Rapport de recherche approfondi sur le calcul parallèle Web3 : le chemin ultime de l'extension native

Introduction : L'extension est un sujet éternel, et la parallélisation est le champ de bataille ultime

Depuis la création des systèmes de blockchain, la question cruciale de l'évolutivité s'est posée. Les goulets d'étranglement de performance de Bitcoin et d'Ethereum sont bien inférieurs à ceux des systèmes Web2 traditionnels. Ce n'est pas un problème qui peut être résolu simplement en ajoutant des serveurs, mais il découle des limitations systémiques dans la conception de la blockchain - le "dilemme de la décentralisation, de la sécurité et de l'évolutivité".

Au cours de la dernière décennie, nous avons été témoins de nombreuses tentatives d'extension, allant de la lutte pour l'extension de Bitcoin aux shards d'Ethereum, des canaux d'état aux Rollups et aux blockchains modulaires. Les Rollups, en tant que solution d'extension actuellement dominante, bien qu'ils aient considérablement amélioré le TPS, n'ont pas atteint la véritable limite de "performance à chaîne unique" au niveau de la blockchain, en particulier en ce qui concerne l'exécution, qui reste limitée par le calcul en série sur la chaîne.

Le calcul parallèle sur la chaîne devient progressivement un point focal de l'industrie. Il tente de reconstruire complètement le moteur d'exécution tout en maintenant l'atomicité d'une seule chaîne, en faisant passer la blockchain d'une "exécution des transactions en série" à un système à haute concurrence de "multithreading + pipeline + planification des dépendances". Cela pourrait non seulement entraîner une augmentation du débit de plusieurs centaines de fois, mais également devenir une base clé pour l'explosion des applications de contrats intelligents.

Le calcul parallèle remet en question le modèle fondamental de l'exécution des contrats intelligents, redéfinissant la logique de base de l'emballage des transactions, de l'accès aux états, des relations d'appel et de la disposition du stockage. Son objectif n'est pas seulement d'améliorer le débit, mais aussi de fournir un véritable soutien infrastructurel durable pour les applications natives de Web3 à l'avenir.

Après que la piste des Rollups soit devenue homogène, le parallélisme au sein de la chaîne devient un variable décisif dans la compétition Layer 1 du nouveau cycle. Ce n'est pas seulement une course technologique, mais aussi une bataille pour le paradigme. La prochaine génération de plateformes d'exécution souveraines dans le monde Web3 pourrait très bien naître de cette lutte pour le parallélisme au sein de la chaîne.

Vue d'ensemble du paradigme d'extension : cinq types de routes, chacun avec ses propres points forts

L'extensibilité, en tant que l'un des sujets les plus importants, les plus persistants et les plus difficiles à aborder dans l'évolution des technologies de chaînes publiques, a engendré l'émergence et l'évolution de presque tous les chemins technologiques principaux au cours de la dernière décennie. Depuis le début de la controverse sur la taille des blocs de Bitcoin, cette compétition technologique sur "comment faire fonctionner la chaîne plus rapidement" a finalement abouti à cinq grandes lignes de base, chacune abordant le goulot d'étranglement sous un angle différent, avec sa propre philosophie technique, son niveau de difficulté de mise en œuvre, son modèle de risque et ses scénarios d'application.

La première catégorie de solutions est l'extension on-chain la plus directe, avec des exemples tels que l'augmentation de la taille des blocs, la réduction du temps de génération des blocs, ou l'amélioration de la capacité de traitement grâce à l'optimisation des structures de données et des mécanismes de consensus. Cette approche conserve la simplicité de la cohérence sur une seule chaîne, ce qui la rend facile à comprendre et à déployer, mais elle est également très susceptible de toucher aux risques de centralisation, à l'augmentation des coûts d'exploitation des nœuds et à la difficulté de synchronisation, ce qui constitue des limites systémiques. Par conséquent, dans le design actuel, elle n'est plus la solution principale, mais devient plutôt un complément aux autres mécanismes.

