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

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

Depuis sa création, le système de blockchain est confronté à ce problème central qu'est l'extensibilité. Les goulets d'étranglement de performance du Bitcoin et de l'Ethereum sont difficiles à surmonter, contrastant fortement avec le monde traditionnel du Web2. Ce n'est pas une simple question d'ajouter des serveurs, mais plutôt une limitation systémique dans la conception sous-jacente de la blockchain.

Au cours des dix dernières années, nous avons été témoins de nombreuses tentatives d'évolutivité. Des controverses sur l'évolutivité de Bitcoin à la vision de sharding d'Ethereum, des canaux d'état, Plasma aux Rollups et aux blockchains modulaires, l'industrie a emprunté un chemin d'évolutivité rempli d'innovations. Les Rollups, en tant que solution d'évolutivité dominante actuelle, allègent la charge de la chaîne principale, tout en préservant la sécurité, et augmentent considérablement le TPS. Cependant, cela n'a pas atteint la véritable limite de "performance d'une seule chaîne" de la blockchain, en particulier au niveau d'exécution qui reste limité par ce modèle traditionnel de calcul en série sur la chaîne.

Le calcul parallèle en chaîne devient progressivement un nouveau point focal. Contrairement à d'autres solutions d'extension, il essaie de reconstruire complètement le moteur d'exécution tout en maintenant une structure de chaîne unique. En s'inspirant des systèmes d'exploitation modernes et des idées de conception de CPU, il met à niveau la blockchain du mode "monothread" à un système à haute concurrence "multithread + pipeline + planification des dépendances". Cela pourrait non seulement entraîner une amélioration de plusieurs centaines de fois du débit, mais pourrait également devenir la clé de l'explosion des applications de contrats intelligents complexes.

En réalité, le calcul à thread unique a déjà été éliminé dans le monde Web2, remplacé par des modèles d'optimisation tels que la programmation parallèle et la planification asynchrone. La blockchain, en tant que système de calcul plus conservateur, n'a jamais pleinement exploité ces idées parallèles. Cela représente à la fois une limitation et une opportunité. De nouvelles blockchains comme Solana, Sui et Aptos introduisent la parallélisme au niveau de l'architecture, ouvrant ainsi cette exploration ; tandis que des projets comme Monad et MegaETH vont encore plus loin en franchissant des mécanismes profonds tels que l'exécution en pipeline et la concurrence optimiste, présentant des caractéristiques de plus en plus proches des systèmes d'exploitation modernes.

Le calcul parallèle n'est pas seulement une optimisation des performances, mais aussi un tournant paradigmatique dans le 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 parallèle sur la chaîne consiste à "construire un noyau supercalculateur sur la chaîne", avec pour objectif de fournir une infrastructure véritablement durable pour les applications natives de Web3 à l'avenir.

Après la convergence sur la voie des Rollups, le parallélisme sur la chaîne devient un facteur décisif dans la nouvelle compétition Layer 1. La performance n'est plus seulement une question de vitesse, mais de la capacité à soutenir un monde d'applications hétérogènes. Ce n'est pas seulement une course technologique, mais aussi une lutte de paradigmes. La prochaine génération de plateformes d'exécution souveraines dans le monde Web3 pourrait bien naître de cette lutte pour le parallélisme sur la chaîne.

Deux, 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 dans l'évolution de la technologie des chaînes publiques, a engendré l'émergence et l'évolution de presque tous les chemins technologiques dominants au cours de la dernière décennie. À partir de la dispute sur la taille des blocs de Bitcoin, cette compétition technique sur « comment faire fonctionner la chaîne plus rapidement » a finalement abouti à cinq grandes lignes directrices, chacune abordant le goulot d'étranglement sous des angles différents, avec sa propre philosophie technique, sa 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, représentant des méthodes 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 cœur des débats sur l'extension de Bitcoin, donnant naissance à des forks "grands blocs" tels que BCH et BSV, et a également influencé la conception de chaînes publiques haute performance comme EOS et NEO. Les avantages de cette approche sont qu'elle préserve la simplicité de la cohérence sur une seule chaîne, ce qui la rend facile à comprendre et à déployer, mais elle est également susceptible d'atteindre des limites systémiques telles que les risques de centralisation, l'augmentation des coûts de fonctionnement des nœuds et la difficulté de synchronisation. Par conséquent, elle n'est plus la solution centrale dominante dans les conceptions actuelles, mais devient plutôt un accompagnement auxiliaire à d'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 ce type de chemin est de déplacer 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. Sur le plan de la philosophie technique, cela se rapproche de la pensée architecturale 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 a un positionnement financier clair, mais l'écosystème n'a jamais réussi à exploser ; tandis que plusieurs conceptions basées sur des chaînes latérales, comme Polygon POS, exposent également le désavantage de la difficulté à hériter de la sécurité de la chaîne principale tout en ayant un débit élevé.

