Web3 Paralel Hesaplama Yarış Alanı Panorama Haritası: Yerel Ölçeklenmenin En İyi Çözümü mü?

1. Blok zinciri genişlemesi için sonsuz konu

Blok zincirinin "imkansız üçgeni" (blok zinciri üç zorluk durumu) "güvenlik", "merkeziyetsizlik" ve "ölçeklenebilirlik", blok zinciri sistem tasarımındaki temel dengeleri ortaya koymaktadır; yani blok zinciri projeleri "mükemmel güvenlik, herkesin katılımı, hızlı işlem" hedeflerini aynı anda gerçekleştirmekte zorluk çekmektedir. "Ölçeklenebilirlik" konusuna dair, piyasada mevcut olan ana akım blok zinciri genişletme çözümleri paradigmalarına göre ayrılmaktadır, bunlar arasında:

• Gelişmiş ölçeklenebilirliği uygulama: Yerinde yürütme yeteneklerini artırma, örneğin paralel, GPU, çok çekirdekli
• Durum İzolasyonu Tabanlı Ölçekleme: Durumsal Yatay Bölme/Shard, örneğin parçalama, UTXO, çoklu alt ağ
• Zincir dışı dış kaynaklı ölçekleme: İşlemleri zincir dışına taşıma, örneğin Rollup, Coprocessor, DA
• Yapı ayrıştırma tipi genişleme: Mimari modüler, işbirliği içinde çalışıyor, örneğin modül zinciri, paylaşılan sıralayıcı, Rollup Mesh
• Asenkron eşzamanlı genişleme: Aktör modeli, süreç izolasyonu, mesaj odaklı, örneğin ajanlar, çoklu iş parçacığı asenkron zinciri

Blok zinciri ölçekleme çözümleri şunları içerir: zincir içi paralel hesaplama, Rollup, parçalama, DA modülü, modüler yapı, Actor sistemi, zk kanıtı sıkıştırması, Stateless mimarisi vb. Bu çözümler, yürütme, durum, veri ve yapı gibi birçok katmanı kapsamaktadır ve "çok katmanlı işbirliği, modüler kombinasyon" tam bir ölçekleme sistemi oluşturmaktadır. Bu makalede, ana akım ölçekleme yöntemi olarak paralel hesaplama üzerinde durulmaktadır.

Zincir içi paralel hesaplama (intra-chain parallelism ), blok içindeki işlemlerin/komutların paralel yürütülmesine odaklanmaktadır. Paralel mekanizmalara göre genişletme yöntemleri beş ana kategoriye ayrılabilir; her kategori farklı performans hedeflerini, geliştirme modellerini ve mimari felsefeleri temsil eder. Paralel parçacık boyutu giderek daha ince, paralel yoğunluk giderek daha yüksek, zamanlama karmaşıklığı da giderek artmaktadır; programlama karmaşıklığı ve uygulama zorluğu da giderek artmaktadır.

• Hesap düzeyi eşzamanlılık (Account-level): Solana projesini temsil eder.
• Nesne düzeyinde paralellik (Object-level): Sui projesini temsil eder
• İşlem düzeyinde paralellik (Transaction-level): Proje Monad, Aptos
• Çağrı seviyesi / MikroVM paralel (Call-level / MicroVM): MegaETH projesini temsil eder
• Talimat düzeyinde paralellik (Instruction-level): GatlingX projesini temsil eder

Zincir dışı eşzamanlı model, Agent / Actor Model olarak bilinen Aktris akıllı sistemlerini temsil eder. Bunlar, zincirler arası/asenkron mesaj sistemleri (blok senkronizasyon modeli olmayan) olarak farklı bir paralel hesaplama paradigmasına aittir. Her bir Agent, bağımsız olarak çalışan "akıllı ajan süreçleri" olarak kabul edilir. Asenkron mesajlar, etkinlik bazlı, senkronizasyon planlaması olmadan paralel bir şekilde işlemektedir. Temsil edilen projeler arasında AO, ICP, Cartesi gibi projeler bulunmaktadır.

