Web3並行計算のレーストラック全景図：ネイティブスケーリングの最適なソリューションは？

I. 背景の概要

ブロックチェーンの「不可能な三角形」(「安全性」、「非中央集権」、「スケーラビリティ」)は、ブロックチェーンシステム設計における本質的なトレードオフを明らかにし、ブロックチェーンプロジェクトが「究極の安全性、誰もが参加可能、高速処理」を同時に実現することが難しいことを示しています。「スケーラビリティ」という永遠のテーマに対して、現在市場に出回っている主流のブロックチェーン拡張ソリューションは、パラダイムに基づいて区別されています。

• 強化型スケーリングを実行: 実行能力を向上させる、例えば並列処理、GPU、マルチコア
• ステートアイソレーション型スケーリング: 水平分割状態/シャード、例えば分片、UTXO、多サブネット
• オフチェーンのアウトソーシング型スケーリング：実行をチェーンの外に置く、例えば Rollup、Coprocessor、DA
• 構造デカップリング型拡張: アーキテクチャモジュール化、協調運用、例えばモジュールチェーン、共有ソート、Rollup Mesh
• 非同期並行型スケーリング: アクターモデル、プロセス隔離、メッセージ駆動、例えばエージェント、マルチスレッド非同期チェーン

ブロックチェーンのスケーリングソリューションには、オンチェーン並列計算、Rollup、シャーディング、DAモジュール、モジュラー構造、アクターシステム、zk証明圧縮、Statelessアーキテクチャなどが含まれ、実行、状態、データ、構造の複数のレイヤーをカバーし、"マルチレイヤー協調モジュールの組み合わせ"の完全なスケーリングシステムです。本稿では、並列計算を主流とするスケーリング方式に重点を置いて紹介します。

チェーン内並列計算 (intra-chain parallelism)は、ブロック内部のトランザクション/命令の並列実行に注目しています。並列メカニズムによって分類すると、そのスケーラビリティの方法は5つの大きなカテゴリに分かれ、各カテゴリは異なる性能の追求、開発モデル、アーキテクチャ哲学を表しています。並列粒度は次第に細かくなり、並列強度は高まり、スケジューリングの複雑さも増し、プログラミングの複雑さと実装の難易度も高くなります。

• アカウントレベル(Account-level): プロジェクトSolanaを代表する
• オブジェクトレベル(Object-level): プロジェクト Sui を表す
• トランザクションレベル(Transaction-level): プロジェクト Monad, Aptos
• コールレベル/マイクロVM並行(コールレベル / マイクロVM): プロジェクト MegaETH を表す *指導レベル(指導レベル):代表的なプロジェクトGatlingX

チェーン外非同期並行モデルは、Actor エージェント / Actor Model(を代表とし、別の並列計算のパラダイムに属します。クロスチェーン/非同期メッセージシステム)の非ブロック同期モデル(として、各エージェントは独立して動作する"エージェントプロセス"であり、非同期メッセージ、イベント駆動、同期スケジューリングを必要としない並行方式を採用しています。代表的なプロジェクトには AO、ICP、Cartesi などがあります。

私たちがよく知っている Rollup やシャーディングのスケーリングソリューションは、システムレベルの並行メカニズムに属し、チェーン内の並行計算には属しません。それらは「複数のチェーン/実行領域を並行して実行する」ことによってスケーリングを実現しており、単一のブロック/仮想マシン内部の並行度を向上させるのではありません。このようなスケーリングソリューションは本稿で議論する重点ではありませんが、私たちは依然としてそれをアーキテクチャ理念の異同の比較に使用します。

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二、EVMシステムの並列強化チェーン:互換性の中で性能の限界を突破する

イーサリアムのシリアル処理アーキテクチャは、これまでにシャーディング、ロールアップ、モジュラーアーキテクチャなどの複数のスケーリング試行を経てきましたが、実行層のスループットのボトルネックは依然として根本的な突破を果たしていません。しかし同時に、EVMとSolidityは現在最も開発者基盤とエコシステムのポテンシャルを持つスマートコントラクトプラットフォームのままです。したがって、EVM系の並行強化チェーンはエコシステムの互換性と実行性能の向上を両立させる重要な道筋として、新たなスケーリングの進化の重要な方向性となりつつあります。MonadとMegaETHはこの方向性において最も代表的なプロジェクトであり、それぞれ遅延実行と状態分解から出発して、高い同時実行性と高いスループットのシナリオに向けたEVMの並行処理アーキテクチャを構築しています。

