Web3並行計算全景図:多層協調がブロックチェーンの拡張新時代をリード

Web3の並列計算トラック全景図:ネイティブスケーリングの最適なソリューションは?

一、ブロックチェーンスケーリングトラックの概要

ブロックチェーンの「不可能三角」(Blockchain Trilemma)「安全性」、「分散化」、「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示しています。つまり、ブロックチェーンプロジェクトは「極端な安全性、誰でも参加できる、高速処理」を同時に実現することが難しいのです。「スケーラビリティ」という永遠のテーマに関して、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、パラダイムによって区別されています。

  • 実行の強化型スケーリング:原地での実行能力の向上、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:水平方向のステート分割 / シャード、例:シャーディング、UTXO、マルチサブネット
  • オフチェーンアウトソーシング型スケーリング:実行をチェーン外に置く、例えばロールアップ、コプロセッサ、DA
  • 構造的デカップリング型拡張:アーキテクチャのモジュール化、協調運用、例えばモジュールチェーン、共有ソート装置、Rollup Mesh
  • 非同期並列型拡張: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、オンチェーンの並列計算、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、ステートレス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ています。これは「マルチレイヤーの協調、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、並列計算を主流としたスケーリング手法に焦点を当てます。

チェーン内並列計算 (intra-chain parallelism)は、ブロック内部の取引/命令の並列実行に焦点を当てています。並列メカニズムに基づいて、スケーラビリティの方法は5つの大きなカテゴリに分けられ、それぞれが異なるパフォーマンスの追求、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、並列強度はますます高くなり、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ますます高くなります。

  • アカウントレベルの並行処理(Account-level):プロジェクト Solana を代表します
  • オブジェクトレベルの並行処理(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の並行処理(Call-level / MicroVM): プロジェクト MegaETH を代表します *指導レベル:プロジェクトGatlingXを表します

チェーン外非同期並行モデルは、Actor スマートエージェントシステム(Agent / Actor Model)を代表とし、別の並列計算のパラダイムに属します。これはクロスチェーン / 非同期メッセージシステム(ブロック同期モデルではない)として、各 Agent は独立して動作する「スマートエージェントプロセス」として、非同期メッセージ、イベント駆動、同期スケジューリングは不要の並列方式で、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処理メカニズムに属し、チェーン内の並列計算には該当しません。これらは「複数のチェーン/実行領域を並行して実行する」ことで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わけではありません。このようなスケーリングソリューションは本記事の主な焦点ではありませんが、私たちは依然としてそのアーキテクチャ理念の異同比較に使用します。

Web3パラレルコンピューティングトラック全景図:ネイティブスケーリングの最適なソリューション?

次に、EVM は並列拡張チェーンであり、互換性の性能境界を突破します

Ethereumのシリアル処理アーキテクチャは、現在までに分割、Rollup、モジュラーアーキテクチャなどの何度も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は依然として現在最もデベロッパーベースとエコシステムの潜在能力を持つスマートコントラクトプラットフォームです。したがって、EVM系の並列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進展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、高い同時実行性と高スループットシナリオに向けたEVM並列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の解析

Monadは、Ethereum仮想マシン(EVM)に再設計された高性能Layer1ブロックチェーンで、パイプライン処理(Pipelining)という基本的な並行性の概念に基づいています。コンセンサス層では非同期実行(Asynchronous Execution)、実行層では楽観的並行実行(Optimistic Parallel Execution)を実現しています。さらに、コンセンサス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の並行実行の基本理念であり、その核心的な考え方はブロックチェーンの実行プロセスを複数の独立した段階に分割し、これらの段階を並行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することです。各段階は独立したスレッドまたはコアで実行され、ブロックを超えた同時処理を実現し、最終的にスループットを向上させ、レイテンシを低下させる効果を達成します。これらの段階には、取引提案(Propose)、コンセンサス達成(Consensus)、取引実行(Execution)、およびブロック提出(Commit)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に深刻な制限を課しています。Monadは「非同期実行」を通じて、コンセンサス層の非同期、実行層の非同期、ストレージの非同期を実現しました。ブロック時間と確認遅延を大幅に減少させ、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す。

コアデザイン:

  • コンセンサスプロセス(コンセンサス層)は取引の順序付けのみを行い、契約ロジックは実行しません。
  • 実行プロセス(実行層)は、合意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ら、次のブロックのコンセンサスプロセスに直ちに入ります。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使用して取引を実行します。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、ほとんどの取引の間に状態の競合がないと仮定して、楽観的にすべての取引を並行して実行します。
  • 同時に"コンフリクトディテクター(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(例えば、読み取り/書き込みの競合)を監視します。
  • 競合が検出された場合、競合トランザクションは直列化して再実行され、状態の正確性が確保されます。

Monadは互換性のあるパスを選択しました:EVMルールをできるだけ変更せず、実行中に状態の書き込みを遅延させ、動的に衝突を検出することで並行性を実現します。これはまるで性能向上版のイーサリアムであり、成熟度が高くEVMエコシステムの移行が容易で、EVM世界の並行加速器です。

