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？

一、はじめに

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明らかにしており、ブロックチェーンプロジェクトは「極限の安全、誰でも参加可能、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、パラダイムに基づいて分類されています。

• 実行の拡張を強化する：例えば、並行処理、GPU、マルチコアなど、実行能力を向上させること。
• ステートアイソレーション型スケーリング：水平方向の状態分割 / シャード、例えば、シャーディング、UTXO、マルチネットワーク
• 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 Rollup、Coprocessor、DA
• 構造デカップリング型スケーリング：アーキテクチャのモジュール化、協調動作、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、プロセスの隔離、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、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おり、"多層協調、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法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、ブロック内部の取引 / 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ーに分けられ、それぞれ異なる性能追求、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性と実装の難易度も高くなっています。

• 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 を代表します
• 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（Call-level / MicroVM）: プロジェクト MegaETH を表します *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エージェントシステム（エージェント/アクターモデル）を代表とし、別の並列計算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、各エージェントは独立して動作する「スマートプロセス」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を必要としない並行方式で動作します。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、チェーン内の並列計算には属しません。これらは "複数のチェーン/実行ドメインを並行して実行する" ことでスケーリングを実現し、単一のブロック/仮想マシン内部の並行度を向上させるものではありません。この種のスケーリングソリューションは本記事の主題ではありませんが、私たちはそれをアーキテクチャの理念の異同比較に使用します。

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多く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は現在、最も開発者基盤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系列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兼ね備えた重要な道筋として、新たなスケーリング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のシナリオに向けたEVM並行処理アーキテクチャを構築しています。

Monadの並列計算メカニズムの解析

Monadは、Ethereum仮想マシン（EVM）向けに再設計された高性能Layer1ブロックチェーンであり、パイプライン処理（Pipelining）という基本的な並行性の概念に基づいています。合意層では非同期実行（Asynchronous Execution）、実行層では楽観的並行実行（Optimistic Parallel Execution）を行います。さらに、合意層とストレージ層において、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

パイプライン処理は Monad の並行実行の基本概念であり、その核心的な思想はブロックチェーンの実行フロー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行して処理することによって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。各ステージは独立したスレッドまたはコアで実行され、ブロック間の並行処理を実現し、最終的にスループットを向上させ、遅延を減少させる効果を達成します。これらのステージには、取引提案（Propose）、コンセンサスの達成（Consensus）、取引の実行（Execution）、およびブロックのコミット（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、トランザクションのコンセンサスと実行が通常同期プロセスであるため、この直列モデルは性能のスケーラビリティを著しく制限しています。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、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担当し、契約のロジックを実行しません。
• 実行プロセス（実行層）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、すぐに次のブロックのコンセンサスプロセスに入ります。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採用しています。一方、Monadは「楽観的並列実行」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は楽観的にすべてのトランザクションを並行して実行し、大部分のトランザクション間に状態の競合がないと仮定します。
• 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。
• 競合が検出されると、競合トランザクションが直列化されて再実行され、状態の正確性が確保されます。

モナド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、動的に競合を検出することで並行性を実現します。これは性能版のイーサリアムに似ており、成熟度が高くEVMエコシステムの移行が容易です。これはEVM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 の L1 位置付けとは異なり、MegaETH は EVM 互換のモジュラー高性能並行実行層として位置付けられており、独立した L1 パブリックチェーンとしても、イーサリアム上の実行強化層（Execution Layer）またはモジュラーコンポーネントとしても機能します。その核心設計目標は、アカウントロジック、実行環境、状態を分離し、独立してスケジューリング可能な最小単位に構成することで、チェーン内の高い同時実行性能と低遅延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）およびモジュラー同期メカニズムであり、これらが "チェーン内スレッド化" に対応した並行実行システムを共同で構築します。

マイクロVM（微仮想マシン）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」して並列スケジューリングのための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、同期呼び出しではなく、多数のVMが独立して実行および独立してストレージを持ち、自然に並列化されます。

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、各トランザクションがどのアカウントを変更し、どのアカウントを読み取るかをすべて依存関係としてモデル化します。競合しないトランザクションは直接並行して実行でき、依存関係のあるトランザクションはトポロジー順にシリアルまたは遅延してスケジュールされます。依存グラフは、並行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、Actor Modelの非同期メッセージ伝達に似て、従来のEVMの直列呼び出し問題を解決します。コントラクトの呼び出しは非同期であり（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、ブロック待機する必要はありません；呼び出し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=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、状態依存グラフを用いて取引をスケジューリングし、非同期メッセージメカニズムを用い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 → スケジューリング構造 → 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、次世代高性能チェーン上システムの構築に新しいパラダイムレベルのアイデアを提供します。

MegaETHはリファクタリングパスを選択しました：アカウントとコントラクトを完全に独立したVMに抽象化し、非同期実行スケジューリングを通じて極限の並列ポテンシャルを解放します。理論的には、MegaETHの並列上限は高いですが、複雑さの制御が難しく、Ethereumの理念に基づく超分散型オペレーティングシステムに似ています。

MonadとMegaETH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方向に複数の独立したサブチェーン（シャード）に分割し、それぞれのサブチェーンが一部のトランザクションと状態を担当し、単一チェーンの制約を打破してネットワークレイヤーの拡張を実現します。一方、MonadとMegaETHは単一チェーンの完全性を維持し、実行レイヤーでの横方向の拡張を行い、単一チェーン内部の極限並列実行最適化によって性能を突破します。両者はブロックチェーンの拡張パス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、スループット最適化の道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ます。一方、Pharos Networkはモジュラーでフルスタックの並列L1ブロックチェーンネットワークとして、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）、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（コンセンサス、実行、ストレージなど）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、全体的な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の二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向上させるだけでなく、並行実行によっ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または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はリソースの動的割り当て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性能をさらに向上させました。
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（PBFT、PoS、PoAなど）をサポートし、再ステーキングを通じて