EVMのシリアル実行のボトルネックと並列化最適化の探求

イーサリアム仮想マシン（EVM）は、イーサリアムのコア実行エンジンとして、その性能はネットワーク全体の処理能力に直接影響します。従来のEVMは、取引を直列実行方式で処理します。設計がシンプルでメンテナンスが容易ですが、ブロックチェーン技術が進化し、ユーザー群が拡大する中で、高いTPSとスループットのニーズを満たすことはできなくなっています。特に、Rollup技術が成熟して実装された後、EVMの直列実行による性能ボトルネックは、第二層ネットワークでさらに顕著になっています。

! 並列EVMの最適化パスを説明するために、例としてReddioを取り上げます

EVMと状態データベース（stateDB）は、イーサリアムの取引実行の二大コアコンポーネントです。EVMはスマートコントラクト命令を解釈し実行する役割を担い、stateDBはグローバルな状態ストレージを管理します。直列実行モードでは、取引は順番に一つずつ処理され、各取引は独立したEVMインスタンスを使用しますが、同じstateDBを共有します。このモードでは、複雑なスマートコントラクト取引が全体の処理速度を著しく低下させることになります。

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シリアル実行の制限を突破するために、業界はEVMの並列化最適化ソリューションを探求し始めました。あるZKRollupプロジェクトは、各スレッドに独立した一時的な状態データベース（pending-stateDB）を割り当てるという核心的なアイデアを持つマルチスレッド並列最適化ソリューションを提案しました。具体的な実装には以下が含まれます：

1. マルチスレッドで並行して取引を実行し、処理速度を大幅に向上させます。
2. 各スレッドに独立したpending-stateDBを割り当て、状態の変更を一時保存します。
3. 読み書き操作を最適化し、状態データに正しくアクセスし、衝突を避けることを保証します。
4. 競合検出メカニズムを導入し、複数のトランザクションが同じアカウントの状態を読み書きする状況を処理します。
5. 実行が完了したら、複数の pending-stateDB の変更レコードをグローバル stateDB にマージします。

! 並列EVMの最適化パスを示す例としてReddioを取り上げます

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! 並列EVMの最適化パスを説明するためにReddioを例にとります

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! Reddioを例にとり、並列EVMの最適化パスを示します

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この最適化ソリューションは、低衝突のワークロード下でTPSを3〜5倍向上させることができます。理論的には、すべての最適化手段を採用すれば、高衝突のワークロードにおいては60倍のパフォーマンス向上を達成することも可能です。

! Reddioを例にとり、並列EVMの最適化パスを示します

EVMの並列化最適化は、イーサリアムおよびその拡張ソリューションに巨大なパフォーマンス向上の潜在能力を提供します。技術が不断に改善される中、今後さらに革新的な最適化ソリューションが登場し、ブロックチェーンネットワークの処理能力とユーザー体験が向上することが期待されます。