9件の並列EVM研究をまとめる：議論の焦点は何か？
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9件の並列EVM研究をまとめる：議論の焦点は何か？
その生態と特性について深く分析する。
Web3業界の深掘り報道に専念し潮流を洞察執筆：0xNatalie
TL;DR
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並列処理EVMはParadigmやDragonflyといったトップクラスのVCから注目を集めており、Monad、MegaETH、Artela、BNB、Sei Labs、Polygonなど多くのプロジェクトがこの分野への取り組みを開始している。
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並列処理EVMは単に並列化を実現するだけでなく、EVM各コンポーネントの包括的なパフォーマンス最適化も含まれており、より複雑かつ効率的なブロックチェーンアプリケーションを支える。
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並列処理EVMは、オープンソースエコシステム内で差別化を図りつつ、非中央集権性と高性能のバランスを取り、潜在的なセキュリティ課題や市場受容性の壁にも対応しなければならない。マルチスレッドプログラミングの複雑さを伴うため、複数のトランザクションを同時に処理する際の調整が難しく、システムの安定性と安全性を確保する有効な解決策が求められる。
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将来、並列処理EVMはオンチェーンの中央制限注文簿（CLOB）およびプログラマブルCLOB（pCLOB）の実現を推進し、DeFi活動の効率を飛躍的に高め、DeFiエコシステムの大幅な成長が予想される。
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他の高性能仮想マシン（AltVM）をイーサリアムエコシステムに統合することで、パフォーマンスとセキュリティが大きく向上する。これにより、各VMの強みを活かしつつ、イーサリアムのさらなる発展が促進される。
今年、並列処理EVMはParadigmやDragonflyといった主要ベンチャーキャピタルからの投資を受け、市場の広範な注目を集めている。並列処理EVMは従来のEVMの最適化・アップグレードである。伝統的なEVMは逐次処理であり、トランザクションが一つずつ順番に実行される。この方式では取引ピーク時に混雑や遅延が生じやすく、ユーザー体験に悪影響を及ぼす。一方、並列処理EVMは並列処理技術を導入し、独立した複数のトランザクションを同時に実行可能にすることで、処理速度を大幅に向上させる。フルチェーンゲームやアカウント抽象ウォレットといった複雑なアプリケーションの登場に伴い、ブロックチェーンのパフォーマンスに対する要求は高まっている。より多くのユーザーをサポートするには、ネットワークが大量のトランザクションを迅速かつ効率的に処理できる能力が不可欠である。このため、進化するWeb3アプリにとって並列処理EVMは極めて重要なソリューションとなっている。
しかし、並列処理EVMの実装には以下の共通課題があり、これらにはシステムの安定稼働を保証するための精密な技術的対応が求められる：
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データ一貫性：並列EVMでは複数のトランザクションが同時進行するため、複数の操作が同一アカウントの情報を同時に読み書きしようとする可能性がある。すべての操作が最終状態に正しく反映されるよう、ロック機構またはトランザクション処理機構を採用し、状態変更時のデータ一貫性を維持する必要がある。
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状態アクセス効率：並列EVMは状態の高速なアクセスと更新が求められ、そのためには効率的な状態ストレージと検索メカニズムが必要となる。ストレージ構造やアクセスパスの最適化、先進的なデータインデックス技術やキャッシュ戦略の採用により、データアクセス遅延を大幅に削減し、全体のシステム性能を向上できる。
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トランザクション衝突検出：並列実行では、複数のトランザクションが同じデータ状態に依存する可能性があり、順序や依存関係の管理が複雑になる。そのため、複雑なスケジューリングアルゴリズムを設計して並列トランザクション間の依存関係を識別・管理し、潜在的な衝突を検出し、その扱いを決定することで、並列実行結果が逐次実行と一致することを保証しなければならない。
例えば、MegaETHはトランザクション実行タスクを全ノードから分離し、専門化されたノードに異なるタスクを割り当てることで、システム全体のパフォーマンスを最適化している。ArtelaはAIによる取引間の依存関係分析を行い、予測型楽観的実行と非同期プリロード技術を用いて必要な状態を事前にメモリに読み込むことで、状態アクセス効率を向上させている。BNBチェーンは専用の衝突検出器と再実行メカニズムを開発し、トランザクション依存関係の管理能力を強化し、不要な再実行を削減している。
並列処理EVMの今後の方向性を深く理解するために、以下ではこのテーマに関する9本の優れた記事を厳選し、各チェーンの具体的な実装方法、エコシステム総合研究、将来展望など多角的な視点を提供する。
MegaETH: Unveiling the First Real-Time Blockchain
