Web3 Paralel Hesaplama Yarış Pisti Panorama Haritası: Yerel Ölçeklendirme için En İyi Çözüm mü?

Blockchain'ın "imkansız üçgeni" (Blockchain Trilemma) "güvenlik", "merkeziyetsizlik", "ölçeklenebilirlik" blockchain sistem tasarımındaki temel dengeyi ortaya koyar; yani blockchain projelerinin aynı anda "üst düzey güvenlik, herkesin katılımı, hızlı işlem" sağlamakta zorlanmasıdır. "Ölçeklenebilirlik" konusundaki bu daimi tartışma için, şu anda piyasada bulunan ana akım blockchain ölçekleme çözümleri, paradigmalarına göre ayrılmaktadır, bunlar arasında:

• Geliştirilmiş genişletme uygulaması: Yerinde yürütme yeteneğini artırmak, örneğin paralel, GPU, çok çekirdekli.
• Durum İzolasyonlu Ölçekleme: Yatay Bölme Durumu / Shard, örneğin parçalar, UTXO, çoklu alt ağ
• Zincir dışı dış kaynaklı ölçekleme: yürütmeyi zincir dışına almak, örneğin Rollup, Coprocessor, DA
• Yapı çözülmüş genişleme: Mimari modüler, işbirliği içinde çalışıyor, örneğin modül zinciri, paylaşılan sıralayıcı, Rollup Mesh
• Asenkron eşzamanlı genişleme: Aktör modeli, süreç izolasyonu, mesaj yönlendirme, örneğin, akıllı ajanlar, çoklu iş parçacığı asenkron zinciri

Blockchain ölçeklenebilirlik çözümleri şunları içerir: zincir içi paralel hesaplama, Rollup, parçalama, DA modülü, modüler yapı, Aktör sistemi, zk kanıtı sıkıştırması, Stateless mimari vb. Bu çözümler, yürütme, durum, veri ve yapı gibi birçok katmanı kapsar ve "çok katmanlı iş birliği, modüler kombinasyon" tam bir ölçeklenebilirlik sistemi oluşturur. Bu makalede, ana akım ölçeklenebilirlik yöntemi olarak paralel hesaplama üzerinde durulacaktır.

Zincir içi paralel hesaplama (intra-chain parallelism), blok içindeki işlemlerin / komutların paralel yürütülmesine odaklanır. Paralel mekanizmalara göre sınıflandırıldığında, ölçeklenme yöntemleri beş ana kategoriye ayrılabilir; her kategori farklı performans hedeflerini, geliştirme modellerini ve mimari felsefeleri temsil eder. Paralel parçacık boyutu giderek daha ince hale gelir, paralel yoğunluk giderek artar, planlama karmaşıklığı da giderek artar, programlama karmaşıklığı ve gerçekleştirme zorluğu da giderek artar.

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

Zincir dışı asenkron eşzamanlı model, Aktör akıllı varlık sistemi (Agent / Actor Model) ile temsil edilmektedir. Bunlar başka bir paralel hesaplama paradigmasına aittir ve zincirler arası / asenkron mesaj sistemleri (blok senkronizasyon modeli olmayan) olarak, her bir Agent bağımsız bir şekilde çalışan "akıllı varlık süreci" olarak, eşzamanlı bir şekilde asenkron mesaj, olay odaklı, senkronizasyon programlamasına gerek olmadan çalışmaktadır. Temsilci projeler arasında AO, ICP, Cartesi gibi projeler bulunmaktadır.

Ve bildiğimiz Rollup veya shard genişletme çözümleri, sistem düzeyinde bir eşzamanlılık mekanizmasıdır ve zincir içi eşzamanlı hesaplamaya dahil değildir. Genişlemeyi, "birden fazla zincir / yürütme alanını paralel çalıştırarak" gerçekleştirirler, tek bir blok / sanal makine içindeki eşzamanlılık derecesini artırmak yerine. Bu tür genişletme çözümleri, bu makalenin odak noktası değildir ancak yine de mimari konseptlerin farklılıklarını karşılaştırmak için kullanılacaktır.

