Báo cáo nghiên cứu sâu về tính toán song song Web3: Con đường cuối cùng của mở rộng gốc

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

Hệ thống blockchain đã phải đối mặt với vấn đề mở rộng này kể từ khi ra đời. Số lượng giao dịch mỗi giây (TPS) của Bitcoin và Ethereum vẫn còn thấp so với các hệ thống Web2 truyền thống. Đây không phải là một vấn đề đơn giản có thể giải quyết chỉ bằng cách tăng số lượng máy chủ, mà bị hạn chế bởi "phi tập trung, tính an toàn, và khả năng mở rộng" trong thiết kế cơ bản của blockchain.

Trong mười năm qua, chúng ta đã chứng kiến nhiều nỗ lực mở rộng, từ cuộc tranh luận mở rộng Bitcoin đến phân mảnh Ethereum, từ kênh trạng thái đến Rollup và blockchain mô-đun. Rollup như là giải pháp mở rộng chính hiện tại, đã đạt được mục tiêu nâng cao TPS một cách đáng kể. Tuy nhiên, nó vẫn chưa chạm đến giới hạn thực sự của "hiệu suất chuỗi đơn" ở tầng dưới của blockchain, đặc biệt là ở khía cạnh thực thi, vẫn bị giới hạn bởi mô hình tính toán tuần tự trên chuỗi cổ điển.

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

Solana, Sui, Aptos và các chuỗi mới khác đã tiên phong trong việc giới thiệu tính song song ở cấp độ kiến trúc. Trong khi đó, các dự án như Monad, MegaETH đã đưa tính song song trong chuỗi hướng tới việc thực hiện theo đường ống, đồng thời lạc quan, và các cơ chế đột phá dựa trên tin nhắn bất đồng bộ, thể hiện những đặc điểm ngày càng gần gũi với hệ điều hành hiện đại.

Có thể nói, tính toán song song không chỉ là một "phương tiện tối ưu hóa hiệu suất", mà còn là một bước ngoặt trong mô hình thực thi blockchain. Nó thách thức mô hình cơ bản của việc thực thi hợp đồng thông minh, định nghĩa lại logic cơ bản của việc đóng gói giao dịch, truy cập trạng thái, mối quan hệ gọi và bố trí lưu trữ. Nếu nói Rollup là "chuyển giao dịch ra ngoài chuỗi để thực thi", thì tính toán song song trong chuỗi là "xây dựng hạt nhân siêu máy tính trên chuỗi", với mục tiêu cung cấp cơ sở hạ tầng hỗ trợ thực sự bền vững cho các ứng dụng gốc của Web3 trong tương lai.

Khi đường đua Rollup trở nên đồng nhất, việc song song trong chuỗi đang trở thành biến số quyết định cho cuộc cạnh tranh Layer1 trong chu kỳ mới. Nền tảng thực thi chủ quyền thế hệ tiếp theo của thế giới Web3 rất có thể sẽ ra đời từ cuộc đấu tranh song song trong chuỗi này.

Hai, Bức tranh toàn cảnh về mô hình mở rộng: Năm loại lộ trình, mỗi loại có trọng tâm riêng

Mở rộng là một trong những chủ đề quan trọng, liên tục và khó khăn nhất trong sự tiến hóa của công nghệ chuỗi công khai, đã sinh ra gần như tất cả các con đường công nghệ chủ đạo trong suốt gần mười năm qua. Bắt đầu từ cuộc tranh luận về kích thước khối của Bitcoin, cuộc đua công nghệ về "làm thế nào để cho chuỗi chạy nhanh hơn" cuối cùng đã phân hóa thành năm con đường cơ bản, mỗi con đường đều tiếp cận nút thắt từ các góc độ khác nhau, có triết lý công nghệ, độ khó triển khai, mô hình rủi ro và bối cảnh áp dụng riêng.