Ve aşina olduğumuz Rollup veya shard genişletme çözümleri, sistem düzeyinde bir eşzamanlılık mekanizmasıdır ve zincir içi paralel hesaplamalara dahil değildir. Bunlar, "birden fazla zincir/yürütme alanını paralel olarak çalıştırarak" genişlemeyi sağlar, tek bir blok/ sanal makine içindeki eşzamanlılığı artırmak yerine. Bu tür genişletme çözümleri, bu makalenin odak noktası değildir ancak yine de mimari kavramların benzerlik ve farklılıklarının karşılaştırılmasında kullanılacaktır.

İki, EVM Tabanlı Paralel Geliştirilmiş Zincir: Uyumlulukta Performans Sınırlarını Aşmak

Ethereum'un seri işleme mimarisi, parçalama, Rollup, modüler mimari gibi birçok genişleme denemesi geçirdi, ancak yürütme katmanındaki throughput darboğazı hala köklü bir atılım gerçekleştiremedi. Bununla birlikte, EVM ve Solidity, hâlâ mevcut en büyük geliştirici temeline ve ekosistem potansiyeline sahip akıllı sözleşme platformlarıdır. Bu nedenle, EVM tabanlı paralel güçlendirilmiş zincir, ekosistem uyumluluğu ve yürütme performansı artırma arasında bir denge kurarak, yeni bir genişleme evriminin önemli bir yönü haline gelmektedir. Monad ve MegaETH, bu yönde en temsilci projeler olup, sırasıyla gecikmeli yürütme ve durum ayrıştırması konularından hareketle, yüksek eşzamanlılık ve yüksek throughput senaryolarına yönelik EVM paralel işleme mimarisi inşa etmektedir.

Monad'ın paralel hesaplama mekanizmasının analizi

Monad, Ethereum Sanal Makinesi (EVM) için yeniden tasarlanmış yüksek performanslı bir Layer1 blok zinciridir. Temel paralel işleme (Pipelining) fikrine dayanan bu sistem, konsensüs katmanında asenkron yürütme (Asynchronous Execution) ve yürütme katmanında iyimser paralel yürütme (Optimistic Parallel Execution) sunar. Ayrıca, konsensüs ve depolama katmanında, Monad yüksek performanslı BFT protokolü (MonadBFT) ve özel veritabanı sistemi (MonadDB) getirerek uçtan uca optimizasyon sağlar.

Pipelining: Çok aşamalı boru hattı paralel yürütme mekanizması

Pipelining, Monad'ın paralel yürütme temel ilkesidir. Temel fikir, blok zincirinin yürütme sürecini birden fazla bağımsız aşamaya ayırmak ve bu aşamaları paralel olarak işlemek, üç boyutlu bir boru hattı mimarisi oluşturmaktır. Her aşama, bağımsız iş parçacıklarında veya çekirdeklerde çalışarak bloklar arası eşzamanlı işleme imkanı sağlar ve nihayetinde verimliliği artırmak ve gecikmeyi azaltmak için sonuç verir. Bu aşamalar şunları içerir: işlem önerisi (Propose), uzlaşma (Consensus), işlem yürütme (Execution) ve blok gönderimi (Commit).

Asenkron Çalışma: Konsensüs - İcra Asenkron Ayrımı

Geleneksel blok zincirinde, işlem uzlaşması ve yürütme genellikle senkronize bir süreçtir, bu tür bir sıralı model performans ölçeklenmesini ciddi şekilde kısıtlar. Monad, "asenkron yürütme" ile uzlaşma katmanını asenkron, yürütme katmanını asenkron ve depolamayı asenkron hale getirmiştir. Blok süresini (block time) ve onay gecikmesini önemli ölçüde azaltarak sistemi daha esnek, işlem süreçlerini daha ayrıntılı ve kaynak kullanımını daha yüksek hale getirir.

Kilit Tasarım:

• Konsensüs süreci (konsensüs katmanı) yalnızca işlemleri sıralamakla sorumludur, sözleşme mantığını yürütmez.
• Yürütme süreci (yürütme katmanı) konsensüs tamamlandıktan sonra asenkron olarak tetiklenir.
• Konsensüs tamamlandıktan hemen sonra bir sonraki blok konsensüs sürecine geçilir, yürütmenin tamamlanmasını beklemeye gerek yoktur.

İyimser Paralel İcra: İyimser Paralel İcra

Geleneksel Ethereum, durum çakışmalarını önlemek için işlem yürütümünde katı bir seri model kullanırken, Monad "iyimser paralel yürütme" stratejisi benimseyerek işlem işleme hızını önemli ölçüde artırır.

