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

I. Introduction : L'extension est un sujet éternel, et le parallélisme est le champ de bataille ultime

Depuis la naissance des systèmes blockchain, ils sont confrontés à ce problème central qu'est l'extensibilité. Le nombre de transactions par seconde de Bitcoin et d'Ethereum est très faible, loin derrière les systèmes Web2 traditionnels. Ce n'est pas une question de simplement augmenter le nombre de serveurs, mais plutôt une limitation systémique dans la conception sous-jacente de la blockchain, à savoir le dilemme des "décentralisation, sécurité, et extensibilité".

Au cours des dix dernières années, la technologie d'extension a évolué sans cesse, passant des controverses sur l'extension de Bitcoin au sharding d'Ethereum, des canaux d'état, Plasma aux Rollups et aux blockchains modulaires. L'ensemble de l'industrie a emprunté une voie d'extension pleine d'imagination. Le Rollup, en tant que solution d'extension actuellement dominante, a atteint l'objectif d'augmenter considérablement le TPS. Cependant, il n'a pas touché aux véritables limites de "performance monocouche" de la blockchain, en particulier en ce qui concerne le niveau d'exécution, qui reste limité par le vieux paradigme de calcul séquentiel au sein de la chaîne.

Ainsi, le calcul parallèle en chaîne entre progressivement dans la vision de l'industrie. Contrairement à l'extension hors chaîne et à la distribution inter-chaînes, le calcul parallèle en chaîne tente de reconstruire complètement le moteur d'exécution tout en maintenant l'atomicité de la chaîne unique, en mettant à niveau la blockchain de "l'exécution des transactions en série" à un système de calcul à haute concurrence de "multithreading + pipeline + planification des dépendances". Cela pourrait non seulement permettre une augmentation de plusieurs centaines de fois du débit, mais aussi devenir une condition préalable clé à l'explosion des applications de contrats intelligents.

En réalité, dans le paradigme de calcul Web2, le calcul à thread unique a déjà été remplacé par des modèles de programmation parallèle, de planification asynchrone, etc. Et la blockchain, en tant que système de calcul plus primaire et plus conservateur, n'a jamais pu pleinement tirer parti de ces idées parallèles. De nouvelles chaînes comme Solana, Sui et Aptos ont introduit la parallélisation au niveau architectural, ouvrant ainsi cette exploration; tandis que des projets comme Monad et MegaETH ont encore élevé la parallélisation au sein de la chaîne à des percées plus profondes, présentant des caractéristiques de plus en plus proches des systèmes d'exploitation modernes.

On peut dire que le calcul parallèle n'est pas seulement un moyen d'optimisation des performances, mais aussi un tournant dans le paradigme du modèle d'exécution de la blockchain. Il remet en question le modèle fondamental de l'exécution des contrats intelligents et redéfinit la logique de traitement des transactions. Si l'on dit que le Rollup consiste à "déplacer les transactions hors de la chaîne", alors le calcul parallèle sur la chaîne est "de construire un noyau supercalculateur sur la chaîne", dont l'objectif est de fournir un soutien véritablement durable à l'infrastructure pour les applications natives Web3 de demain.

Après l'uniformisation des pistes Rollup, le parallélisme sur la chaîne devient une variable déterminante de la compétition Layer 1 dans le nouveau cycle. Ce n'est pas seulement une compétition technologique, mais aussi une lutte pour un paradigme. La prochaine génération de plateformes d'exécution souveraines dans le monde Web3 pourrait bien naître de cette lutte pour le parallélisme sur la chaîne.

II. Panorama des paradigmes d'extension : cinq types de voies, chacun avec ses propres priorités

L'extensibilité, en tant que l'un des sujets les plus importants, les plus durables et les plus difficiles à aborder dans l'évolution des technologies de blockchain publique, a engendré l'apparition et l'évolution de presque tous les chemins technologiques principaux au cours de la dernière décennie. À partir de la lutte 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 directrices, chacune abordant les goulots d'étranglement sous des angles différents, avec sa propre philosophie technique, des difficultés de mise en œuvre, des modèles de risque et des scénarios d'application.

