Peta Panorama Jalur Perhitungan Paralel Web3: Solusi Terbaik untuk Skalabilitas Asli?

I. Pendahuluan: Aplikasi komputasi paralel dalam blockchain

"Trilema Blockchain" (Blockchain Trilemma) dari "keamanan", "desentralisasi", dan "skalabilitas" mengungkapkan trade-off esensial dalam desain sistem blockchain, yaitu proyek blockchain sulit untuk mencapai "keamanan yang ekstrem, partisipasi universal, dan pemrosesan cepat" secara bersamaan. Mengenai "skalabilitas" yang merupakan topik abadi, saat ini solusi perluasan blockchain yang dominan di pasar dibedakan berdasarkan paradigma, termasuk:

• Melaksanakan peningkatan kapasitas eksekusi: Meningkatkan kemampuan eksekusi di tempat, seperti paralel, GPU, dan multi-core.
• Isolasi status untuk peningkatan kapasitas: Pemisahan status horizontal / Shard, seperti sharding, UTXO, banyak subnet
• Ekspansi tipe outsourcing off-chain: Memindahkan eksekusi di luar rantai, seperti Rollup, Coprocessor, DA
• Ekspansi dengan Decoupled Structure: Modular arsitektur, operasi kolaboratif, seperti chain modul, sorter bersama, Rollup Mesh
• Ekspansi jenis konkuren asinkron: Model Aktor, isolasi proses, berbasis pesan, seperti agen, rantai asinkron multithreading

Solusi skalabilitas blockchain mencakup: komputasi paralel dalam rantai, Rollup, pemotongan, modul DA, struktur modular, sistem Aktor, kompresi bukti zk, arsitektur Stateless, dan lain-lain, mencakup beberapa tingkat eksekusi, status, data, dan struktur, adalah sebuah "sistem skalabilitas lengkap yang kolaboratif dan terkomposisi secara modular". Artikel ini fokus pada metode skalabilitas yang berbasis komputasi paralel.

Perhitungan paralel dalam rantai (intra-chain parallelism), fokus pada eksekusi paralel transaksi / instruksi di dalam blok. Berdasarkan mekanisme paralel, cara peningkatannya dapat dibagi menjadi lima kategori, masing-masing mewakili pencarian kinerja, model pengembangan, dan filosofi arsitektur yang berbeda, dengan ukuran granularitas paralel yang semakin halus, intensitas paralel yang semakin tinggi, kompleksitas penjadwalan yang juga semakin tinggi, serta kompleksitas pemrograman dan kesulitan implementasi yang semakin meningkat.

• Paralel tingkat akun (Account-level): Mewakili proyek Solana
• Paralel tingkat objek (Object-level): mewakili proyek Sui
• Paralel Tingkat Transaksi (Transaction-level): Mewakili proyek Monad, Aptos
• Tingkat panggilan / MicroVM paralel (Call-level / MicroVM): mewakili proyek MegaETH
• Paralelisme tingkat instruksi (Instruction-level): mewakili proyek GatlingX

Model konkuren asinkron di luar rantai, yang diwakili oleh sistem aktor (Model Agen / Aktor), merupakan salah satu paradigma komputasi paralel, sebagai sistem pesan lintas rantai / asinkron (model non-sinkron blok), setiap Agen berfungsi sebagai "proses cerdas yang berjalan secara independen", dengan cara paralel yang mengirim pesan asinkron, berbasis peristiwa, tanpa penjadwalan sinkron, proyek-proyek yang diwakili antara lain AO, ICP, Cartesi, dan lain-lain.

Dan solusi skalabilitas yang kita kenal baik, seperti Rollup atau sharding, termasuk dalam mekanisme konkruensi tingkat sistem, dan bukan merupakan komputasi paralel dalam rantai. Mereka mencapai skalabilitas melalui "menjalankan beberapa rantai / domain eksekusi secara paralel" alih-alih meningkatkan derajat paralel dalam satu blok / mesin virtual. Solusi skalabilitas semacam ini bukanlah fokus diskusi artikel ini, tetapi kami tetap akan menggunakannya untuk perbandingan perbedaan dalam konsep arsitektur.

Dua, Rantai Peningkatan Paralel EVM: Melampaui Batas Kinerja dalam Kecocokan

Arsitektur pemrosesan serial Ethereum telah berkembang hingga saat ini, mengalami beberapa upaya peningkatan kapasitas seperti sharding, Rollup, dan arsitektur modular, tetapi bottleneck throughput di lapisan eksekusi masih belum mendapatkan terobosan fundamental. Namun, pada saat yang sama, EVM dan Solidity tetap menjadi platform kontrak pintar dengan basis pengembang dan potensi ekosistem yang paling kuat saat ini. Oleh karena itu, rantai peningkatan paralel yang berbasis EVM sebagai jalur kunci yang memperhatikan kompatibilitas ekosistem dan peningkatan kinerja eksekusi sedang menjadi arah penting dalam evolusi peningkatan kapasitas yang baru. Monad dan MegaETH adalah proyek yang paling representatif dalam arah ini, masing-masing membangun arsitektur pemrosesan paralel EVM yang ditujukan untuk skenario dengan tingkat konkuren yang tinggi dan throughput yang tinggi, dengan pendekatan eksekusi tertunda dan pemecahan status.

