Web3並列計算デプス研究報告：ネイティブスケーリングの究極の道

前言：拡張は永遠の命題であり、並行は究極の戦場である

ブロックチェーンシステムは誕生以来、スケーラビリティという核心的な問題に直面しています。ビットコインとイーサリアムのパフォーマンスのボトルネックは、従来のWeb2世界の処理能力を突破することが困難です。これは単にサーバーを増やすことで解決できるものではなく、ブロックチェーンの基盤設計におけるシステム的な制限に起因するものです - "分散化、安全性、スケーラビリティ"の三者を同時に満たすことは不可能な三角形です。

過去十年で、私たちは無数のスケーリングの試みを目撃してきました。ビットコインのスケーリング戦争からイーサリアムのシャーディング、状態チャネルからRollupおよびモジュラー・ブロックチェーンまで。Rollupは現在最も広く受け入れられているスケーリングのパラダイムであり、メインチェーンの負担を軽減しつつ、TPSの大幅な向上を目指しています。しかし、それはブロックチェーンの基盤となる「単一チェーンの性能」の真の限界には触れておらず、特に実行の面では、依然としてチェーン内の逐次計算という古いパラダイムに制限されています。

ブロックチェーン内での並列計算が徐々に業界の視野に入ってきています。これは、単一チェーンの原子性と統合構造を維持しながら、実行エンジンを完全に再構築し、ブロックチェーンを「逐条取引の逐次実行」という単一スレッドモードから「マルチスレッド＋パイプライン＋依存スケジューリング」という高い同時実行性を持つ計算システムにアップグレードしようとしています。これにより、数百倍のスループット向上が実現されるだけでなく、スマートコントラクトのアプリケーションの爆発的な普及の鍵となる可能性があります。

並行計算は「パフォーマンス最適化手段」であるだけでなく、ブロックチェーンの実行モデルのパラダイムシフトの転換点でもあると言えます。それはスマートコントラクトの実行の根本的なモデルに挑戦し、取引のパッキング、状態アクセス、呼び出し関係、ストレージレイアウトの基本的な論理を再定義します。もしRollupが「取引をチェーン外で実行する」ことであるなら、チェーン内の並行性は「チェーン上でスパコンカーネルを構築する」ことです。その目標は、未来のWeb3ネイティブアプリケーションに真に持続可能なインフラストラクチャサポートを提供することです。

Rollupの競技が同質化していく中、チェーン内の並行処理が静かに新たなサイクルのLayer1競争の決定的な変数となりつつある。性能はもはや「速さ」だけではなく、全体の異種アプリケーションの世界を支える可能性が問われている。これは単なる技術競争ではなく、パラダイムの争奪戦である。Web3の世界の次世代主権実行プラットフォームは、このチェーン内の並行処理の格闘から誕生する可能性が高い。

拡張パラダイム全景図：五つのルート、それぞれの重点

スケーラビリティは、パブリックチェーン技術の進化において最も重要で持続的、かつ難易度の高い課題の一つであり、過去10年間にほぼすべての主流技術パスの出現と進化を促してきました。ビットコインのブロックサイズ問題から始まり、「チェーンをどのように速く動かすか」という技術競争が展開され、最終的に5つの基本的なルートに分化しました。それぞれのルートはボトルネックに異なる角度からアプローチし、独自の技術哲学、実現の難易度、リスクモデル、および適用シーンを持っています。

第一類ルートは最も直接的なチェーン上のスケーリングであり、代表的な手法としてブロックサイズの増加、ブロック生成時間の短縮、またはデータ構造と合意メカニズムの最適化による処理能力の向上が挙げられます。この方法はビットコインのスケーリング争いの焦点となり、BCHやBSVなどの「大ブロック」派のハードフォークを生み出しました。また、EOSやNEOなどの初期の高性能パブリックチェーンの設計思想にも影響を与えました。この種のルートの利点は、単一チェーンの整合性の簡潔さを保持し、理解や展開が容易であることですが、中央集権リスクやノードの運営コストの上昇、同期の難易度の増加など、システム的な上限に触れやすくなります。したがって、今日の設計ではもはや主流の核心的な解決策ではなく、他のメカニズムの補助的な組み合わせとしてより多く使用されています。

第2のルートはオフチェーンスケーリングであり、その代表はステートチャネルとサイドチェーンです。このルートの基本的な考え方は、大部分の取引活動をオフチェーンに移行し、最終的な結果のみをメインチェーンに書き込むことです。メインチェーンは最終的な決済層として機能します。技術哲学的には、Web2の非同期アーキテクチャの考え方に近く、重いトランザクション処理は外部に残し、メインチェーンは最小限の信頼性のある検証を行います。この考え方は理論的には無限にスループットを拡張できるものですが、オフチェーントランザクションの信頼モデル、資金の安全性、インタラクションの複雑さなどの問題がその適用を制限しています。例えば、Lightning Networkは明確な金融シナリオの位置付けを持っていますが、エコシステムの規模は常に爆発しませんでした。また、ある取引プラットフォームのPOSのように、サイドチェーンに基づく複数の設計は、高スループットを実現しつつも、メインチェーンの安全性を継承しにくい欠点を露呈しました。