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 elle-même, mais réalise l'évolutivité grâce à un mécanisme d'exécution hors chaîne et de validation 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 période de défi et de mécanisme de preuve de fraude ; le second est fortement sécurisé, avec une bonne capacité de compression des données, mais son développement est complexe et il a une compatibilité EVM insuffisante. Quelle que soit la catégorie de Rollup, son essence est d'externaliser le pouvoir d'exécution tout en conservant les données et la validation sur la chaîne principale, réalisant ainsi 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 met également en évidence 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 de blockchain modulaire qui a émergé ces dernières années, représentée par des projets tels que Celestia, Avail, EigenLayer, etc. Le paradigme modulaire préconise le découplage des fonctions principales de la blockchain, permettant à plusieurs chaînes spécialisées d'accomplir différentes fonctions, puis de les combiner en un réseau extensible via des protocoles inter-chaînes. Cette direction est profondément influencée par l'architecture modulaire des systèmes d'exploitation et le concept de composabilité du cloud computing, dont l'avantage réside dans la flexibilité de remplacement des composants du système et l'amélioration significative de l'efficacité dans des étapes spécifiques (comme le DA). Cependant, ses défis sont également très évidents : après le découplage des modules, le coût de synchronisation, de validation et de confiance entre les systèmes est extrêmement élevé, l'écosystème des développeurs est extrêmement dispersé, et les exigences en matière de standards de protocole à moyen et long terme ainsi que de sécurité inter-chaînes sont bien supérieures à celles de la conception de chaînes traditionnelles. Ce modèle ne vise essentiellement plus à construire une "chaîne", mais plutôt à construire un "réseau de chaînes", ce qui pose un seuil sans précédent pour la compréhension de l'architecture globale et la maintenance opérationnelle.

La dernière catégorie de route est le chemin d'optimisation du calcul parallèle intra-chaîne. Contrairement aux quatre premières catégories qui se concentrent principalement sur la "décomposition horizontale" au niveau structurel, le calcul parallèle met l'accent sur "l'upgrade vertical", c'est-à-dire la gestion de l'exécution des transactions atomiques en parallèle en modifiant l'architecture du moteur d'exécution au sein d'une seule chaîne. Cela nécessite de réécrire la logique de planification de la VM, d'introduire l'analyse des dépendances de transaction, la prévision des conflits d'état, le contrôle de la parallélisation, les appels asynchrones, etc., une série complète de mécanismes de planification modernes des systèmes informatiques. Solana est l'un des premiers projets à concrétiser le concept de VM parallèle dans un système au niveau de la chaîne, en réalisant l'exécution parallèle multi-cœur grâce à un jugement des conflits de transaction basé sur le modèle de compte. Des projets de nouvelle génération tels que Monad, Sei, Fuel, MegaETH, etc., tentent encore d'aller plus loin en introduisant des idées de pointe telles que l'exécution en pipeline, la concurrence optimiste, la partition du stockage, le découplage parallèle, pour construire un noyau d'exécution haute performance semblable à un CPU moderne. L'avantage clé de cette direction réside dans le fait qu'elle permet de réaliser des percées de limite de débit sans dépendre d'une architecture multi-chaînes, tout en offrant une flexibilité de calcul suffisante pour l'exécution de contrats intelligents complexes, ce qui constitue un prérequis technique important pour des scénarios d'application futurs tels que les agents AI, les jeux sur chaîne à grande échelle, les dérivés à haute fréquence, etc.