Lộ trình loại đầu tiên là mở rộng on-chain trực tiếp nhất, các phương 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. Cách này đã từng là trọng tâm trong cuộc tranh luận mở rộng Bitcoin, dẫn đến sự ra đời của các nhánh "khối lớn" như BCH, BSV, và cũng ảnh hưởng đến tư duy thiết kế của các chuỗi công cộng hiệu suất cao sớm như EOS và NEO. Lộ trình này giữ lại sự đơn giản của tính nhất quán chuỗi đơn, dễ hiểu và triển khai, nhưng cũng dễ dàng chạm tới rủi ro tập trung, chi phí vận hành nút tăng lên, và độ khó đồng bộ tăng, do đó trong thiết kế ngày nay đã không còn là giải pháp cốt lõi chính thống, mà nhiều hơn trở thành sự kết hợp hỗ trợ cho các cơ chế khác.

Loại tuyến thứ hai là mở rộng ngoài chuỗi, đại diện là kênh trạng thái và chuỗi bên. 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 quyết toán cuối cùng. Về mặt triết lý công nghệ, 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, an toàn tài chính, độ phức tạp trong tương tác và các vấn đề khác đã hạn chế ứng dụng của nó. Điển hình như Lightning Network mặc dù có định vị cảnh tài chính rõ ràng, nhưng quy mô sinh thái vẫn chưa bùng nổ; trong khi đó, nhiều thiết kế dựa trên chuỗi bên, như Polygon POS, trong khi có thông lượng cao cũng phơi bày nhược điểm khó kế thừa an toàn của chuỗi chính.

Lộ trình thứ ba là lộ trình Layer2 Rollup hiện đang phổ biến nhất và được triển khai rộng rãi. Cách này không trực tiếp thay đổi chính chuỗi, mà là thông qua cơ chế thực thi ngoài chuỗi và xác minh trên chuỗi để đạt được khả năng mở rộng. Optimistic Rollup và ZK Rollup có những lợi thế riêng: cái trước thì nhanh, khả năng tương thích cao, nhưng có vấn đề về độ trễ trong giai đoạn thách thức và cơ chế chứng minh gian lận; cái sau thì an toàn hơn, khả năng nén dữ liệu tốt, nhưng phát triển phức tạp, khả năng tương thích EVM không đủ. Dù là loại Rollup nào, bản chất của nó là thuê ngoài quyền thực thi, đồng thời giữ dữ liệu và xác minh trên chính chuỗi, 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 chứng minh tính khả thi của con đường này, nhưng cũng phơi bày những điểm nghẽn trung hạn như phụ thuộc quá lớn vào khả năng sẵn có của dữ liệu, chi phí vẫn còn cao, và trải nghiệm phát triển bị chia cắt.

Loại đường đi thứ tư là kiến trúc blockchain mô-đun nổi lên trong những năm gần đây, đại diện như Celestia, Avail, EigenLayer, v.v. Mô hình mô-đun đề xuất tách rời các chức năng cốt lõi của blockchain, để nhiều chuỗi chuyên biệt hoàn thành các chức năng khác nhau, sau đó kết hợp lại thành mạng lưới có thể mở rộng thông qua giao thức xuyên chuỗi. Hướng đi này chịu ảnh hưởng sâu sắc từ kiến trúc mô-đun của hệ điều hành và khái niệm có thể kết hợp trong điện toán đám mây, ưu điểm của nó là có thể linh hoạt thay thế các thành phần hệ thống và nâng cao hiệu quả đáng kể trong các khâu cụ thể ( như DA). Tuy nhiên, thách thức cũng rất rõ ràng: sau khi tách rời mô-đun, chi phí đồng bộ hóa, xác thực và tin tưởng lẫn nhau giữa các hệ thống rất cao, hệ sinh thái nhà phát triển cực kỳ phân tán, yêu cầu về tiêu chuẩn giao thức trung và dài hạn cũng như an toàn xuyên 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 một ngưỡng chưa từng có trong việc hiểu và vận hành toàn bộ kiến trúc.