) Monadの並行計算メカニズム解析

Monadは、Ethereum仮想マシン###EVM(を再設計した高性能Layer1ブロックチェーンであり、パイプライン処理)Pipelining(という基本的な並列理念に基づいています。合意層での非同期実行)Asynchronous Execution(、実行層での楽観的並行実行)Optimistic Parallel Execution(を実現しています。また、合意層とストレージ層では、Monadはそれぞれ高性能BFTプロトコル)MonadBFT(と専用データベースシステム)MonadDB(を導入し、エンドツーエンドの最適化を実現しています。

パイプライン：多段階パイプライン並列実行メカニズム

パイプライニングはモナド並列実行の基本概念であり、そのコア思想はブロックチェーンの実行プロセスを複数の独立したステージに分割し、これらのステージを並列処理することで立体的なパイプラインアーキテクチャを形成し、各ステージが独立したスレッドまたはコアで実行され、ブロックを超えた並行処理を実現し、最終的にスループットを向上させ、遅延を低減する効果を達成することです。これらのステージには、取引提案)提案(合意形成)合意(取引実行)実行(およびブロック提出)コミット(が含まれます。

非同期実行：コンセンサス - 実行の非同期デカップリング

従来のブロックチェーンでは、取引のコンセンサスと実行は通常同期プロセスであり、この直列モデルは性能の拡張を大きく制限しています。Monadは「非同期実行」によって、コンセンサス層の非同期、実行層の非同期、およびストレージの非同期を実現しました。ブロック時間)block time(と確認遅延を大幅に削減し、システムの弾力性を高め、処理プロセスをより細分化し、リソースの利用効率を向上させました。

コアデザイン:

• コンセンサスプロセス)コンセンサス層(は取引の順序を決定するだけで、契約ロジックは実行しません。
• 実行プロセス)実行レイヤ(は、コンセンサスが完了した後に非同期でトリガーされます。
• コンセンサスが完了した後、次のブロックのコンセンサスプロセスにすぐに入ります。実行が完了するのを待つ必要はありません。

オプティミスティック並列実行

従来のイーサリアムは、状態の競合を避けるために厳格な直列モデルを取っています。一方、Monadは「楽観的並行実行」戦略を採用しており、取引処理速度を大幅に向上させています。

実行メカニズム:

• Monadは、ほとんどのトランザクション間に状態の競合がないと仮定して、すべてのトランザクションを楽観的に並行して実行します。
• 同時に "衝突検出器)Conflict Detector(" を実行して、トランザクション間で同じ状態)にアクセスしているかどうかを監視します。これは、読み取り/書き込みの競合(に関するものです。
• 衝突が検出された場合、衝突する取引は直列化されて再実行され、状態の正確性が確保されます。

Monadは、可能な限りEVMルールを変更せずに互換性のあるパスを選択しました。実行中に状態の書き込みを遅らせ、動的に衝突を検出することで並行性を実現しています。これは性能向上版のイーサリアムに近く、成熟度が高いためEVMエコシステムの移行が容易です。EVMの世界の並行アクセラレーターです。

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) MegaETHの並列計算メカニズムの解析

Monadとは異なるL1の位置付けとして、MegaETHはEVM互換のモジュール化高性能並行実行層として位置付けられ、独立したL1パブリックチェーンとしても、Ethereum上の実行強化層###Execution Layer(やモジュール化コンポーネントとしても機能します。そのコア設計目標は、アカウントロジック、実行環境、状態を分離して最小単位として独立してスケジューリングできるように解構することで、チェーン内での高い同時実行性と低遅延の応答能力を実現することです。MegaETHが提案する重要な革新は、Micro-VMアーキテクチャ + State Dependency DAG)有向無環状態依存グラフ(およびモジュール化同期メカニズムであり、これらが「チェーン内スレッド化」に向けた並行実行システムを共同で構築します。

マイクロ-VM)マイクロ仮想マシン(アーキテクチャ:アカウントはスレッドです

MegaETHは「各アカウントに1つのマイクロ仮想マシン)Micro-VM(」の実行モデルを導入し、実行環境を「スレッド化」して並列スケジューリングに最小の隔離単位を提供します。これらのVMは非同期メッセージ通信)Asynchronous Messaging(を介して相互に通信し、同期呼び出しではありません。多数のVMは独立して実行し、独立してストレージを持ち、自然に並列処理を行います。

ステート依存DAG:依存グラフ駆動のスケジューリングメカニズム

MegaETHは、アカウント状態アクセス関係に基づくDAGスケジューリングシステムを構築しました。このシステムは、グローバル依存グラフ)Dependency Graph(をリアルタイムで維持し、各取引が変更するアカウントや読み取るアカウントをすべて依存関係としてモデル化します。競合のない取引は直接並列実行でき、依存関係のある取引はトポロジカル順序に従って直列または遅延してスケジュールされます。依存グラフは、並列実行プロセス中の状態の一貫性と非重複書き込みを保証します。