第三類ルートは現在最も人気があり、広く展開されているLayer2 Rollupルートです。この方法は主チェーン自体を直接変更するのではなく、オフチェーン実行とオンチェーン検証のメカニズムを通じてスケーリングを実現します。Optimistic RollupとZK Rollupにはそれぞれ利点があります: 前者は実行が速く、互換性が高いですが、チャレンジ期間の遅延と詐欺証明メカニズムの問題があります; 後者は安全性が強く、データ圧縮能力が優れていますが、開発が複雑でEVM互換性が不足しています。どのタイプのRollupであっても、その本質は実行権をアウトソーシングし、同時にデータと検証を主チェーン上に保持することで、分散化と高性能の相対的なバランスを実現することです。特定のLayer2プロジェクトの急成長はこのルートの実現可能性を証明していますが、同時にデータ可用性(DA)に対する依存が強すぎること、コストが依然として高めであること、開発体験が断絶しているなどの中期的なボトルネックも露呈しています。

第四の経路は近年登場したモジュラー型ブロックチェーンアーキテクチャであり、Celestia、Avail、EigenLayerなどが代表的です。モジュラー型のパラダイムは、ブロックチェーンのコア機能 - 実行、コンセンサス、データの可用性、決済 - を徹底的にデカップリングし、複数の専門チェーンが異なる機能を果たし、クロスチェーンプロトコルによってスケーラブルなネットワークに組み合わせることを主張します。この方向性は、オペレーティングシステムのモジュラーアーキテクチャとクラウドコンピューティングのコンポーザブルな理念から大きな影響を受けており、その利点はシステムコンポーネントを柔軟に交換でき、特定の段階(においてDA)の効率を大幅に向上させることができる点にあります。しかし、その課題も非常に明確です: モジュールがデカップリングされた後のシステム間の同期、検証、相互信頼のコストは非常に高く、開発者エコシステムは極度に分散しており、中長期的なプロトコル標準とクロスチェーンセキュリティの要件は従来のチェーン設計をはるかに上回ります。このモデルは本質的に「チェーン」を構築するのではなく、「チェーンネットワーク」を構築するものであり、全体的なアーキテクチャの理解と運用に前例のないハードルを提起しています。

最後のタイプのルートは、本文の後半で重点的に分析される対象であり、チェーン内の並列計算最適化パスです。前の4つのタイプが主に構造的な観点から「横方向の分割」を行うのとは異なり、並列計算は「縦方向のアップグレード」を強調しています。つまり、単一のチェーン内部で実行エンジンアーキテクチャを変更することで、原子的なトランザクションの同時処理を実現します。これには、VMスケジューリングロジックの再構築、トランザクション依存分析、状態競合予測、並列度制御、非同期呼び出しなど、現代のコンピュータシステムスケジューリングメカニズムの一整套を導入する必要があります。ある高性能なパブリックチェーンは、並列VMの概念をチェーンレベルのシステムに最初に実装したプロジェクトであり、アカウントモデルに基づくトランザクション競合判断を通じてマルチコア並列実行を実現しています。一方、新世代のプロジェクトであるMonad、Sei、Fuel、MegaETHなどは、パイプライン実行、楽観的並行、ストレージパーティショニング、並列デカップリングなどの最先端のアイデアを導入し、現代のCPUに類似した高性能実行コアを構築しようとしています。この方向性のコアの利点は、マルチチェーンアーキテクチャに依存せずにスループットの限界を突破できることと、複雑なスマートコントラクトの実行に十分な計算の弾力性を提供することです。これは、未来のAIエージェント、大規模チェーンゲーム、高頻度デリバティブなどのアプリケーションシナリオに向けた重要な技術的前提です。

上述の5つのスケーリングパスを見渡すと、その背後にある分野は実際にはブロックチェーンの性能、可組み性、安全性、開発の複雑さの間の体系的なトレードオフです。Rollupはコンセンサスのアウトソーシングとセキュリティの継承に強みを持ち、モジュール化は構造の柔軟性とコンポーネントの再利用を際立たせ、オフチェーンのスケーリングはメインチェーンのボトルネックを突破しようとしますが、信頼コストは非常に高いです。一方、オンチェーンの並行処理は実行層の根本的なアップグレードを主張し、チェーン内の一貫性を損なうことなく、現代の分散システムの性能限界に近づこうとしています。どの道もすべての問題を解決することは不可能ですが、これらの方向性が共同でWeb3の計算パラダイムのアップグレードの全景を構成しており、開発者、アーキテクト、投資家に非常に豊富な戦略的選択肢を提供しています。

歴史的にオペレーティングシステムがシングルコアからマルチコアに移行し、データベースが順次インデックスから並行トランザクションへと進化してきたように、Web3のスケーリングの道も最終的には高度に並行化された実行時代へと向かうことになる。この時代において、性能はもはやチェーンスピードの競争だけではなく、基盤設計哲学、アーキテクチャの理解の深さ、ソフトウェアとハードウェアの協調、システムの制御力の総合的な表れとなる。そして、チェーン内の並行性は、この長期戦争の究極の戦場となる可能性がある。