Loại tuyến cuối cùng, cũng chính là đối tượng phân tích trọng tâm trong bài viết này, là con đường tối ưu hóa tính toán song song trong chuỗi. Khác với bốn loại trước chủ yếu thực hiện "phân tách ngang" từ góc độ cấu trúc, tính toán song song nhấn mạnh "nâng cấp dọc", tức là thông qua việc thay đổi kiến trúc của động cơ thực thi trong một chuỗi đơn lẻ, thực hiện xử lý đồng thời các giao dịch nguyên tử. Điều này đòi hỏi phải 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 không đồng bộ và một bộ cơ chế lập lịch hệ thống máy tính hiện đại. Solana là dự án đầu tiên đưa 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 khi cố gắng đưa vào thực thi theo đường ống, đồng thời lạc quan, phân vùng lưu trữ, tách rời song song và các ý tưởng tiên tiến khác, 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 sự đột phá giới hạn thông lượng, đồng thời cung cấp đủ độ linh hoạt tính toán cho việc thực thi hợp đồng thông minh phức tạp, là điều kiện kỹ thuật quan trọng cho các tình huống ứng dụng như AI Agent trong tương lai, game chuỗi lớn, sản phẩm phái sinh tần suất cao, v.v.

Nhìn chung năm loại con đường mở rộng trên, những phân biệt đằng sau thực sự là sự cân bằng hệ thống giữa blockchain trong hiệu suất, khả năng kết hợp, tính an toàn và độ phức tạp trong phát triển. Rollup mạnh ở việc thuê ngoài đồng thuận và thừa kế an toàn, mô-đun hóa nổi bật với tính linh hoạt của cấu trúc và khả năng tái sử dụng thành phần, mở rộng ngoài chuỗi cố gắng vượt qua nút thắt của chuỗi chính nhưng chi phí tin cậy rất cao, trong khi đó mở rộng song song trong chuỗi chủ yếu nhắm vào việc nâng cấp cơ bản của lớp thực thi, cố gắng tiếp cận giới hạn hiệu suất của các hệ thống phân tán hiện đại mà không làm phá hủy tính nhất quán trong chuỗi. Mỗi con đường đều không thể giải quyết tất cả các vấn đề, nhưng chính những hướng đi này đã cùng nhau tạo thành bức tranh toàn cảnh về việc nâng cấp mô hình tính toán Web3, cũng như cung cấp cho các nhà phát triển, kiến trúc sư, nhà đầu tư những lựa chọn chiến lược vô cùng phong phú.

Cũng như trong lịch sử, hệ điều hành đã chuyển từ đơn nhân sang đa nhân, cơ sở dữ liệu đã tiến hóa từ chỉ mục tuần tự sang giao dịch đồng thời, con đường mở rộng của Web3 cuối cùng cũng sẽ tiến tới kỷ nguyên thực thi song song cao độ. Trong kỷ nguyên này, hiệu suất không chỉ đơn thuần là cuộc đua về tốc độ chuỗi, mà là sự thể hiện tổng hợp của triết lý thiết kế nền tảng, độ sâu hiểu biết kiến trúc, sự phối hợp phần mềm và phần cứng cũng như khả năng kiểm soát hệ thống. Và sự song song trong chuỗi, có thể chính là chiến trường cuối cùng của cuộc chiến lâu dài này.

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 đang liên tục tiến hóa, tính toán song song dần trở thành con đường chính cho những đột phá về hiệu suất. Khác với việc giải cấu trúc theo chiều ngang ở tầng cấu trúc, tầng mạng hoặc tầng khả năng dữ liệu, tính toán song song là việc khai thác chiều sâu ở tầng thực thi, liên quan đến logic nền tảng nhất của hiệu suất hoạt động của blockchain, quyết định tốc độ phản hồi và khả năng xử lý của một hệ thống blockchain khi đối mặt với giao dịch phức tạp đa loại và đồng thời cao. Xuất phát từ mô hình thực thi, nhìn lại dòng phát triển của hệ sinh thái công nghệ này, chúng ta có thể phác thảo một sơ đồ phân loại rõ ràng về tính toán song song, có thể chia thành năm con đường công nghệ: song song cấp tài khoản, song song cấp đối tượng, song song cấp giao dịch, song song cấp máy ảo và song song cấp lệnh. Năm con đường này từ thô đến tinh, vừa là quá trình tinh chỉnh logic song song, vừa là con đường độ phức tạp của hệ thống và độ khó trong lập lịch đang không ngừng gia tăng.