Analisis Mekanisme Perhitungan Paralel Monad

Monad adalah blockchain Layer1 berperforma tinggi yang dirancang ulang untuk Ethereum Virtual Machine (EVM), berdasarkan konsep paralelisme dasar pemrosesan aliran (Pipelining), dengan eksekusi asinkron di lapisan konsensus (Asynchronous Execution) dan eksekusi paralel optimis di lapisan eksekusi (Optimistic Parallel Execution). Selain itu, di lapisan konsensus dan penyimpanan, Monad masing-masing memperkenalkan protokol BFT berperforma tinggi (MonadBFT) dan sistem basis data khusus (MonadDB), untuk mencapai optimasi end-to-end.

Pipelining: Mekanisme eksekusi paralel multi-tahap

Pipelining adalah konsep dasar dari eksekusi paralel Monad, yang inti pemikirannya adalah memecah proses eksekusi blockchain menjadi beberapa tahap independen dan memproses tahap-tahap ini secara paralel, membentuk arsitektur jalur aliran tiga dimensi. Setiap tahap berjalan di thread atau inti independen, sehingga memungkinkan pemrosesan bersamaan antar blok, dan akhirnya mencapai peningkatan throughput dan pengurangan latensi. Tahap-tahap ini meliputi: usulan transaksi (Propose), pencapaian konsensus (Consensus), eksekusi transaksi (Execution), dan pengajuan blok (Commit).

Eksekusi Asinkron: Konsensus - Melaksanakan Decoupling Asinkron

Dalam rantai tradisional, konsensus dan eksekusi transaksi biasanya merupakan proses sinkron, dan model serial ini sangat membatasi skala kinerja. Monad mencapai konsensus lapisan asinkron, eksekusi lapisan asinkron, dan penyimpanan asinkron melalui "eksekusi asinkron". Secara signifikan mengurangi waktu blok (block time) dan latensi konfirmasi, membuat sistem lebih fleksibel, proses lebih terperinci, dan efisiensi penggunaan sumber daya lebih tinggi.

Desain Inti:

• Proses konsensus (lapisan konsensus) hanya bertanggung jawab untuk mengurutkan transaksi, tidak menjalankan logika kontrak.
• Proses eksekusi (lapisan eksekusi) dipicu secara asinkron setelah konsensus selesai.
• Setelah konsensus selesai, langsung masuk ke proses konsensus blok berikutnya, tanpa perlu menunggu eksekusi selesai.

Eksekusi Paralel Optimis：Optimis Eksekusi Paralel

Ethereum tradisional menggunakan model serial yang ketat untuk pelaksanaan transaksi, guna menghindari konflik status. Sementara Monad mengadopsi strategi "eksekusi paralel optimis", yang secara signifikan meningkatkan kecepatan pemrosesan transaksi.

Mekanisme Eksekusi:

• Monad secara optimis akan mengeksekusi semua transaksi secara paralel, dengan asumsi sebagian besar transaksi tidak memiliki konflik status.
• Menjalankan sebuah "Detektor Konflik (Conflict Detector))" untuk memantau apakah transaksi mengakses status yang sama (seperti konflik baca/tulis).
• Jika terdeteksi konflik, transaksi yang konflik akan diserialisasi dan dieksekusi ulang untuk memastikan keakuratan status.

Monad memilih jalur yang kompatibel: meminimalkan perubahan pada aturan EVM, dengan menunda penulisan status dan mendeteksi konflik secara dinamis untuk mencapai paralelisme, lebih mirip dengan Ethereum versi performa, kematangan yang baik memudahkan migrasi ekosistem EVM, merupakan akselerator paralel di dunia EVM.

Analisis mekanisme komputasi paralel MegaETH

Berbeda dengan penempatan L1 dari Monad, MegaETH diposisikan sebagai lapisan eksekusi paralel berperforma tinggi yang kompatibel dengan EVM dan dapat berfungsi sebagai rantai publik L1 yang independen, maupun sebagai lapisan peningkatan eksekusi di Ethereum atau komponen modular. Tujuan desain inti adalah untuk mengisolasi logika akun, lingkungan eksekusi, dan status menjadi unit terkecil yang dapat dijadwalkan secara independen, untuk mencapai eksekusi bersamaan yang tinggi di dalam rantai dan kemampuan respons dengan latensi rendah. Inovasi kunci yang diusulkan oleh MegaETH adalah: arsitektur Micro-VM + DAG ketergantungan status (Directed Acyclic Graph) dan mekanisme sinkronisasi modular, yang bersama-sama membangun sistem eksekusi paralel yang berorientasi pada "threading dalam rantai."

Arsitektur Micro-VM: Akun adalah utas

MegaETH memperkenalkan model eksekusi "satu mikro virtual machine (Micro-VM) per akun", yang "meng-thread" lingkungan eksekusi, menyediakan unit isolasi terkecil untuk penjadwalan paralel. VM ini berkomunikasi melalui pesan asinkron (Asynchronous Messaging), bukan panggilan sinkron, sehingga banyak VM dapat dieksekusi secara independen, menyimpan secara independen, dan secara alami paralel.