著者：MegaETH、日付：2024.6.27
MegaETHは、EVM互換のLayer 2で、Web2サーバー並みのリアルタイム性能を実現することを目指している。イーサリアムL2のパフォーマンスをハードウェア限界まで引き上げることを目標としており、高いトランザクションスループット、豊富な計算能力、ミリ秒単位のレスポンスタイムを提供し、開発者がパフォーマンス制約なく複雑なアプリケーションを構築・統合できるようにする。
MegaETHは、トランザクション実行タスクを全ノードから分離し、並列処理技術を導入することでパフォーマンスを向上させる。そのアーキテクチャは、主に3つの役割から成る：シーケンサー、バリデーター、フルノード。
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シーケンサー（Sequencer）：ユーザーが提出したトランザクションの順序付けと実行を行う。実行後、ポイントツーポイント（p2p）ネットワークを通じて、トランザクションの状態変化（ステートディファレンシャル）をフルノードに送信する。
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フルノード（Full Node）：ステートディファレンシャルを受信後、トランザクションを再実行せず、そのままローカルブロックチェーン状態を更新する。これにより計算リソースの消費が大幅に削減され、システム全体の効率が向上する。
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バリデーター（Prover）：ステートレス検証方式を使用してブロックを検証する。順番に1つずつ検証する必要はなく、複数のブロックを同時に検証できる。これにより検証の効率とスピードがさらに高まる。
このようなノードの専門化設計により、各ノードタイプが機能に応じて独立したハードウェア要件を設定できる。たとえば、シーケンサーには大量のトランザクションを処理するための高性能サーバーが必要だが、フルノードやバリデーターは比較的低スペックのハードウェアでも動作可能である。
Presenting Artela Scalability Whitepaper - Parallel Execution Stack and Elastic Block Space
著者：Artela、日付：2024.6.20
Artelaは、複数のキーテクノロジーを導入することで、ブロックチェーンの並列実行効率と全体的なパフォーマンスを大幅に向上させている：
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並列実行：トランザクションの依存性を予測し、グループ化することで、複数のCPUコアを活用して並列処理を行い、計算効率を向上させる。
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並列ストレージ：ストレージ層を最適化し、並列データ処理をサポートすることで、ストレージボトルネックを回避し、システム全体のパフォーマンスを向上させる。
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弾力的コンピューティング：複数のコンピュータが協調して作業する仕組みをサポートし、弾力的なコンピューティングノードとブロック空間を実現することで、dAppsに高いトランザクションスループットと予測可能なパフォーマンスを提供する。
具体的には、Artelaの予測型楽観的実行はAIを用いてトランザクションとコントラクト間の依存関係をスマートに分析し、衝突が発生する可能性のあるトランザクションを予測してグループ化することで、衝突や再実行を削減する。システムは動的に過去のトランザクションの状態アクセス情報を蓄積・保存し、予測アルゴリズムに利用する。非同期プリロードにより、必要なトランザクション状態を実行前にメモリに読み込むことで、I/Oボトルネックを回避する。また、並列ストレージは状態コミットメントとストレージ操作を分離することで、MerkelizationおよびI/O性能を最適化する。この分離処理により、並列操作と非並列操作を独立して管理でき、システムの並列化効率がさらに向上する。
さらに、Artelaは弾力的コンピューティングに基づき、弾力的ブロック空間（EBS）を構築している。従来のブロックチェーンでは、すべてのdAppが同じブロック空間を共有しており、高トラフィックのdApp同士でリソース争奪が起こり、ガス代の不安定やパフォーマンスの予測不能を招いていた。弾力的ブロック空間は、dAppに専用かつ動的に拡張可能なブロック空間を提供し、パフォーマンスの予測可能性を保証する。dAppは需要に応じて専用ブロック空間を申請でき、ブロック空間の増加に伴い、バリデーターは弾力的実行ノードを追加することで処理能力を拡張し、リソースの効率的利用を図り、異なるトランザクション量に対応できる。
Road to High Performance: Parallel EVM for BNB Chain
著者：BNB Chain、日付：2024.2.16
BNBチェーン上では、トランザクション処理能力とスケーラビリティを高めるために、並列EVMの実現に向けて複数のステップを踏んでいる。以下は、BNBチェーンが並列EVM実現のために行った主な取り組みである。
並列EVM v1.0
2022年初頭、BNBチェーンコミュニティは並列EVMの実行を推進し、以下のコアコンポーネントを整備した：
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スケジューラー：トランザクションを異なるスレッドに割り当て、並列実行することでスループットを最適化する。
