Báo cáo nghiên cứu sâu về tính toán song song Web3: Con đường tối ưu cho mở rộng gốc

Một, Giới thiệu: Mở rộng là một đề tài vĩnh cửu, song song là chiến trường tối thượng

Hệ thống blockchain từ khi ra đời đã phải đối mặt với vấn đề cốt lõi về khả năng mở rộng. Số lượng giao dịch mỗi giây của Bitcoin và Ethereum là (TPS) rất thấp, không thể so sánh với các hệ thống Web2 truyền thống. Đây không phải là vấn đề đơn giản chỉ cần tăng số lượng máy chủ là có thể giải quyết, mà là giới hạn hệ thống trong thiết kế cơ bản của blockchain, tức là "phi tập trung, an ninh, khả năng mở rộng" ba khó khăn.

Trong mười năm qua, công nghệ mở rộng đã liên tục tiến hóa, từ tranh cãi mở rộng Bitcoin đến phân đoạn Ethereum, từ kênh trạng thái, Plasma đến Rollup và blockchain mô-đun, toàn ngành đã đi ra một con đường mở rộng đầy tưởng tượng. Rollup, như là giải pháp mở rộng chính hiện nay, đã đạt được mục tiêu tăng đáng kể TPS. Nhưng nó vẫn chưa chạm đến giới hạn thực sự của "hiệu suất chuỗi đơn" ở tầng nền tảng blockchain, đặc biệt là ở khía cạnh thực hiện, vẫn bị hạn chế bởi mô hình tính toán tuần tự trong chuỗi cổ điển.

Do đó, tính toán song song trong chuỗi dần dần đã lọt vào tầm nhìn của ngành. Khác với việc mở rộng ngoài chuỗi và phân phối giữa các chuỗi, tính toán song song trong chuỗi cố gắng tái cấu trúc hoàn toàn động cơ thực thi trong khi duy trì tính nguyên tử của chuỗi đơn, nâng cấp blockchain từ "thực thi giao dịch tuần tự theo từng mục" thành "hệ thống tính toán đồng thời cao với nhiều luồng + ống dẫn + lập lịch phụ thuộc". Điều này không chỉ có thể đạt được hàng trăm lần cải thiện thông lượng, mà còn có thể trở thành điều kiện tiên quyết quan trọng cho sự bùng nổ ứng dụng hợp đồng thông minh.

Trên thực tế, trong mô hình tính toán Web2, tính toán đơn luồng đã sớm bị thay thế bởi lập trình song song, lập lịch bất đồng bộ và các mô hình khác. Trong khi đó, blockchain như một hệ thống tính toán nguyên thủy và bảo thủ hơn, vẫn chưa khai thác đầy đủ những tư tưởng song song này. Các chuỗi mới như Solana, Sui, Aptos đã giới thiệu tính song song ở cấp kiến trúc, mở ra một cuộc khám phá; trong khi đó, các dự án như Monad, MegaETH đã nâng cao tính song song trong chuỗi lên một bước đột phá sâu hơn, 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 bước ngoặt trong mô hình thực thi của blockchain. Nó thách thức mô hình cơ bản của việc thực thi hợp đồng thông minh, định nghĩa lại logic cơ bản của việc xử lý giao dịch. Nếu nói Rollup là "di chuyển giao dịch ra ngoài chuỗi", thì tính toán song song trong chuỗi là "xây dựng lõi siêu máy tính trên chuỗi", mục tiêu là cung cấp hỗ trợ cơ sở hạ tầng thực sự bền vững cho các ứng dụng gốc Web3 trong tương lai.

Khi các đường đua Rollup trở nên đồng nhất, việc song song trên chuỗi đang trở thành biến số quyết định trong cuộc cạnh tranh Layer1 của chu kỳ mới. Đây không chỉ là một cuộc đua công nghệ, mà còn là một cuộc chiến giành lấy các mô hình. Nền tảng thực thi chủ quyền thế hệ tiếp theo của thế giới Web3 rất có thể sẽ ra đời từ cuộc chiến song song trên chuỗi này.

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

Mở rộng, như một trong những chủ đề quan trọng, kéo dài và khó khăn nhất trong sự tiến hóa của công nghệ chuỗi công cộng, đã thúc đẩy sự xuất hiện và biến đổi của hầu hết 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 mang tên "làm thế nào để cho chuỗi chạy nhanh hơn" đã cuối cùng phân hóa thành năm con đường cơ bản, mỗi con đường đều tiếp cận nút thắt từ những góc độ khác nhau, với triết lý công nghệ, độ khó thực hiện, mô hình rủi ro và bối cảnh áp dụng riêng.

Lộ trình loại đầu tiên là mở rộng chuỗi 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 từng là tâm điểm trong cuộc tranh cãi 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 đầu tiên như EOS và NEO. Ưu điểm của loại lộ trình này là giữ được tính đơn giản của sự nhất quán trên một chuỗi, dễ hiểu và triển khai, nhưng cũng rất dễ gặp phải rủi ro tập trung, chi phí vận hành nút tăng cao, khó khăn trong việc đồng bộ hóa và các giới hạn hệ thống khác, do đó trong thiết kế ngày nay đã không còn là giải pháp cốt lõi chủ đạo, mà trở thành sự kết hợp bổ trợ cho các cơ chế khác.