非同期実行とコールバックメカニズム

MegaETHは、アクターモデルの非同期メッセージングと同様に、非同期プログラミングパラダイムの上に構築されており、従来のEVMシリアルコールの問題を解決します。 コントラクト呼び出しは非同期)非再帰的な実行(であり、コントラクト A -> B -> C が呼び出されると、各呼び出しはブロッキング待機なしで非同期になります。 呼び出し履歴は、非同期呼び出しグラフ)Call Graph(に展開されます。 トランザクション処理 = 非同期グラフの走査 + 依存関係の解決 + 並列スケジューリング。

要するに、MegaETHは従来のEVMシングルスレッド状態機械モデルを打破し、アカウント単位でマイクロ仮想マシンのカプセル化を実現し、状態依存グラフを通じてトランザクションスケジューリングを行い、非同期メッセージ機構によって同期呼び出しスタックを置き換えています。これは「アカウント構造 → スケジューリングアーキテクチャ → 実行プロセス」の全次元で再設計された並列計算プラットフォームであり、次世代の高性能オンチェーンシステムを構築するためのパラダイムレベルの新しいアイデアを提供します。

MegaETHは再構築の道を選びました: アカウントと契約を完全に独立したVMに抽象化し、非同期実行スケジューリングを通じて究極の並列ポテンシャルを解放します。理論的には、MegaETHの並列上限はより高いですが、複雑さの制御が難しく、イーサリアムの理念に基づくスーパー分散オペレーティングシステムに近いです。

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MonadとMegaETHの両者の設計理念は、分片)Sharding(とは大きく異なります: 分片はブロックチェーンを横に分割して複数の独立したサブチェーン)分片Shards(にし、それぞれのサブチェーンが一部の取引と状態を担当し、単一チェーンの制限を打破してネットワーク層での拡張を実現します。一方で、MonadとMegaETHは単一チェーンの完全性を保持し、実行層での横方向の拡張にのみ焦点を当て、単一チェーン内部での限界並列実行の最適化を突破して性能を向上させます。両者はブロックチェーン拡張の道筋における縦の強化と横の拡張という二つの方向を代表しています。

MonadやMegaETHなどの並列計算プロジェクトは、主にスループット最適化パスに集中し、チェーン内TPSを向上させることを核心目標としています。)Deferred Execution(や)Micro-VM(アーキテクチャを通じて、トランザクションレベルまたはアカウントレベルの並列処理を実現しています。一方、Pharos NetworkはモジュラーでフルスタックのL1ブロックチェーンネットワークであり、そのコア並列計算メカニズムは「Rollup Mesh」と呼ばれています。このアーキテクチャは、メインネットと特殊処理ネットワーク)SPNs(の協調作業を通じて、複数の仮想マシン環境)EVMおよびWasm(をサポートし、ゼロ知識証明)ZK(や信頼実行環境)TEE(などの先進技術を統合しています。

ロールアップ メッシュ並列計算解析:

1. フルライフサイクル非同期パイプライン処理)Full Lifecycle Asynchronous Pipelining(: Pharosは、取引の各段階)であるコンセンサス、実行、ストレージ(をデカップリングし、非同期処理方式を採用することで、各段階が独立して並行して行えるようにし、全体の処理効率を向上させます。
2. 双虚拟機の並行実行)Dual VM Parallel Execution(: PharosはEVMとWASMの2つの仮想機環境をサポートし、開発者がニーズに応じて適切な実行環境を選択できるようにします。この双VMアーキテクチャは、システムの柔軟性を向上させるだけでなく、並行実行を通じて取引処理能力を向上させます。
3. 特殊処理ネットワーク)SPNs(: SPNsはPharosアーキテクチャの重要なコンポーネントであり、特定のタイプのタスクやアプリケーションを処理するために特化されたモジュール式のサブネットワークに似ています。SPNsを通じて、Pharosはリソースの動的割り当てとタスクの並列処理を実現し、システムのスケーラビリティとパフォーマンスをさらに向上させています。
4. モジュラーコンセンサスとリステーキングメカニズム)Modular Consensus & Restaking(: Pharosは、PBFT、PoS、PoA)などのさまざまなコンセンサスモデルをサポートする柔軟なコンセンサスメカニズムを導入し、リステーキングプロトコル(Restaking)を通じてメインネットとSPN間の安全な共有とリソース統合を実現します。