İki, EVM Sistemi Paralel Güçlendirilmiş Zincir: Uyumda Performans Sınırlarını Aşmak

Ethereum'un seri işleme mimarisi, parçalama, Rollup, modüler mimari gibi birçok genişletme denemesi ile gelişti, ancak yürütme katmanındaki verimlilik darboğazı hala köklü bir atılım elde edemedi. Bununla birlikte, EVM ve Solidity, hala en fazla geliştirici temeli ve ekosistem potansiyeline sahip akıllı sözleşme platformlarıdır. Bu nedenle, EVM tabanlı paralel artırma zinciri, ekosistem uyumluluğunu ve yürütme performansını artırmanın ana yolu olarak, yeni bir genişleme evriminin önemli bir yönü haline geliyor. Monad ve MegaETH, bu yönde en temsili projeler olup, sırasıyla gecikmeli yürütme ve durum ayrıştırması temelli, yüksek eşzamanlılık ve yüksek verimlilik 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) ilkesine dayalı olarak, konsensüs katmanında asenkron yürütme (Asynchronous Execution) ve yürütme katmanında optimistik paralel yürütme (Optimistic Parallel Execution) sağlar. Ayrıca, konsensüs ve depolama katmanında, Monad sırasıyla yüksek performanslı BFT protokolü (MonadBFT) ve özel veritabanı sistemi (MonadDB) getirmiştir ve uçtan uca optimizasyonu gerçekleştirmiştir.

Pipelining: Çok aşamalı boru hattı paralel yürütme mekanizması

Pipelining, Monad'ın paralel yürütme temel ilkesidir. Temel düşüncesi, blok zincirinin yürütme sürecini birden fazla bağımsız aşamaya ayırmak ve bu aşamaları paralel olarak işleyerek üç boyutlu bir boru hattı mimarisi oluşturmaktır. Her aşama bağımsız iş parçacıkları veya çekirdekler üzerinde çalışarak bloklar arası eşzamanlı işlemeyi gerçekleştirir ve nihayetinde throughput'u artırıp gecikmeyi azaltmayı hedefler. Bu aşamalar şunlardır: işlem önerisi (Propose), konsensüs sağlama (Consensus), işlem yürütme (Execution) ve blok taahhüdü (Commit).

Asenkron İcra: Konsensüs - Asenkron Decoupling

Geleneksel blok zincirinde, işlem konsensüsü ve yürütme genellikle senkronize bir süreçtir, bu seri model performans ölçeklenmesini ciddi şekilde kısıtlar. Monad, "asenkron yürütme" ile konsensüs 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 verimliliğini daha yüksek hale getirir.

Temel Tasarım:

• Konsensüs süreci (konsensüs katmanı) yalnızca işlemleri sıralamakla sorumludur, sözleşme mantığını yerine getirmez.
• İcra süreci (icra katmanı), konsensüs tamamlandıktan sonra asenkron olarak tetiklenir.
• Konsensüs tamamlandıktan sonra, bir sonraki blok konsensüs sürecine hemen geçilir, icra tamamlanmasını beklemeye gerek yoktur.

Optimistik Paralel İcra: Optimistik Paralel İcra

Geleneksel Ethereum, durum çatışmalarını önlemek için işlem yürütme konusunda katı bir seri model kullanır. Monad ise "iyimser paralel yürütme" stratejisi benimseyerek işlem işleme hızını önemli ölçüde artırır.

İşletim mekanizması:

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

Monad, mümkün olduğunca az EVM kuralını değiştiren uyumlu bir yol seçti: yürütme sürecinde durumu yazmayı erteleyerek ve çakışmaları dinamik olarak tespit ederek paralellik sağladı, bu da onu performans odaklı bir Ethereum gibi yapıyor. Olgunluğu sayesinde EVM ekosisteminin geçişini kolayca gerçekleştirebiliyor 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 konumlandırılmıştır; hem bağımsız bir L1 kamu zinciri olarak hem de Ethereum üzerindeki yürütme artırma katmanı (Execution Layer) veya modüler bir bileşen olarak kullanılabilir. Temel tasarım hedefi, hesap mantığını, yürütme ortamını ve durumu, bağımsız olarak planlanabilir en küçük birimlere ayrıştırarak zincir içindeki yüksek eşzamanlı yürütme ve düşük gecikme yanıt yeteneği sağlamaktır. MegaETH'in önerdiği temel yenilik, 'Micro-VM mimarisi + Durum Bağımlılığı DAG (Yönlendirilmiş Döngüsel Olmayan Durum Bağımlılık Grafiği) ve modüler senkronizasyon mekanizmasıdır ve bu unsurlar birlikte "zincir içi çoklu iş parçacığı" paralel yürütme sistemini inşa etmektedir.

Micro-VM (mikro sanal makine) mimarisi: Hesap, ipliktir.

MegaETH, "her hesap için bir mikro sanal makine (Micro-VM)" yürütme modelini tanıtarak yürütme ortamını "iş parçacığı bazlı" hale getiriyor ve paralel zamanlama için en küçük izolasyon birimini sağlıyor. Bu VM'ler, senkron çağrılar yerine asenkron mesajlaşma (Asynchronous Messaging) ile iletişim kuruyor ve çok sayıda VM bağımsız olarak çalışabilir, bağımsız olarak depolanabilir ve doğal olarak paralel bir yapıdadır.