La deuxième catégorie de routes est l'extension hors chaîne, représentée par les canaux d'état et les chaînes latérales. L'idée de base de ces chemins est de transférer la plupart des activités de transaction hors chaîne, n'écrivant le résultat final que sur la chaîne principale, qui sert de couche finale de règlement. Bien que cette approche puisse théoriquement étendre indéfiniment le débit, des problèmes tels que le modèle de confiance des transactions hors chaîne, la sécurité des fonds et la complexité des interactions limitent son application.

La troisième catégorie de route est la plus populaire et la plus largement déployée, celle des Layer2 Rollup. Cette méthode permet l'extension par le biais d'une exécution hors chaîne et d'une vérification sur chaîne. Les Optimistic Rollup et ZK Rollup ont chacun leurs avantages : le premier est rapide et hautement compatible, mais présente des problèmes de délai de challenge et de mécanisme de preuve de fraude ; le second est très sécurisé, offre une bonne capacité de compression des données, mais est complexe à développer et manque de compatibilité avec l'EVM.

La quatrième catégorie de routes est l'architecture de blockchain modulaire qui a émergé ces dernières années, représentée par des projets tels que Celestia, Avail et EigenLayer. Cette approche préconise de découpler complètement les fonctions clés de la blockchain - exécution, consensus, disponibilité des données, règlement - pour que plusieurs chaînes spécialisées accomplissent différentes fonctions, puis les assembler en un réseau évolutif via des protocoles inter-chaînes.

La dernière catégorie de routes est celle de l'optimisation des chemins de calcul parallèle intra-chaîne. Contrairement aux quatre premières catégories qui se concentrent principalement sur le "scindage horizontal" au niveau structurel, le calcul parallèle met l'accent sur "la mise à niveau verticale", c'est-à-dire la gestion du traitement concurrent des transactions atomiques en modifiant l'architecture du moteur d'exécution au sein d'une seule chaîne. Solana est l'un des premiers projets à concrétiser le concept de VM parallèle au niveau du système de chaîne. Des projets de nouvelle génération tels que Monad, Sei, Fuel, MegaETH, etc., vont encore plus loin en essayant d'introduire des idées de pointe telles que l'exécution en pipeline, la concurrence optimiste, la partition de stockage et le découplage parallèle, afin de construire un noyau d'exécution haute performance semblable à un CPU moderne.

Carte de classification du calcul parallèle : les cinq grands chemins de compte à instruction

Dans le contexte de l'évolution continue des technologies d'expansion de la blockchain, le calcul parallèle est progressivement devenu le chemin central pour des percées en performance. En partant du modèle d'exécution et en revenant sur l'évolution de cette lignée technologique, nous pouvons établir une carte de classification claire du calcul parallèle, qui peut être divisée en cinq grandes voies techniques : le parallèle au niveau du compte, le parallèle au niveau de l'objet, le parallèle au niveau de la transaction, le parallèle au niveau de la machine virtuelle et le parallèle au niveau de l'instruction. Ces cinq types de voies, allant de la grosse granularité à la fine granularité, sont à la fois un processus de raffinement constant de la logique parallèle et un chemin où la complexité du système et la difficulté de planification ne cessent d'augmenter.

Le premier niveau de parallélisme au niveau des comptes est représenté par le modèle de Solana. Ce modèle est basé sur une conception découplée de l'état des comptes, qui permet d'analyser statiquement l'ensemble des comptes impliqués dans une transaction afin de déterminer s'il existe des relations de conflit. Si les ensembles de comptes accédés par deux transactions ne se chevauchent pas, celles-ci peuvent être exécutées de manière concurrente sur plusieurs cœurs. Ce mécanisme est particulièrement adapté pour traiter des transactions avec des structures claires et des entrées/sorties définies, en particulier pour des programmes à chemin prévisible comme les DeFi. Cependant, son hypothèse intrinsèque est que l'accès aux comptes est prévisible et que les dépendances d'état peuvent être déduites statiquement, ce qui peut entraîner des exécutions conservatrices et une diminution du parallélisme lorsqu'il est confronté à des contrats intelligents complexes.