State Dependency DAG: Mekanisme Penjadwalan yang Didorong oleh Grafik Ketergantungan

MegaETH membangun sebuah sistem penjadwalan DAG yang berbasis pada hubungan akses status akun, yang secara real-time memelihara sebuah grafik ketergantungan global (Dependency Graph). Setiap transaksi yang mengubah akun tertentu dan membaca akun lainnya semuanya dimodelkan menjadi hubungan ketergantungan. Transaksi yang tidak bertentangan dapat dieksekusi secara paralel, sementara transaksi yang memiliki hubungan ketergantungan akan dijadwalkan secara serial atau ditunda berdasarkan urutan topologi. Grafik ketergantungan memastikan konsistensi status dan penulisan non-duplikat selama proses eksekusi paralel.

Eksekusi Asynchronous dan Mekanisme Callback

B

Secara keseluruhan, MegaETH memecahkan model mesin status EVM single-thread tradisional dengan mengimplementasikan pengemasan mikro-vm berdasarkan akun, melakukan penjadwalan transaksi melalui grafik ketergantungan status, dan mengganti tumpukan panggilan sinkron dengan mekanisme pesan asinkron. Ini adalah platform komputasi paralel yang dirancang kembali dari "struktur akun → arsitektur penjadwalan → alur eksekusi" secara menyeluruh, memberikan ide baru pada tingkat paradigma untuk membangun sistem on-chain berkinerja tinggi generasi berikutnya.

MegaETH memilih jalur rekonstruksi: sepenuhnya mengabstraksi akun dan kontrak menjadi VM yang independen, dengan penjadwalan eksekusi asinkron untuk melepaskan potensi paralel yang ekstrem. Secara teori, batas paralel MegaETH lebih tinggi, tetapi juga lebih sulit untuk mengendalikan kompleksitas, lebih mirip dengan sistem operasi terdistribusi super di bawah filosofi Ethereum.

Monad dan MegaETH memiliki filosofi desain yang sangat berbeda dengan sharding: sharding membagi blockchain secara horizontal menjadi beberapa sub-chain independen (shards), di mana setiap sub-chain bertanggung jawab atas sebagian transaksi dan status, memecahkan batasan single chain dalam skala jaringan; sementara Monad dan MegaETH tetap menjaga integritas single chain, hanya melakukan perluasan horizontal di layer eksekusi, dan melakukan optimasi eksekusi paralel maksimum di dalam single chain untuk meningkatkan kinerja. Keduanya mewakili dua arah dalam jalur perluasan blockchain: penguatan vertikal dan perluasan horizontal.

Proyek komputasi paralel seperti Monad dan MegaETH terutama berfokus pada jalur optimasi throughput, dengan tujuan inti untuk meningkatkan TPS di dalam rantai, melalui Eksekusi Tertunda (Deferred Execution) dan arsitektur Micro-VM untuk mencapai pemrosesan paralel pada tingkat transaksi atau akun. Sementara itu, Pharos Network sebagai jaringan blockchain L1 yang modular dan paralel penuh, memiliki mekanisme komputasi paralel inti yang disebut "Rollup Mesh". Arsitektur ini mendukung kerjasama antara jaringan utama dan Jaringan Pemrosesan Khusus (SPNs), mendukung lingkungan multi-virtual machine (EVM dan Wasm), serta mengintegrasikan teknologi canggih seperti bukti nol pengetahuan (ZK) dan lingkungan eksekusi terpercaya (TEE).

Analisis Mekanisme Komputasi Paralel Rollup Mesh:

1. Pemrosesan Pipa Asinkron Sepanjang Siklus Hidup (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos memisahkan setiap tahap transaksi (seperti konsensus, eksekusi, penyimpanan) dan menggunakan metode pemrosesan asinkron, sehingga setiap tahap dapat dilakukan secara mandiri dan paralel, yang pada gilirannya meningkatkan efisiensi pemrosesan secara keseluruhan.
2. Eksekusi Paralel Dual VM: Pharos mendukung dua lingkungan virtual, EVM dan WASM, yang memungkinkan pengembang memilih lingkungan eksekusi yang sesuai sesuai kebutuhan. Arsitektur dual VM ini tidak hanya meningkatkan fleksibilitas sistem tetapi juga meningkatkan kapasitas pemrosesan transaksi melalui eksekusi paralel.
3. Jaringan Pemrosesan Khusus (SPNs): SPNs adalah komponen kunci dalam arsitektur Pharos, mirip dengan sub-jaringan modular, yang dirancang khusus untuk menangani jenis tugas atau aplikasi tertentu. Melalui SPNs, Pharos dapat mencapai alokasi sumber daya yang dinamis dan pemrosesan tugas secara paralel, yang lebih meningkatkan skalabilitas dan kinerja sistem.
4. Konsensus Modular dan Mekanisme Restaking (Modular Consensus & Restaking): Pharos memperkenalkan mekanisme konsensus yang fleksibel, mendukung berbagai model konsensus (seperti PBFT