En examinant les cinq types de chemins d'extension mentionnés ci-dessus, la véritable distinction qui se cache derrière est en fait le compromis systématique entre les performances, 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'extension hors chaîne tente de surmonter les goulets d'étranglement de la chaîne principale mais le coût de confiance est élevé, tandis que la parallélisation intra-chaîne se concentre sur la mise à niveau fondamentale de la couche d'exécution, tentant d'atteindre les limites de performance des systèmes distribués modernes sans compromettre la cohérence interne de la chaîne. Aucun de ces chemins ne peut résoudre tous les problèmes, mais ce sont ces directions qui forment ensemble le panorama de l'upgrade du paradigme de calcul Web3, offrant aux développeurs, architectes et investisseurs des options stratégiques extrêmement riches.

Tout comme l'évolution des systèmes d'exploitation d'un noyau unique vers des systèmes multi-noyaux, et celle des bases de données d'indexation séquentielle vers des transactions concurrentes, la route vers l'évolutivité du Web3 finira également par entrer dans une ère d'exécution hautement parallélisée. Dans cette ère, la performance n'est plus seulement une compétition de vitesse de chaîne, mais une manifestation intégrée de la philosophie de conception sous-jacente, de la profondeur de compréhension de l'architecture, de la synergie entre le matériel et le logiciel, et du contrôle systémique. Et le parallélisme 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 : cinq grandes voies de l compte aux instructions

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 en matière de performance. Contrairement au découplage horizontal des couches structurelles, des couches réseau ou des couches de disponibilité des données, le calcul parallèle est un approfondissement vertical dans la couche d'exécution. Il concerne la logique de base qui détermine l'efficacité opérationnelle d'une blockchain, et décide de la rapidité de réaction et de la capacité de traitement d'un système blockchain face à des transactions complexes de haute concurrence et de plusieurs types. En partant du modèle d'exécution et en examinant le développement de cette lignée technologique, nous pouvons établir une carte de classification claire du calcul parallèle, qui peut être grossièrement divisée en cinq voies technologiques : 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 voies, allant de la granularité grossière à la granularité fine, représentent à la fois un processus de raffinement continu de la logique parallèle et un chemin d'augmentation constante de la complexité du système et de la difficulté 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 découplée compte-état, qui utilise une analyse statique des ensembles de comptes impliqués dans les transactions pour déterminer s'il existe des relations de conflit. 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 ayant des structures claires et des entrées/sorties bien définies, en particulier pour des programmes à chemin prévisible comme DeFi. Cependant, son hypothèse fondamentale est que l'accès aux comptes est prévisible et que les dépendances d'état peuvent être inférées statiquement, ce qui entraîne des problèmes de mise en œuvre prudente et de diminution du parallélisme lorsqu'il est confronté à des contrats intelligents complexes (comme les jeux blockchain, les agents d'IA, etc.) avec des comportements dynamiques. De plus, les dépendances croisées entre comptes réduisent considérablement les bénéfices du parallélisme dans certains scénarios de trading à haute fréquence. Le runtime de Solana a déjà réalisé une optimisation élevée dans ce domaine, mais sa stratégie de planification centrale reste limitée par la granularité des comptes.

Sur la base du modèle de compte, nous approfondissons le niveau technique de parallélisme au niveau des objets. Le parallélisme au niveau des objets introduit une abstraction sémantique des ressources et des modules, permettant un ordonnancement concurrent à l'aide d'"objets d'état" de granularité plus fine. Aptos et Sui sont d'importants explorateurs dans cette direction, surtout ce dernier qui, grâce au système de types linéaires du langage Move, définit la propriété et la mutabilité des ressources au moment de la compilation, permettant ainsi un contrôle précis des conflits d'accès aux ressources à l'exécution. Cette approche est plus universelle et extensible par rapport au parallélisme au niveau des comptes, car elle peut couvrir des logiques de lecture et d'écriture d'état plus complexes, et sert 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 linguistique plus élevé et une complexité de développement accrue, Move n'étant pas un remplacement direct de Solidity, et le coût de transition écologique étant élevé, ce qui limite la vitesse de diffusion de son paradigme parallèle.

Une parallélisation au niveau des transactions plus avancée est la direction explorée par la nouvelle génération de chaînes haute performance représentée par Monad, Sei et Fuel. Ce chemin ne considère plus l'état ou les comptes comme les plus petites unités de parallélisme, 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 analyse statique ou dynamique, et dépend d'un ordonnanceur pour l'exécution en pipeline concurrente. Ce design permet au système de maximiser le 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), l'ordonnancement de pipeline parallèle, l'exécution désordonnée, et d'autres technologies modernes des moteurs de bases de données, rendant l'exécution de la chaîne plus proche de "GPU