Loại đường thứ hai là mở rộng ngoài chuỗi, đại diện cho các kênh trạng thái (State Channels) và chuỗi bên (Sidechains). Ý tưởng cơ bản của con đường này là chuyển hầu hết các hoạt động giao dịch sang ngoài chuỗi, chỉ ghi lại kết quả cuối cùng vào chuỗi chính, chuỗi chính đóng vai trò là lớp thanh toán cuối cùng. Về mặt triết lý kỹ thuật, nó gần giống với tư tưởng kiến trúc bất đồng bộ của Web2. Mặc dù ý tưởng này lý thuyết có thể mở rộng khả năng thông lượng vô hạn, nhưng mô hình tin cậy của giao dịch ngoài chuỗi, vấn đề an toàn tài chính, độ phức tạp tương tác, v.v., đã khiến ứng dụng của nó bị hạn chế. Điển hình như Lightning Network mặc dù có vị trí 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, mặc dù có thông lượng cao nhưng cũng bộc lộ nhược điểm khó kế thừa tính an toàn của chuỗi chính.

Lộ trình loại ba là lộ trình Layer2 Rollup hiện đang phổ biến nhất và được triển khai rộng rãi. Cách thức này không trực tiếp thay đổi chính chuỗi, mà 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 đều có những ưu điểm riêng: cái trước thực hiện nhanh, tương thích cao, nhưng gặp phải vấn đề về thời gian thách thức và cơ chế chứng minh gian lận; cái sau có độ an toàn cao, khả năng nén dữ liệu tốt, nhưng phát triển phức tạp, khả năng tương thích EVM còn hạn chế. Dù là loại Rollup nào, bản chất của nó là ủy quyền thực thi, đồng thời giữ lại 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 đã chứng minh tính khả thi của con đường này, nhưng đồng thời cũng bộc lộ các nút thắt trung hạn như phụ thuộc quá mạnh vào khả năng sẵn có của dữ liệu (DA), chi phí vẫn cao, trải nghiệm phát triển bị phân mảnh.

Lộ trình loại 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 khuyến nghị tách rời hoàn toàn các chức năng cốt lõi của blockchain, để nhiều chuỗi chuyên biệt thực hiện các chức năng khác nhau, sau đó kết hợp lại thành một mạng lưới có thể mở rộng thông qua các giao thức liên chuỗi. Hướng đi này chịu ảnh hưởng sâu sắc từ kiến trúc mô-đun của hệ điều hành và ý tưởng kết hợp trong điện toán đám mây, lợi ích của nó là có thể thay thế linh hoạt 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: chi phí đồng bộ, xác minh và tin cậy giữa các hệ thống sau khi tách rời mô-đun là rất cao, hệ sinh thái nhà phát triển cực kỳ phân tán, và yêu cầu về tiêu chuẩn giao thức trung hạn và dài hạn cũng như sự an toàn liên chuỗi cao hơn nhiều so với thiết kế chuỗi truyền thống. Mô hình này về cơ bản không còn xây dựng một "chuỗi", mà là xây dựng một "mạng lưới chuỗi", đặt ra những yêu cầu chưa từng có về hiểu biết và vận hành toàn bộ kiến trúc.

Loại lộ trình cuối cùng, cũng chính là đối tượng phân tích chính của 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 trong một chuỗi duy nhất, thông qua việc thay đổi cấu trúc động cơ thực thi, đạt được xử lý đồng thời các giao dịch nguyên tử. Điều này yêu cầu viết lại logic lập lịch VM, giới thiệu phân tích phụ thuộc giao dịch, dự đoán xung đột trạng thái, kiểm soát độ song song, gọi bất 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 lõi. Trong khi đó, các dự án thế hệ mới như Monad, Sei, Fuel, MegaETH, v.v., đã đi xa hơn nữa khi cố gắng giới thiệu thực thi theo chuỗi, đồng thời tối ưu, phân vùng lưu trữ, đồng bộ tách biệt và các ý tưởng tiên tiến khác để 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 mà vẫn có thể đạt được vượt qua 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 ứng dụng trong tương lai như AI Agent, trò chơi chuỗi lớn, sản phẩm phái sinh tần suất cao, v.v.

Nhìn chung, năm loại con đường mở rộng trên, vấn đề cơ bản nằm ở sự cân bằng hệ thống giữa hiệu suất, khả năng kết hợp, tính an toàn và độ phức tạp trong phát triển của blockchain. Rollup mạnh về việc ủy thác đồng thuận và kế thừa an toàn, mô-đun hóa nổi bật với tính linh hoạt cấu trúc và khả năng tái sử dụng thành phần, mở rộng ngoài chuỗi cố gắng vượt qua các nút thắt của chuỗi chính nhưng chi phí niềm tin rất cao, trong khi song song trong chuỗi chủ yếu tập trung vào việc nâng cấp cơ bản của tầng thực thi, cố gắng đạt được giới hạn hiệu suất của 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 tạo thành bức tranh toàn cảnh về sự nâng cấp của mô hình tính toán Web3, đồng thời cung cấp cho các nhà phát triển, kiến trúc sư và nhà đầu tư những lựa chọn chiến lược vô cùng phong phú.