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並列実行エンジン：並列処理を活用し、専用スレッド上でトランザクションを独立して実行することで、処理時間を大幅に短縮する。
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ローカル状態データベース：各スレッド（命令実行の基本単位）が自身の「スレッドローカル」状態データベースを維持し、実行中の状態アクセス情報を効率的に記録する。
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衝突検出と再実行：データ完全性を確保するため、依存関係を検出し管理し、衝突が発生した場合はトランザクションを再実行して結果の正確性を保証する。
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状態コミットメカニズム：トランザクションの実行が完了すると、結果をシームレスにグローバル状態データベースにコミットし、ブロックチェーンの全体状態を更新する。
並列EVM v2.0
並列EVM 1.0の基盤の上に、BNBチェーンコミュニティは一連の性能向上イノベーションを導入した：
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ストリーミングパイプライン：実行効率を向上させ、並列エンジン内でのトランザクション処理を円滑にする。
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ユニバーサル未確認状態アクセス：状態情報へのアクセスを最適化し、あるトランザクションが完了して正式確認されていない段階でも、他のトランザクションが一時的にその結果を利用できるようにすることで、トランザクション間の待ち時間を削減する。
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衝突検出器 2.0：強化された衝突検出メカニズムにより、性能と正確性を向上させ、データ完全性を保ちつつ不要な再実行を削減する。
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スケジューラー強化：静的および動的スケジューリング戦略を活用することで、ワークロードのより効率的な分配とリソース利用の最適化を実現する。
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メモリ最適化：共有メモリプールと軽量コピー技術により、メモリ使用量を大幅に削減し、システムパフォーマンスをさらに向上させる。
並列EVM v3.0
並列EVM 2.0で性能向上を果たした後、BNBチェーンコミュニティは並列EVM 3.0の開発を積極的に進めている。その目標は以下の通り：
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再実行の削減または排除：「ヒント（Hints）」に基づくスケジューラーを導入し、外部のヒントプロバイダーがトランザクションを分析して潜在的な状態アクセス衝突を予測する。これらのヒントを用いることで、トランザクションのスケジューリングをより適切に行い、衝突を減らし、再実行の必要性を低下させる。
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モジュール化：コードを独立したモジュールに分割し、保守性を高め、さまざまな環境への適応を容易にする。
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コードベースのリファクタリング：最新のBSC/opBNBコードベースに整合させ、互換性を確保し、統合を簡素化する。
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徹底的なテストと検証：さまざまなシナリオやワークロード下での広範なテストを行い、ソリューションの安定性と信頼性を保証する。
Sei’s Parallel Stack
著者：Sei、日付：2024.3.13
Sei Labsは、並列処理技術をサポートするLayer 2ソリューションの構築を目的としたオープンソースフレームワーク「Parallel Stack」を開発した。Parallel Stackの核心的利点はその並列処理能力にあり、現代のハードウェアの進歩を活用してトランザクション手数料を削減する。このフレームワークはモジュラー設計を採用しており、開発者が特定のニーズに応じて機能モジュールを追加・修正できるため、さまざまなユースケースやパフォーマンス要件に対応できる。Parallel Stackは既存のイーサリアムエコシステムとシームレスに統合可能であり、これを利用するアプリや開発者は大きな修正や調整なしに、イーサリアムの既存インフラやツールを直ちに活用できる。
トランザクションおよびスマートコントラクトの安全な実行を確保するため、Parallel Stackはトランザクション署名検証、スマートコントラクト監査、異常トランザクション検出システムなど、複数のセキュリティプロトコルと検証メカニズムを導入している。Parallel Stack上でアプリの構築・デプロイを容易にするため、Sei Labsは一連の開発者ツールとAPIを提供しており、開発者がParallel Stackの高性能とスケーラビリティを最大限に活用できるように支援し、イーサリアムエコシステムのさらなる発展を推進している。
Innovating the Main Chain: a Polygon PoS Study in Parallelization