Mô hình song song cấp tài khoản xuất hiện sớm nhất, được đại diện bởi Solana. Mô hình này dựa trên thiết kế tách biệt tài khoản-trạng thái, thông qua phân tích tĩnh tập hợp tài khoản liên quan trong giao dịch, để xác định xem có 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 hiện đồng thời 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 rõ ràng, đặc biệt là các chương trình có đường đi dự đoán như DeFi. Nhưng giả định tự nhiên của nó là việc truy cập tài khoản có thể dự đoán, sự 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 hợp đồng thông minh phức tạp. Hơn nữa, sự phụ thuộc chéo giữa các tài khoản cũng khiến lợi ích song song bị suy giảm nghiêm trọng trong một số kịch bản giao dịch tần suất cao. Runtime của Solana đã thực hiện tối ưu hóa cao ở phương diện này, nhưng chiến lược lập lịch cốt lõi của nó vẫn bị giới hạn bởi độ phân giải tài khoản.

Dựa trên mô hình tài khoản, chúng ta tiến 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, thực hiện lập lịch đồng thời dựa trên "đối tượng trạng thái" với độ chi tiết hơn. Aptos và Sui là những người khai thác 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 tại thời điểm biên dịch, cho phép kiểm soát chính xác xung đột truy cập tài nguyên tại thời điểm thực thi. Cách tiếp cận này so với song song theo tài khoản có tính phổ quát và khả năng mở rộng cao hơn, có thể bao quát logic đọc và ghi trạng thái phức tạp hơn, và phục vụ tự nhiên cho các kịch bản có độ dị biệt cao như trò chơi, xã hội, AI. Tuy nhiên, song song theo đối tượng cũng đưa ra ngưỡng 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, hạn chế tốc độ phổ biến của mô hình song song này.

Việc thực hiện đồng thời ở cấp độ giao dịch sâu hơn là hướng mà thế hệ chuỗi hiệu suất cao mới, đại diện bởi Monad, Sei, và Fuel đang khám phá. Con đường này không còn coi trạng thái hay tài khoản là đơn vị đồng thời tối thiểu nữa, mà xây dựng đồ thị phụ thuộc xung quanh toàn bộ giao dịch. Nó coi giao dịch như là đơn vị thao tác nguyên tử, xây dựng đồ thị giao dịch thông qua phân tích tĩnh hoặc động, và phụ thuộc vào bộ lập lịch để thực hiện luồng song song. Thiết kế này cho phép hệ thống khai thác tối đa tính đồng thời mà không cần hiểu hoàn toàn cấu trúc trạng thái bên dưới. Monad đặc biệt nổi bật, kết hợp kiểm soát đồng thời lạc quan (OCC), lập lịch luồng song song, thực thi không theo thứ tự và các công nghệ của động cơ cơ sở dữ liệu hiện đại, giúp việc thực thi chuỗi gần gũi hơn với mô hình "bộ lập lịch GPU". Trong thực tế, cơ chế này cần một quản lý phụ thuộc và phát hiện xung đột cực kỳ phức tạp, 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 đồng thời hiện tại.

Và song song với mức độ máy ảo, sẽ nhúng khả năng thực thi đồng thời trực tiếp vào logic lập lịch lệnh ở tầng VM, nhằm vượt qua hoàn toàn những hạn chế cố hữu của việc thực thi tuần tự EVM. MegaETH, như một "thí nghiệm máy ảo siêu" 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 chế thực thi phân đoạn, phân cách trạng thái, gọi không đồng bộ ở tầng dưới cho phép mỗi hợp đồng chạy độc lập trong các ngữ cảnh thực thi khác nhau, và sử dụng lớp đồng bộ song song để đảm bảo.