Giống như lịch sử đã chuyển đổi từ hệ điều hành đơn nhân sang đa nhân, và cơ sở dữ liệu từ chỉ mục tuần tự phát triển thành giao dịch đồng thời, con đường mở rộng của Web3 cuối cùng cũng sẽ bước vào kỷ nguyên thực thi song song cao độ. Trong kỷ nguyên này, hiệu suất không chỉ là cuộc đua về tốc độ chuỗi, mà còn là sự thể hiện tổng hợp của triết lý thiết kế cơ bản, độ hiểu biết về kiến trúc, độ sâu của phần mềm và phần cứng hợp tác cũng như khả năng kiểm soát hệ thống. Và 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 không ngừng tiến hóa, tính toán song song dần trở thành con đường cốt lõi cho sự đột phá về hiệu suất. Khác với sự tách rời theo chiều ngang của lớp cấu trúc, lớp mạng hay lớp khả năng sẵn có của dữ liệu, tính toán song song là sự khai thác sâu sắc theo chiều dọc ở lớp thực thi, nó liên quan đến logic cơ bản nhất của hiệu quả hoạt động của blockchain, quyết định tốc độ phản ứng và khả năng xử lý của một hệ thống blockchain khi đối mặt với các giao dịch phức tạp đa dạng và có độ đồng thời cao. Xuất phát từ mô hình thực thi, nhìn lại tiến trình phát triển của dòng công nghệ này, chúng ta có thể phác thảo một bản đồ phân loại rõ ràng về tính toán song song, được chia thành năm con đường công nghệ: tính toán song song cấp tài khoản, tính toán song song cấp đối tượng, tính toán song song cấp giao dịch, tính toán song song cấp máy ảo và tính toán song song cấp lệnh. Năm loại con đường này từ thô đến mịn, vừa là quá trình tinh chỉnh liên tục của logic song song, vừa là con đường mà độ phức tạp của hệ thống và độ khó trong lập lịch ngày càng gia tăng.

Mô hình song song cấp tài khoản xuất hiện sớm nhất là mô hình đại diện bởi Solana. Mô hình này dựa trên thiết kế phân tách tài khoản-trạng thái, thông qua phân tích tĩnh tập hợp tài khoản liên quan trong giao dịch để xác định xem có tồn tại 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 nhân. 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 có thể dự đoán như DeFi. Tuy nhiên, giả định tự nhiên của nó là quyền truy cập tài khoản có thể dự đoán và phụ thuộc trạng thái có thể suy luận tĩnh, điều này khiến nó dễ gặp phải vấn đề thực hiện bảo thủ và giảm độ song song khi đối mặt với hợp đồng thông minh phức tạp ( như trò chơi trên chuỗi, hành vi động của AI agent ). Hơn nữa, sự phụ thuộc chéo giữa các tài khoản cũng làm giảm nghiêm trọng lợi ích song song trong một số tình huống giao dịch tần suất cao. Runtime của Solana đã đạt được tối ưu hóa cao trong lĩnh vực 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 tiếp tục tinh chỉnh và 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, cho phép lập lịch đồng thời theo đơn vị "đối tượng trạng thái" với độ tinh vi cao hơn. Aptos và Sui là những nhà khám phá 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, từ đó cho phép kiểm soát chính xác xung đột truy cập tài nguyên trong thời gian thực. Cách tiếp cận này so với song song theo tài khoản thì có tính phổ quát và khả năng mở rộng hơn, có thể bao phủ các logic đọc và ghi trạng thái phức tạp hơn, và tự nhiên phục vụ cho các tình huống độ đa dạng cao như trò chơi, xã hội, AI, v.v. Tuy nhiên, song song theo đối tượng cũng đặt ra ngưỡng ngôn ngữ cao hơn và độ phức tạp phát triển lớn hơn, Move không phải là sự thay thế trực tiếp cho Solidity, chi phí chuyển đổi hệ sinh thái rất cao, hạn chế tốc độ phổ biến của mô hình song song này.

Tiến xa hơn về song song cấp giao dịch, là hướng mà các chuỗi hiệu suất cao thế hệ mới đại diện bởi Monad, Sei, Fuel đang khám phá. Con đường này không còn xem trạng thái hay tài khoản là đơn vị song song tối thiểu, mà xây dựng đồ thị phụ thuộc xung quanh chính giao dịch. Nó coi giao dịch như một đơn vị thao tác nguyên tử, thông qua phân tích tĩnh hoặc động để xây dựng đồ thị giao dịch (Transaction DAG), và phụ thuộc vào bộ lập lịch để thực hiện dòng chảy song song. Thiết kế này cho phép hệ thống tối đa hóa khả năng song song mà không cần phải hiểu hoàn toàn cấu trúc trạng thái cơ sở. Monad đặc biệt nổi bật, nó kết hợp kiểm soát song song lạc quan (OCC), lập lịch dòng chảy song song, thực hiện 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 kiểu "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