Sur la base du modèle de compte, nous entrons dans un niveau technique de parallélisme au niveau des objets. Le parallélisme au niveau des objets introduit une abstraction sémantique des ressources et des modules, permettant une planification concurrente à l'aide d'"objets d'état" de granularité plus fine. Aptos et Sui sont des explorateurs importants dans cette direction, en particulier ce dernier qui, grâce au système de types linéaires du langage Move, définit à la compilation la propriété et la mutabilité des ressources, permettant ainsi un contrôle précis des conflits d'accès aux ressources à l'exécution. Cette approche est plus universelle et extensible que le parallélisme au niveau des comptes, pouvant couvrir des logiques de lecture et d'écriture d'état plus complexes, et servant naturellement des scénarios à haute hétérogénéité tels que les jeux, les réseaux sociaux et l'IA.

La parallélisation au niveau des transactions, plus poussée, est une direction explorée par la nouvelle génération de chaînes haute performance représentée par Monad, Sei et Fuel. Ce chemin ne considère plus l'état ou le compte comme l'unité de parallélisation minimale, mais construit plutôt un graphique de dépendance autour de l'ensemble de la transaction elle-même. Il considère la transaction comme une unité d'opération atomique, construisant un graphique de transaction par analyse statique ou dynamique, et s'appuie sur un planificateur pour une exécution en pipeline concurrente. Cette conception permet au système de maximiser l'exploitation de la parallélisation sans avoir besoin de comprendre complètement la structure d'état sous-jacente. Monad est particulièrement remarquable, car il combine des techniques modernes de moteurs de bases de données telles que le contrôle de concurrence optimiste, la planification de pipeline parallèle et l'exécution hors ordre, rendant l'exécution de la chaîne plus proche du paradigme du "planificateur GPU".

La parallélisation au niveau de la machine virtuelle intègre directement la capacité d'exécution simultanée dans la logique de planification des instructions au niveau de la VM, cherchant à briser complètement les limitations inhérentes à l'exécution séquentielle de l'EVM. MegaETH, en tant qu'"expérience de super machine virtuelle" au sein de l'écosystème Ethereum, tente de redessiner l'EVM pour qu'il prenne en charge l'exécution simultanée des codes de contrats intelligents via des mécanismes tels que l'exécution segmentée, la séparation des états et les appels asynchrones, permettant à chaque contrat de fonctionner de manière indépendante dans différents contextes d'exécution, tout en utilisant une couche de synchronisation parallèle pour garantir la cohérence finale.

La dernière catégorie de chemins, c'est-à-dire le niveau de granularité le plus fin et la barrière technique la plus élevée, est le parallélisme au niveau des instructions. Cette idée provient de l'exécution désordonnée et du pipeline d'instructions dans la conception moderne des CPU. Ce paradigme soutient que, puisque chaque contrat intelligent est finalement compilé en instructions bytecode, il est tout à fait possible, comme l'exécution des instructions x86 par le CPU, d'analyser le plan de chaque opération, de réorganiser les opérations en parallèle. L'équipe Fuel a déjà introduit un modèle d'exécution réordonnable au niveau des instructions dans son FuelVM, et à long terme, une fois que le moteur d'exécution de la blockchain mettra en œuvre l'exécution prédictive des dépendances des instructions et la réorganisation dynamique, son parallélisme atteindra la limite théorique.

Deux grandes pistes principales expliquées en profondeur : Monad vs MegaETH

Dans les multiples voies de l'évolution du calcul parallèle, les deux principales lignes technologiques sur lesquelles le marché se concentre le plus, qui suscitent le plus d'attention et dont le récit est le plus complet, sont sans aucun doute la "construction d'une chaîne de calcul parallèle à partir de zéro" représentée par Monad, et la "révolution parallèle interne de l'EVM" représentée par MegaETH. Ces deux approches ne sont pas seulement les directions de recherche et développement les plus intensément investies par les ingénieurs en primitives cryptographiques actuels, mais aussi les symboles les plus déterminants des pôles dans la compétition de performance des ordinateurs Web3.