La première catégorie de solutions est l'extension on-chain la plus directe, représentant des pratiques telles que l'augmentation de la taille des blocs, la réduction du temps de création des blocs, ou l'amélioration de la capacité de traitement par l'optimisation de la structure des données et du mécanisme de consensus. Cette approche a été au centre des débats sur l'extension de Bitcoin, donnant naissance à des forks "grands blocs" comme BCH et BSV, et a également influencé la conception de chaînes publiques à haute performance comme EOS et NEO. Les avantages de cette approche sont qu'elle conserve la simplicité de la cohérence de la chaîne unique, facile à comprendre et à déployer, mais elle est également sujette à des risques de centralisation, à une augmentation des coûts d'exploitation des nœuds et à une difficulté accrue de synchronisation, ce qui en fait une limite systémique. Par conséquent, dans la conception actuelle, elle n'est plus la solution principale, mais est plutôt devenue un complément à d'autres mécanismes.

La deuxième catégorie de routes est l'extension hors chaîne, dont les représentants sont les canaux d'état (State Channels) et les chaînes latérales (Sidechains). L'idée fondamentale de ce type de chemin est de transférer la plupart des activités de transaction hors chaîne, en ne mettant à jour que le résultat final sur la chaîne principale, qui sert de couche finale de règlement. D'un point de vue philosophique technique, cela se rapproche de la pensée d'architecture asynchrone de Web2. Bien que cette idée 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. Un exemple typique est le Lightning Network qui, bien qu'ayant un positionnement financier clair, n'a jamais pu exploser en échelle écologique ; tandis que plusieurs conceptions basées sur des chaînes latérales, comme Polygon POS, révèlent également des défauts liés à la difficulté de transmettre la sécurité de la chaîne principale tout en maintenant un haut débit.

La troisième catégorie de routes est celle des Layer2 Rollup, actuellement la plus populaire et la plus largement déployée. Cette méthode ne modifie pas directement la chaîne principale, mais réalise l'évolutivité grâce à un mécanisme d'exécution hors chaîne et de validation sur chaîne. Les Optimistic Rollups et les ZK Rollups ont chacun leurs avantages : les premiers permettent une mise en œuvre rapide et une grande compatibilité, mais présentent des problèmes de latence durant la période de défi et de mécanisme de preuve de fraude ; les seconds offrent une forte sécurité et de bonnes capacités de compression des données, mais leur développement est complexe et leur compatibilité avec l'EVM est insuffisante. Quelle que soit la catégorie de Rollup, leur essence est de sous-traiter le pouvoir d'exécution tout en maintenant les données et la validation sur la chaîne principale, réalisant un équilibre relatif entre décentralisation et haute performance. La croissance rapide de projets tels qu'Arbitrum, Optimism, zkSync et StarkNet prouve la faisabilité de cette voie, mais expose en même temps des goulets d'étranglement à moyen terme tels qu'une dépendance excessive à la disponibilité des données (DA), des frais encore trop élevés et une expérience de développement fragmentée.

La quatrième catégorie de routes est l'architecture blockchain modulaire qui a émergé ces dernières années, représentée par des projets tels que Celestia, Avail, EigenLayer, etc. Le paradigme modulaire prône une découplage complet des fonctions essentielles de la blockchain, permettant à plusieurs chaînes spécialisées d'accomplir différentes fonctions, puis de former un réseau scalable via des protocoles inter-chaînes. Cette direction est fortement influencée par l'architecture modulaire des systèmes d'exploitation et le concept de composition dans le cloud computing, ses avantages résident dans la capacité à remplacer de manière flexible les composants du système et à améliorer considérablement l'efficacité dans des phases spécifiques ( telles que DA). Cependant, les défis sont également très évidents : après le découplage modulaire, le coût de synchronisation, de validation et de confiance mutuelle entre les systèmes est extrêmement élevé, l'écosystème des développeurs est extrêmement dispersé, et les exigences en matière de normes de protocoles à moyen et long terme ainsi que de sécurité inter-chaînes sont bien plus élevées que dans la conception de chaînes traditionnelles. Ce modèle ne consiste essentiellement plus à construire une "chaîne", mais plutôt à construire un "réseau de chaînes", ce qui pose un seuil sans précédent en termes de compréhension de l'architecture globale et de maintenance.