著者：Polygon Labs、日付：2022.12.1
Polygon PoSチェーンは並列EVMのアップグレードを導入することで、トランザクション処理速度が2倍に向上した。これは最小元データ法の導入によるものである。
PolygonはAptos Labsが開発したBlock-STMエンジンの原理を参考に、自社のニーズに合わせた最小元データ法を開発した。Block-STMエンジンは革新的な並列実行メカニズムで、すべてのトランザクション間に衝突がないと仮定する。実行中に各トランザクションのメモリ操作を監視し、依存関係を識別・マークし、衝突のあるトランザクションを再スケジューリングして検証することで、結果の正確性を保証する。
最小元データ法は、ブロック内のすべてのトランザクションの依存関係を記録し、有向非巡回グラフ（DAG）に格納する。ブロック提案者とバリデーターはまずトランザクションを実行し、依存関係を記録してメタデータとして添付する。このブロックがネットワーク内の他のノードに伝播されるとき、依存関係情報がすでに含まれているため、再検証にかかる計算およびI/O負荷が削減され、検証効率が向上する。また、依存関係の記録によってトランザクション実行パスが最適化され、衝突が最小限に抑えられる。
並列EVMとは何か？あるいはEVM覇権下の終焉か？
著者：ChainFeeds創業者 Zhixiong Pan、日付：2024.3.28
並列EVM技術は、Paradigm、Jump、Dragonflyを含むトップクラスのリスク資本から注目と投資を受けている。これらの資本は、並列EVMが既存のブロックチェーン技術のパフォーマンス制限を突破し、より効率的なトランザクション処理と幅広い応用可能性を実現すると期待している。
並列EVMという言葉は文字通り「並列化」を意味するが、実際にはそれ以上の技術的改善を含んでいる。並列EVMは複数のトランザクションやタスクを同時に処理できるようにするだけでなく、イーサリアムEVMの各コンポーネントに対して深いパフォーマンス最適化を行っている。データアクセス速度の改善、計算効率の向上、状態管理の最適化など多方面にわたり、その取り組みはEVM規格下における性能限界を示す可能性が高い。
技術的課題に加え、並列EVMはエコシステム構築と市場受容という難題にも直面している。オープンソースエコシステム内で差別化を図り、非中央集権性と高性能の間で適切なバランスを見つける必要がある。市場受容に関しては、業界内外に対して並列化がもたらす真のパフォーマンス向上とコストメリットを証明しなければならない。特に、多数のイーサリアムアプリケーションとスマートコントラクトが既に安定稼働している中で、新プラットフォームへの移行インセンティブは非常に明確でなければならない。さらに、並列EVMの普及には潜在的なセキュリティ問題や新たな技術的欠陥の解決も必要であり、システムの安定性とユーザー資産の安全性を確保することが、新技術の広範な採用を推進する上で重要である。
Death, Taxes, and EVM Parallelization
著者：Reforge Research、日付：2024.4.1
並列EVMの導入により、オンチェーンの中央制限注文簿（Central Limit Order Books, CLOB）の実現可能性が高まり、DeFi活動が大幅に増加すると予想される。
CLOBでは、注文が価格と時間の優先順位に基づいて並べられ、市場の公正性と透明性が確保される。しかし、イーサリアムなどのブロックチェーンプラットフォームでCLOBを実装する場合、処理能力と速度の制限により、高遅延と高トランザクションコストが生じることが多い。並列EVMを導入することで、ネットワークの処理能力と効率が大きく強化され、DeFi取引所がより迅速かつ効率的な注文マッチングと執行を実現できるようになる。これにより、CLOBの実現が可能となる。
これを基に、プログラマブルCLOB（pCLOB）はCLOBの機能をさらに拡張する。pCLOBは基本的な売買注文マッチングに加え、開発者が注文の提出・実行プロセスにカスタムスマートコントラクトロジックを埋め込めるようにする。これらのカスタムロジックは、追加の検証、実行条件の判定、取引手数料の動的調整などに利用できる。注文簿にスマートコントラクトを組み込むことで、pCLOBは柔軟性と安全性を高め、より複雑な取引戦略や金融商品をサポートできる。並列EVMが提供する高性能と高並列処理能力を活用することで、pCLOBは非中央集権型環境においても、従来の金融取引所並みの複雑かつ効率的な取引機能を実現できる。
しかし、並列EVMがブロックチェーンパフォーマンスに顕著な向上をもたらす一方で、既存のイーサリアム仮想マシン（EVM）およびスマートコントラクトのセキュリティには依然不足があり、ハッカー攻撃を受けやすい。これらの問題を解決するため、筆者はデュアルVM（dual VM）アーキテクチャの採用を提唱している。このアーキテクチャでは、EVMに加えて別の仮想マシン（例：CosmWasm）を導入し、EVMスマートコントラクトの実行状況をリアルタイムで監視する。この独立VMの機能は、OS内のウイルス対策ソフトのようなもので、高度な検出と防御が可能となり、ハッキングリスクを低減できる。将来的には、Arbitrum StylusやArtelaといった新興ソリューションが、こうしたデュアルVMアーキテクチャの実現に成功すると期待されている。このアーキテクチャにより、これらの新システムは初めからリアルタイム保護やその他の重要なセキュリティ機能をより良く組み込めるようになる。
EVM互換性を維持しつつ、拡張性をさらに高める次の一手とは？
著者：SevenX Ventures 研究員 Grace Deng、日付：2024.4.5