Uygulama mekanizması:

• Monad, çoğu işlem arasında durum çatışması olmadığını varsayarak tüm işlemleri iyimser bir şekilde paralel olarak yürütür.
• Aynı anda bir "Çatışma Dedektörü (Conflict Detector))" çalıştırarak, işlemler arasında aynı duruma erişilip erişilmediğini (örneğin, okuma/yazma çatışması) izleyin.
• Çatışma tespit edilirse, çatışma işlemleri serileştirilerek yeniden yürütülecek ve durum doğruluğu sağlanacaktır.

Monad, EVM kurallarını mümkün olduğunca az değiştiren uyumlu bir yol seçti; yürütme sürecinde durumu yazmayı erteleyerek ve çakışmaları dinamik olarak tespit ederek paralel gerçekleştirmeyi sağladı. Bu, daha çok performans odaklı bir Ethereum'a benziyor; olgunluğu sayesinde EVM ekosistemine geçişi kolaylaştırıyor ve EVM dünyasının paralel hızlandırıcısıdır.

MegaETH'nin paralel hesaplama mekanizması analizi

Monad'tan farklı olarak, MegaETH, EVM uyumlu modüler yüksek performanslı paralel yürütme katmanı olarak konumlandırılmaktadır; bağımsız bir L1 kamu zinciri olarak veya Ethereum üzerinde bir yürütme artırma katmanı (Execution Layer) veya modüler bileşen olarak kullanılabilir. Temel tasarım hedefi, hesap mantığı, yürütme ortamı ve durumu bağımsız olarak zamanlayabilen en küçük birimlere ayrıştırarak zincir içi yüksek eş zamanlı yürütme ve düşük gecikme süresi yanıt yeteneğini gerçekleştirmektir. MegaETH'nin önerdiği temel yenilik, "zincir içi iş parçacıklaştırma" için paralel yürütme sistemini birlikte inşa eden Micro-VM mimarisi + State Dependency DAG (yönlendirilmiş döngüsel durum bağımlılık grafiği) ve modüler senkronizasyon mekanizmasıdır.

Micro-VM (Mikro Sanal Makine) Mimarisi: Hesap, İpin Kendisi

MegaETH, "her hesap için bir mikro sanal makine (Micro-VM)" yürütme modelini tanıtarak yürütme ortamını "iş parçacığına dayalı" hale getirir ve paralel planlama için en küçük izolasyon birimini sağlar. Bu VM'ler, senkron çağrı yerine asenkron mesaj iletişimi (Asynchronous Messaging) kullanarak iletişim kurar ve çok sayıda VM bağımsız olarak çalışabilir ve bağımsız depolama yapabilir, doğal olarak paralel bir yapıdadır.

Durum Bağımlılığı DAG: Bağımlılık Grafiğine Dayalı Zamanlama Mekanizması

MegaETH, hesap durumu erişim ilişkilerine dayalı bir DAG zamanlama sistemi geliştirmiştir. Sistem, her işlemde hangi hesapların değiştirildiğini ve hangi hesapların okunduğunu modelleyerek, gerçek zamanlı olarak küresel bir bağımlılık grafiği (Dependency Graph) sürdürmektedir. Çatışma olmayan işlemler doğrudan paralel olarak yürütülebilirken, bağımlılık ilişkisi olan işlemler topolojik sıraya göre seri veya ertelenmiş olarak zamanlama sırasına konulacaktır. Bağımlılık grafi, paralel yürütme sürecindeki durum tutarlılığını ve tekrarlı yazmayı sağlamaktadır.

Asenkron Çalışma ve Geri Çağırma Mekanizması

B

Özetle, MegaETH, geleneksel EVM tek iş parçacıklı durum makinesi modelini kırarak, hesap bazında mikro sanal makine kapsüllemesi gerçekleştiriyor, işlem zamanlaması için durum bağımlılık grafiğini kullanıyor ve senkron çağrı yığını yerine asenkron mesaj mekanizmasıyla değiştiriyor. Bu, "hesap yapısı → zamanlama mimarisi → yürütme süreci" tam boyutlu yeniden tasarlanmış bir paralel hesaplama platformudur ve bir sonraki nesil yüksek performanslı zincir üstü sistemlerin inşası için paradigmaya dayalı yeni bir yaklaşım sunmaktadır.