La dernière catégorie de parcours, qui est également l'objet de l'analyse approfondie dans cet article, est le chemin d'optimisation du calcul parallèle au sein de la chaîne. Contrairement aux quatre premières catégories qui se concentrent principalement sur une "division horizontale" au niveau structurel, le calcul parallèle met l'accent sur "l'élévation verticale", c'est-à-dire la gestion de l'exécution des transactions atomiques de manière concurrente en modifiant l'architecture du moteur d'exécution à l'intérieur d'une seule chaîne. Cela nécessite de réécrire la logique de planification de la VM, d'introduire l'analyse des dépendances transactionnelles, la prévision des conflits d'état, le contrôle du degré de parallélisme et les appels asynchrones, ainsi qu'un ensemble complet de mécanismes de planification des systèmes informatiques modernes. Solana est l'un des premiers projets à concrétiser le concept de VM parallèle au niveau du système de chaîne, en réalisant une exécution parallèle multicœur grâce à un jugement des conflits de transactions basé sur le modèle de compte. Les nouveaux projets de génération comme 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, le partitionnement de stockage et le découplage parallèle, construisant ainsi un noyau d'exécution haute performance similaire à un CPU moderne. L'avantage clé de cette direction réside dans le fait qu'elle permet de réaliser des percées dans les limites de débit sans dépendre d'une architecture multicouche, tout en offrant une flexibilité de calcul suffisante pour l'exécution de contrats intelligents complexes, ce qui en fait un prérequis technique important pour des applications futures telles que les agents IA, les jeux de chaînes à grande échelle et les produits dérivés à haute fréquence.

En examinant les cinq types de solutions d'extensibilité mentionnées ci-dessus, les distinctions sous-jacentes reflètent en réalité le compromis systématique entre la performance, la combinabilité, la sécurité et la complexité de développement dans la blockchain. Les Rollups excellent dans l'externalisation du consensus et l'héritage de la sécurité, la modularité met en avant la flexibilité structurelle et la réutilisation des composants, l'extensibilité hors chaîne tente de surmonter les goulots d'étranglement de la chaîne principale mais à un coût de confiance élevé, tandis que la parallélisation au sein de la chaîne vise une mise à niveau fondamentale du niveau d'exécution, essayant de se rapprocher des limites de performance des systèmes distribués modernes sans compromettre la cohérence interne de la chaîne. Chaque chemin ne peut résoudre tous les problèmes, mais c'est précisément ces directions qui composent ensemble la vue d'ensemble de la mise à niveau du paradigme de calcul Web3, offrant aux développeurs, architectes et investisseurs des options stratégiques extrêmement riches.

Tout comme les systèmes d'exploitation sont passés d'un cœur unique à plusieurs cœurs dans l'histoire, et que les bases de données ont évolué des index séquentiels aux transactions concurrentes, la voie d'expansion de Web3 finira également par entrer dans une ère d'exécution hautement parallèle. Dans cette ère, la performance ne sera plus seulement une compétition de vitesse de la chaîne, mais plutôt une synthèse de la philosophie de conception sous-jacente, de la profondeur de compréhension de l'architecture, de la collaboration matériel-logiciel et du contrôle du système. Et la parallélisation au sein de la chaîne pourrait bien être le champ de bataille ultime de cette guerre de longue durée.