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並行計算分類図譜：アカウントから命令への五大パス

ブロックチェーンのスケーラビリティ技術が進化し続ける文脈の中で、並列計算は徐々にパフォーマンスの突破口となる核心的な道筋になっています。構造層、ネットワーク層、またはデータの可用性層の水平的なデカップリングとは異なり、並列計算は実行層の縦の掘り下げであり、ブロックチェーンの運用効率に関わる最も根本的な論理に関わっています。これにより、高い同時実行、多様な複雑な取引に直面した際のブロックチェーンシステムの反応速度と処理能力が決まります。実行モデルから出発して、この技術系譜の発展の流れを振り返ると、明確な並列計算の分類マップを整理することができます。大まかに言えば、5つの技術的パスに分けることができます：アカウントレベルの並列、オブジェクトレベルの並列、トランザクションレベルの並列、仮想マシンレベルの並列、そして命令レベルの並列です。これら5つのパスは、粗粒度から細粒度にわたり、並列論理の不断の精緻化のプロセスであり、システムの複雑さとスケジューリングの難しさが常に上昇する道筋でもあります。

最初に登場したアカウントレベルの並行処理は、ある高性能パブリックチェーンを代表とするパラダイムです。このモデルは、アカウントと状態のデカップリング設計に基づいており、トランザクションに関与するアカウントの集合を静的に分析することで、競合関係が存在するかどうかを判断します。もし2つのトランザクションがアクセスするアカウントの集合が互いに重ならない場合、複数のコアで並行して実行できます。このメカニズムは、構造が明確で、入力と出力が明瞭なトランザクションの処理に非常に適しており、特にDeFiなどの予測可能なパスを持つプログラムに向いています。しかし、その天然の仮定はアカウントのアクセスが予測可能であり、状態依存が静的に推論できることです。これにより、複雑なスマートコントラクト(、例えばチェーンゲームやAIエージェントなどの動的な振る舞い)に直面する際、保守的な実行や並行度の低下の問題が発生しやすくなります。さらに、アカウント間の交差依存関係も、特定の高頻度取引シナリオにおいて並行処理の利得を著しく弱めています。この高性能パブリックチェーンのランタイムは、この点で高度な最適化を実現していますが、そのコアスケジューリング戦略は依然としてアカウント粒度の制限を受けています。

アカウントモデルを基にさらに詳細化し、オブジェクトレベルの並行性の技術的階層に入ります。オブジェクトレベルの並行性は、リソースとモジュールの意味的抽象を導入し、より細かい粒度の「ステートオブジェクト」を単位として並行スケジューリングを行います。次世代のLayer1プロジェクトの中には、この方向で重要な探索者がいます。特に、後者はMove言語の線形型システムを通じて、コンパイル時にリソースの所有権と可変性を定義し、実行時にリソースアクセスの競合を正確に制御することを可能にします。この方法はアカウントレベルの並行性に比べて、より汎用性と拡張性を持ち、より複雑な状態の読み書きロジックをカバーでき、ゲーム、ソーシャル、AIなどの高い異種性シナリオに自然に対応します。しかし、オブジェクトレベルの並行性は、より高い言語のハードルと開発の複雑さをもたらします。MoveはSolidityの直接的な代替ではなく、エコシステムの切り替えコストが高く、その並行性の範式の普及速度を制限しています。

さらに進んだトランザクションレベルの並行処理は、Monad、Sei、Fuelを代表とする新世代の高性能ブロックチェーンが探索している方向です。この道筋では、状態やアカウントを最小の並行単位として扱うのではなく、トランザクション全体に基づいて依存関係グラフを構築します。トランザクションは原子操作単位として扱われ、静的または動的分析を通じてトランザクショングラフ(Transaction DAG)を構築し、スケジューラーに依存して並行パイプライン実行を行います。この設計により、システムは基盤の状態構造を完全に理解することなく並行性を最大限に引き出すことが可能になります。Monadは特に注目に値し、楽観的並行制御(OCC)、並行パイプラインスケジューリング、乱序実行などの現代のデータベースエンジン技術を組み合わせることで、ブロックチェーンの実行を「GPUスケジューラー」のパラダイムに近づけます。実際には、このメカニズムは非常に複雑な依存管理者と衝突検出器を必要とし、スケジューラー自体がボトルネックになる可能性がありますが、その潜在的なスループット能力はアカウントまたはオブジェクトモデルをはるかに上回り、現在の並行計算の分野で最も理論的な上限を持つ力となっています。

そして、仮想マシンレベルの並行性は、並行実行能力を直接VMの低レベル命令スケジューリングロジックに組み込み、EVMのシーケンシャル実行の固定された制限を完全に突破することを目指します。MegaETHはイーサリアムエコシステム内の「スーパー仮想マシン実験」として、