SolanaやSuiといった新しいLayer 1は、まったく新しい仮想マシン（VM）とプログラミング言語を用い、並列実行、新しいコンセンサスメカニズム、データベース設計を採用することで、従来のLayer 2やLayer 1よりも高いパフォーマンスを提供している。しかし、これらのシステムはEVMと互換性がなく、流動性不足やユーザー・開発者の参入障壁が高くなる。一方、BNBやAVAXといったEVM互換のLayer 1ブロックチェーンは、コンセンサス層での改善はあるものの、実行エンジンの変更が少なく、パフォーマンス向上は限定的である。
並列EVMは、EVM互換性を犠牲にすることなくパフォーマンスを向上できる。例えば、Sei V2は楽観的同時制御（OCC）を採用し、新しい状態ツリー（IAVL trie）を導入することで読み書き効率を向上させている。Canto Cycloneは最新のCosmos SDKおよびABCI 2.0技術、さらにインメモリIAVL状態ツリーを用いて状態管理システムを最適化している。Monadは、高スループット、非中央集権性、EVM互換性を兼ね備えた全く新しいLayer 1ソリューションを提案しており、OCC、新しい並列アクセスデータベース、Hotstuffに基づくMonadBFTコンセンサスを採用している。
加えて、Rust開発をサポートする他の高性能VM（AltVM）— 例えばSolanaのSealevelやNearのWASM-based VM — をイーサリアムエコシステムに統合することも検討できる。これによりEVM非互換の問題を解決できるだけでなく、Rust開発者をイーサリアムエコシステムに取り込み、全体のパフォーマンスとセキュリティを向上させるとともに、新たな技術的可能性を開くことができる。
万字解説：並列EVMとは？ブロックチェーンのパフォーマンスボトルネックをどう突破するか
著者：Gryphsis Academy、日付：2024.4.5
並列EVMは主に実行層のパフォーマンス最適化である。Layer 1ソリューションとLayer 2ソリューションの2種類に分けられる。Layer 1のソリューションは、トランザクションの並列実行メカニズムを導入し、仮想マシン内で可能な限り並列に実行させる。Layer 2のソリューションは本質的に、すでに並列化されたLayer 1の仮想マシンを用いて、ある種のオフチェーン実行＋オンチェーン決済を実現する。将来、Layer 1の分野では並列EVMと並列非EVMの二大勢力が形成され、Layer 2の分野ではブロックチェーン仮想マシンエミュレータまたはモジュラー型ブロックチェーンの方向へ進展すると考えられる。
並列実行メカニズムは主に以下の3種類に分けられる：
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メッセージパッシングモデル：各実行者（actor）は自身のプライベートデータにのみアクセスでき、他のデータにアクセスするにはメッセージ経由で行う。
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共有メモリモデル：共有リソースへのアクセスをメモリロックで制御する。メモリロックモデルと楽観的並列化に分類される。
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厳密な状態アクセスリスト：UTXOモデルに基づき、各トランザクションがアクセスするアカウントアドレスを事前に計算し、アクセスリストを作成する。
異なるプロジェクトは並列実行メカニズムの実装において異なる戦略を採っている：
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Sei v2：メモリロックモデルから楽観的並列化モデルへ移行し、潜在的なデータ競合を最適化。
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Monad：スーパースカラーパイプライン技術と改良された楽観的並列メカニズムを導入し、最大10,000 TPSのパフォーマンスを実現。
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Canto：Cyclone EVMを導入し楽観的並列化を採用し、分散型金融インフラに革新をもたらす。
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Fuel：モジュラー型イーサリアムrollupオペレーティングシステムとして、UTXOモデルと楽観的並列化メカニズムを採用し、トランザクションスループットを向上。
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Neon、Eclipse、Lumio：複数のLayer 1チェーンの能力を統合し、クロスエコシステムでのパフォーマンス向上を提供。デュアルVMサポート戦略を採用。
並列EVMは有効なソリューションを提供する一方で、新たなセキュリティ課題ももたらす。並列実行はマルチスレッドプログラミングを導入し、システムの複雑性を高める。マルチスレッドプログラミングでは、競合状態（race condition）、デッドロック（dead lock）、ライブロック（live lock）、スターベーション（starvation）などが発生しやすく、システムの安定性と安全性に影響を与える。また、新たなセキュリティリスクも生まれる。例えば、悪意あるトランザクションがシステムの並列実行メカニズムを悪用し、データ不整合や競合攻撃を仕掛ける可能性がある。
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