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MegaETHの並列計算メカニズムの解析

MonadのL1位置付けとは異なり、MegaETHはEVM互換のモジュール化された高性能並列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、実行環境と状態を分離して解体し、独立してスケジュール可能な最小単位として構成することで、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(有向非巡回状態依存グラフ)およびモジュール化同期メカニズムであり、これらが共同で"チェーン内スレッド化"の並列実行システムを構築します。

マイクロVM(微仮想機)アーキテクチャ:アカウントはスレッドである

MegaETHは「各アカウントに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」して並行スケジューリングのための最小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)を通じて相互に通信し、同期呼び出しではなく、多数のVMが独立して実行され、独立してストレージを持ち、自然に並行して動作します。

状態依存DAG:依存グラフ駆動のスケジューリングメカニズム

MegaETHは、アカウントの状態アクセス関係に基づいた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、各取引がどのアカウントを変更し、どのアカウントを読み込むか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行して実行され、依存関係のある取引はトポロジカル順序に従って逐次または遅延してスケジューリングされます。依存グラフは、並行実行プロセスにおける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は非同期プログラミングのパラダイム上に構築されており、Actor Modelに似た非同期メッセージパッシングによって、従来のEVMの直列呼び出し問題を解決します。コントラクト呼び出しは非同期で(再帰的実行ではなく)、コントラクトAからB、BからCへの呼び出しの際、各呼び出しは非同期化され、ブロッキング待機は不要です。コールスタック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は=非同期グラフの遍歴 + 依存関係の解決 + 並行スケジューリングです。

総じて、MegaETHは従来のEVM単一スレッド状態機械モデルを打破し、アカウント単位でのマイクロVMのカプセル化を実現し、状態依存グラフを通じて取引スケジューリングを行い、非同期メッセージメカニズムを同期呼び出しスタックに置き換えています。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」という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的な新しいアプローチを提供します。

MegaETHは再構築の道を選びました:アカウントと契約を独立したVMとして完全に抽象化し、非同期実行スケジューリングを通じて究極の並行性の可能性を解放します。理論的には、MegaETHの並行上限は高いですが、複雑さを制御するのがより難しくなり、Ethereumの理念に基づくスーパー分散型オペレーティングシステムに近くなります。

Web3パラレルコンピューティングトラック全景図:ネイティブスケーリングの最適なソリューションは?

MonadとMegaETHの二者の設計理念は、シャーディング(Sharding)とは大きく異なります。シャーディングはブロックチェーンを横に切り分けて複数の独立したサブチェーン(シャード)を作り、各サブチェーンが一部の取引と状態を担当し、単一チェーンの制約を打破してネットワークレベルでの拡張を行います。一方、MonadとMegaETHは単一チェーンの完全性を維持し、実行層での横方向の拡張のみを行い、単一チェーン内部での極限並列実行最適化によりパフォーマンスを突破します。二者はブロックチェーン拡張経路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とMegaETHなどの並列計算プロジェクトは、チェーン内のTPSを向上させることを核心目標として、スループット最適化パスに主に集中しています。遅延実行(Deferred Execution)とマイクロ仮想マシン(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、モジュール化されたフルスタックの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と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(合意、実行、保存など)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進行できるようにし、全体の処理効率を向上させます。
  2. デュアルVM並行実行(Dual VM Parallel Execution):PharosはEVMとWASMの2つの仮想マシン環境をサポートしており、開発者はニーズに応じて適切な実行環境を選択できます。このデュアルVMアーキテクチャは、システムの柔軟性を高めるだけでなく、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したモジュール化されたサブネットワークのようなものです。SPNsを通じて、Pharosはリソースの動的配分とタスクの並行処理を実現し、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ます。
  4. モジュラーコンセンサスとリスティーキングメカニズム(Modular Consensus & Restaking):Pharosは柔軟なコンセンサスメカニズムを導入し、複数のコンセンサスモデル(例:PBFT、PoS)をサポートしています。
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コメント
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wagmi_eventuallyvip
· 07-24 11:10
オフチェーン外注はそのままチェーンの外に置くってことですね、ほんとに直接的ですね。
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BlockchainTherapistvip
· 07-23 21:52
また初心者をカモにするための概念ですか?誰がわかるの?
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MEVSupportGroupvip
· 07-22 15:23
聖なる三位一体はただの誤解だ...本当に見抜いた
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liquidation_watchervip
· 07-21 19:22
ネイティブスケーリングがまた夢を描いていますが、結局のところ、これらは実際に実現可能なのでしょうか。
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ApeDegenvip
· 07-21 19:21
いわゆる聖なる三位一体は、実際にはただのごまかしです。
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FudVaccinatorvip
· 07-21 19:16
3角は不可能です。2つできれば合格ですかね。
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ChainMaskedRidervip
· 07-21 19:03
運に任せていい 三角は単なる犠牲の口実に過ぎない
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SadMoneyMeowvip
· 07-21 18:53
拡張が本当に頭が痛い、基盤はただの穴だ。
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