Eyalet Bağımlılığı DAG: Bağımlılık grafiği ile yönlendirilen zamanlama mekanizması

MegaETH, hesap durumuna dayalı erişim ilişkileri üzerine kurulu bir DAG zamanlama sistemi geliştirmiştir. Sistem, her işlemde hangi hesapların değiştiğini, hangi hesapların okunduğunu gerçek zamanlı olarak bir küresel bağımlılık grafiği (Dependency Graph) ile sürdürmektedir. Çatışma olmayan işlemler doğrudan paralel olarak yürütülebilirken, bağımlılık ilişkisi olan işlemler, topolojik sıralama ile seri veya ertelenmiş bir şekilde zamanlama sırasına konulacaktır. Bağımlılık grafiği, paralel yürütme sürecindeki durum tutarlılığını ve tekrar yazılmamasını garanti eder.

Asenkron yürütme ve geri çağırma mekanizması

B

Özetle, MegaETH geleneksel EVM tek iş parçacıklı durum makinesi modelini kırarak, hesap bazında mikro sanal makine kapsüllemesi gerçekleştirir, durum bağımlılık grafiği aracılığıyla işlem zamanlaması yapar ve senkron çağrı yığını yerine asenkron mesaj mekanizması kullanır. 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 sunar.

MegaETH, hesapları ve sözleşmeleri bağımsız bir VM olarak tamamen soyutlamak için yeniden yapılandırma yolunu seçti ve aşırı paralel potansiyeli serbest bırakmak için asenkron yürütme planlaması kullanıyor. Teorik olarak, MegaETH'nin paralel üst sınırı daha yüksektir, ancak karmaşıklığı kontrol etmek de daha zordur; bu, Ethereum felsefesi altında süper dağıtılmış bir işletim sistemi gibidir.

Monad ve MegaETH'nin tasarım felsefeleri, shardlamadan (Sharding) oldukça farklıdır: shardlama, blok zincirini yatay olarak birden fazla bağımsız alt zincire (shardlar) bölerek, her alt zincirin belirli bir işlem ve durumdan sorumlu olmasını sağlar ve tek zincir sınırlamalarını ağ katmanında aşar; oysa Monad ve MegaETH, tek zincir bütünlüğünü korur ve yalnızca yürütme katmanında yatay olarak ölçeklenir, tek zincir içinde maksimum paralel yürütme optimizasyonu ile performansı artırır. Her iki proje, blok zinciri ölçeklenme yollarındaki dikey güçlendirme ve yatay genişleme yönlerini temsil eder.

Monad ve MegaETH gibi paralel hesaplama projeleri, zincir içindeki TPS'yi artırmayı temel hedef olarak alarak, throughput optimizasyon yollarına odaklanmaktadır. Bu, gecikmeli yürütme (Deferred Execution) ve mikro sanal makine (Micro-VM) mimarisi aracılığıyla işlem düzeyinde veya hesap düzeyinde paralel işleme gerçekleştirmektedir. 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 işleme ağlarının (SPN'ler) iş birliği sayesinde, çoklu sanal makine ortamlarını (EVM ve Wasm) desteklemekte ve sıfır bilgi kanıtı (ZK), güvenilir yürütme ortamı (TEE) gibi ileri teknolojileri entegre etmektedir.

Rollup Mesh paralel hesaplama mekanizması analizi:

1. Tam Yaşam Döngüsü Asenkron Boru Hattı İşlemi (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos, işlemin çeşitli aşamalarını (örneğin, konsensüs, yürütme, depolama) ayrıştırır ve asenkron işleme yöntemi kullanarak her aşamanın bağımsız ve paralel bir şekilde gerçekleşmesini sağlar, bu da genel işlem verimliliğini artırır.
2. İki Sanal Makine Paralel İcra (Dual VM Parallel Execution): Pharos, EVM ve WASM olmak üzere iki sanal makine ortamını destekler ve geliştiricilerin ihtiyaçlarına göre uygun icra ortamını seçmelerine olanak tanır. Bu çift VM mimarisi, sistemin esnekliğini artırmanın yanı sıra paralel icra ile işlem işleme kapasitesini de yükseltir.
3. Özel İşlem Ağı (SPN'ler): SPN'ler, belirli türdeki görevleri veya uygulamaları işlemek için özel olarak tasarlanmış, modüler alt ağlar gibi Pharos mimarisinin önemli bileşenleridir. SPN aracılığıyla