Monad est un "puriste du calcul" qui ne vise pas à être compatible avec l'EVM existant, mais s'inspire des bases de données modernes et des systèmes multicœurs haute performance pour redéfinir la manière dont le moteur d'exécution de la blockchain fonctionne en profondeur. Son système technologique central repose sur des mécanismes matures du domaine des bases de données tels que le contrôle de concurrence optimiste, la planification des transactions DAG, l'exécution désordonnée et le traitement par lots, visant à porter la performance de traitement des transactions de la chaîne à des niveaux de millions de TPS. Dans l'architecture Monad, l'exécution et le tri des transactions sont complètement découplés, le système construit d'abord un graphique de dépendance des transactions, puis le confie à un planificateur pour une exécution parallèle en pipeline. Toutes les transactions sont considérées comme des unités atomiques de transaction, avec un ensemble de lecture/écriture clair et un instantané d'état, le planificateur procède à une exécution optimiste basée sur le graphique de dépendance et effectue un retour en arrière et une réexécution en cas de conflit.

Et plus important encore, Monad n'a pas abandonné l'interopérabilité avec l'EVM. Il prend en charge les développeurs pour écrire des contrats en syntaxe Solidity grâce à une couche intermédiaire similaire à un "Langage Intermédiaire Compatible avec Solidity", tout en optimisant le langage intermédiaire et en planifiant en parallèle dans le moteur d'exécution. Cette stratégie de conception "compatible en surface, restructurée en profondeur" lui permet de conserver son amitié envers les développeurs de l'écosystème Ethereum tout en libérant au maximum le potentiel d'exécution de bas niveau, ce qui constitue une stratégie technique typique de "gober l'EVM, puis de le déconstruire".

Contrairement à l'attitude de "constructeur de nouveaux mondes" de Monad, MegaETH est une catégorie de projet complètement opposée, choisissant de partir du monde existant d'Ethereum et d'atteindre une amélioration significative de l'efficacité d'exécution avec un coût de changement minimal. MegaETH ne renverse pas la norme EVM, mais s'efforce d'intégrer la capacité de calcul parallèle dans le moteur d'exécution EVM existant, créant ainsi une version future de "multi-core EVM". Son principe de base réside dans la reconstruction complète du modèle d'exécution des instructions EVM actuel, lui permettant d'avoir des capacités d'isolation au niveau des threads, d'exécution asynchrone au niveau des contrats, de détection des conflits d'accès à l'état, permettant ainsi à plusieurs contrats intelligents de s'exécuter simultanément dans le même bloc et de fusionner finalement les changements d'état. Ce modèle nécessite que les développeurs n'aient pas à modifier les contrats Solidity existants, ni à utiliser de nouveaux langages ou chaînes d'outils, mais simplement en déployant les mêmes contrats sur la chaîne MegaETH, ils peuvent obtenir des gains de performance significatifs.

La percée majeure de MegaETH réside dans son mécanisme de planification multithread VM. L'EVM traditionnel adopte un modèle d'exécution à thread unique basé sur une pile, où chaque instruction s'exécute linéairement et la mise à jour de l'état doit se produire de manière synchrone. MegaETH brise ce modèle en introduisant une pile d'appels asynchrone et un mécanisme d'isolation du contexte d'exécution, permettant ainsi l'exécution simultanée de "contextes EVM concurrents". Chaque contrat peut appeler sa propre logique dans un thread indépendant, tandis que tous les threads, lors de la soumission finale de l'état, effectuent une détection et une convergence des conflits d'état via une couche de synchronisation parallèle. Ce mécanisme est très similaire au modèle multithread JavaScript des navigateurs modernes, préservant la déterminisme du comportement du thread principal tout en introduisant un mécanisme de planification haute performance asynchrone en arrière-plan.

Plus important encore, MegaETH choisit de s'engager profondément avec l'écosystème Ethereum, son principal lieu de chute à l'avenir pourrait très bien être un réseau EVM L2 Rollup, comme Optimism, Base ou