MegaETH, hesapları ve sözleşmeleri bağımsız bir VM olarak tamamen soyutlamak için yeniden yapılandırma yolunu seçti ve aşırı paralel potansiyeli ortaya çıkarmak için asenkron yürütme zamanlaması kullanıyor. Teorik olarak, MegaETH'nin paralel üst sınırı daha yüksek, ancak karmaşıklığı kontrol etmek daha zor; bu, Ethereum felsefesi altında süper dağıtılmış bir işletim sistemi gibi.

Monad ve MegaETH'nin tasarım felsefeleri, shardlama ile oldukça farklıdır: Shardlama, blok zincirini yatay olarak birden fazla bağımsız alt zincire (shardlar) ayırır; her alt zincir belirli işlemler ve durumlarla ilgilenir, tek zincir kısıtlamalarını ağ katmanında aşar; oysa Monad ve MegaETH, tek zincir bütünlüğünü korur, yalnızca yürütme katmanında yatay olarak genişler ve tek zincir içinde maksimum paralel yürütme optimizasyonuyla performansı artırır. İkisi, blok zincirinin genişleme yollarındaki dikey güçlendirme ve yatay genişleme yönlerini temsil eder.

Monad ve MegaETH gibi paralel hesaplama projeleri, zincir içi TPS'yi artırma hedefiyle yüksek verimlilik optimizasyon yollarına odaklanmaktadır. İşlem düzeyinde veya hesap düzeyinde paralel işleme sağlamak için Gecikmeli İcra (Deferred Execution) ve Mikro Sanal Makine (Micro-VM) mimarisi kullanmaktadır. Pharos Network ise modüler, tam yığın paralel bir L1 blok zinciri ağıdır ve temel paralel hesaplama mekanizması "Rollup Mesh" olarak adlandırılmaktadır. Bu mimari, ana ağ ile Özel İşlem Ağları (SPN'ler) arasındaki işbirliği ile çoklu sanal makine ortamlarını (EVM ve Wasm) destekler ve sıfır bilgi kanıtları (ZK), güvenilir yürütme ortamı (TEE) gibi ileri teknolojileri entegre eder.

Rollup Mesh paralel hesaplama mekanizması analizi:

1. Tam Yaşam Döngüsü Asenkron Boru Hattı İşleme (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos, işlemin çeşitli aşamalarını (örneğin, konsensüs, yürütme, depolama) birbirinden ayırır ve asenkron işleme yöntemi kullanarak her aşamanın bağımsız ve paralel bir şekilde gerçekleştirilmesine olanak tanır, böylece genel işleme verimliliğini artırır.
2. İki Sanal Makine Paralel Çalıştırma (Dual VM Parallel Execution): Pharos, geliştiricilerin ihtiyaçlarına göre uygun çalışma ortamını seçmelerine olanak tanıyan EVM ve WASM olmak üzere iki sanal makine ortamını destekler. Bu çift VM mimarisi, sistemin esnekliğini artırmakla kalmaz, aynı zamanda paralel çalıştırma ile işlem işleme kapasitesini de yükseltir.
3. Özel İşlem Ağı (SPNs): SPN'ler, Pharos mimarisindeki ana bileşenlerdir ve belirli türdeki görevler veya uygulamalar için özel olarak tasarlanmış modüler alt ağlar gibidir. SPN'ler aracılığıyla, Pharos dinamik kaynak tahsisi ve görevlerin paralel işlenmesini sağlayarak sistemin ölçeklenebilirliğini ve performansını daha da artırır.
4. Modüler Konsensüs ve Yeniden Stake Etme Mekanizması (Modular Consensus & Restaking): Pharos, farklı konsensüs modellerini (örneğin PBFT, PoS, PoA) destekleyen esnek bir konsensüs mekanizması sunar ve yeniden stake etme protokolü (Restaking) aracılığıyla ana ağ ile SPN'ler arasında güvenli paylaşım ve kaynak entegrasyonunu sağlar.

Ayrıca, Pharos çoklu versiyonlu Merkle ağaçları, delta kodlama (Delta Encoding) ve sürüm