Trois, carte de classification du calcul parallèle : les cinq chemins de compte à instruction

Dans le contexte de l'évolution continue des technologies d'extension de la blockchain, le calcul parallèle devient progressivement le chemin central pour les percées de performance. Contrairement au découplage horizontal des couches structurelles, des couches réseau ou des couches de disponibilité des données, le calcul parallèle est une exploration en profondeur de la couche d'exécution. Il concerne la logique fondamentale de l'efficacité opérationnelle de la blockchain, déterminant la vitesse de réaction et la capacité de traitement d'un système blockchain face à des transactions complexes de haute concurrence et de types variés. En partant du modèle d'exécution, en revisitant l'évolution de cette lignée technologique, nous pouvons établir une carte de classification claire du calcul parallèle, qui peut être grossièrement divisée en cinq chemins technologiques : le calcul parallèle au niveau des comptes, le calcul parallèle au niveau des objets, le calcul parallèle au niveau des transactions, le calcul parallèle au niveau des machines virtuelles et le calcul parallèle au niveau des instructions. Ces cinq catégories de chemins, allant de la granularité grossière à la granularité fine, représentent à la fois un processus de raffinement continu de la logique parallèle et une montée en complexité du système et des difficultés de planification.

Le premier niveau de parallélisme au niveau des comptes est représenté par le modèle de Solana. Ce modèle est basé sur une conception de découplage des comptes et des états, et détermine les relations de conflit en analysant statiquement l'ensemble des comptes impliqués dans les transactions. Si les ensembles de comptes accédés par deux transactions ne se chevauchent pas, elles peuvent être exécutées en parallèle sur plusieurs cœurs. Ce mécanisme est particulièrement adapté pour traiter des transactions avec une structure claire et des entrées et sorties définies, en particulier pour des programmes ayant des chemins prévisibles comme DeFi. Cependant, son hypothèse naturelle est que l'accès aux comptes est prévisible et que les dépendances d'état peuvent être inférées statiquement, ce qui pose des problèmes d'exécution conservatrice et de diminution du parallélisme lorsqu'il est confronté à des comportements dynamiques complexes, comme ceux des contrats intelligents ( tels que les jeux en chaîne ou les agents IA ). De plus, les dépendances croisées entre comptes réduisent considérablement les bénéfices du parallélisme dans certaines situations de trading à haute fréquence. Le runtime de Solana a déjà réalisé une optimisation élevée dans ce domaine, mais sa stratégie de planification de base reste contrainte par la granularité des comptes.

En s'appuyant sur le modèle de compte, nous affinons davantage en entrant dans le niveau technique du parallélisme au niveau des objets. Le parallélisme au niveau des objets introduit une abstraction sémantique des ressources et des modules, permettant un ordonnancement concurrent par unités de "objets d'état" de plus fine granularité. Aptos et Sui sont des explorateurs importants dans cette direction, en particulier ce dernier, qui définit la propriété et la mutabilité des ressources au moment de la compilation grâce au système de types linéaires du langage Move, 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 une logique de lecture et d'écriture d'état plus complexe, et servant naturellement des scénarios à haute hétérogénéité tels que les jeux, les réseaux sociaux et l'IA. Cependant, le parallélisme au niveau des objets introduit également un seuil de langue plus élevé et une complexité de développement accrue. Move n'est pas un remplacement direct de Solidity, et le coût de changement d'écosystème est élevé, ce qui limite la vitesse de diffusion de son paradigme parallèle.

La parallélisation au niveau des transactions, qui est explorée par une nouvelle génération de chaînes haute performance représentées par Monad, Sei et Fuel, va plus loin. 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 la transaction elle-même. Il considère la transaction comme une unité d'opération atomique, construisant un graphique de transaction (Transaction DAG) par une analyse statique ou dynamique, et dépend d'un planificateur pour l'exécution en pipeline concurrente. Cette conception permet au système de maximiser l'exploitation du parallélisme sans avoir besoin de comprendre complètement la structure d'état sous-jacente. Monad est particulièrement remarquable, car il combine le contrôle de concurrence optimiste (OCC), la planification de pipeline parallèle, et l'exécution désordonnée, parmi d'autres techniques modernes des moteurs de base de données, rendant l'exécution de la chaîne plus proche du paradigme du "planificateur GPU". En pratique, ce mécanisme nécessite des gestionnaires de dépendances et des détecteurs de conflits extrêmement complexes, et le planificateur lui-même peut également devenir un goulet d'étranglement, mais