektor konflik yang sangat kompleks, dan penjadwal itu sendiri juga dapat menjadi bottleneck, tetapi potensi kapasitas throughputnya jauh lebih tinggi daripada model akun atau objek, menjadi salah satu kekuatan dengan plafon teoritis tertinggi di jalur komputasi paralel saat ini.

Dan paralelisme tingkat mesin virtual, akan secara langsung mengintegrasikan kemampuan eksekusi bersamaan ke dalam logika penjadwalan instruksi dasar VM, berupaya untuk sepenuhnya melampaui batasan eksekusi berurutan EVM. MegaETH sebagai "eksperimen mesin virtual super" di dalam ekosistem Ethereum, sedang mencoba untuk merancang ulang EVM agar mendukung eksekusi kontrak pintar secara bersamaan dengan multi-thread. Di bawahnya, melalui eksekusi tersegmentasi, pemisahan status, pemanggilan asinkron, dan mekanisme lainnya, memungkinkan setiap kontrak berjalan secara independen dalam konteks eksekusi yang berbeda, dan dengan bantuan lapisan sinkronisasi paralel untuk memastikan.