Dans le monde de la blockchain, la vitesse et la scalabilité sont des défis constants. Bien que la sécurité et la décentralisation ne soient pas négociables, la capacité à traiter des milliers de transactions par seconde reste la priorité principale pour les développeurs. L'exécution parallèle est l'une des solutions les plus prometteuses à ce problème. En permettant aux transactions de s'exécuter simultanément, plutôt qu'une par une, cela pourrait potentiellement transformer la manière dont la blockchain gère les demandes à grande échelle.

Cet article détaillera ce qu'est l'exécution parallèle, comment cela fonctionne, les défis rencontrés et pourquoi cela pourrait devenir une fonctionnalité essentielle de l'architecture blockchain à l'avenir.

Comprendre l'exécution parallèle

Pour comprendre l'exécution parallèle, nous devons d'abord la comparer à l'exécution séquentielle, qui est la norme dans la plupart des réseaux blockchain d'aujourd'hui.

Dans l'exécution séquentielle, les transactions sont traitées une par une dans un ordre fixe. Même si deux transactions ne sont pas liées — par exemple, une transaction envoie des jetons entre Alice et Bob tandis qu'une autre met à jour un contrat intelligent pour Charlie — le réseau les traite toujours séquentiellement. Cela garantit le déterminisme mais peut également ralentir le processus, surtout à mesure que la demande augmente.

L'exécution parallèle change ce modèle. Au lieu de traiter les transactions dans un seul thread, la blockchain identifie les transactions qui n'interagissent pas avec les mêmes parties de données (état) et les exécute simultanément. Si deux transactions sont indépendantes — c'est-à-dire qu'elles ne lisent ni n'écrivent dans le même compte, contrat ou stockage — les deux peuvent s'exécuter en toute sécurité en même temps.

Imaginez un peu comme les CPU d'aujourd'hui : un processeur à cœur unique exécute une tâche à la fois, tandis qu'un processeur à cœurs multiples exécute de nombreuses tâches en parallèle, terminant ainsi le travail beaucoup plus rapidement.

Pourquoi la Blockchain a-t-elle besoin d'une exécution parallèle ?

La blockchain fait face à un trilemme de scalabilité : la difficulté de parvenir à la décentralisation, la sécurité et la scalabilité simultanément. Le modèle d'exécution séquentielle est facile à comprendre et sûr, mais limite considérablement le débit des transactions.

Les blockchains populaires comme Ethereum traitent environ 15 à 30 transactions par seconde (TPS) à leur couche de base. Bien que les solutions de couche 2 aident, la chaîne de base elle-même fait encore face à une demande élevée, entraînant des congestions réseau et des coûts élevés.

L'exécution parallèle aborde directement ces points de douleur en :

  • Augmenter le TPS sans avoir besoin d'une refonte totale du protocole

  • Réduire le temps de confirmation des transactions

  • Mieux exploiter les CPU multicœurs modernes et le matériel haute performance

  • Améliorer les performances de la couche de base sans compromettre la décentralisation

Comment fonctionne l'exécution parallèle

1. Analyse des dépendances

Avant d'exécuter des transactions en parallèle, la blockchain doit déterminer quelles transactions sont indépendantes. Cela se fait souvent par une analyse statique des données de transaction ou du bytecode des contrats intelligents. Par exemple, si deux transactions modifient le solde d'un même compte, elles doivent être exécutées séquentiellement pour éviter les conflits.

2. Planification des transactions

Une fois les dépendances cartographiées, les transactions sont regroupées en « lots » d'opérations indépendantes. Ces lots peuvent être exécutés sur différents threads CPU ou même sur différents GPU, selon la conception de la chaîne.

3. Gestion de l'État

L'exécution parallèle nécessite un contrôle strict de l'état pour éviter la concurrence des données ou des résultats incohérents. Il existe deux stratégies principales :

  • Contrôle de concurrence pessimiste : Des verrous sont placés sur les objets d'état afin qu'une seule transaction puisse les modifier à la fois.

  • Contrôle de concurrence optimiste : Les transactions sont exécutées sans verrou, mais les résultats sont validés par la suite. Si un conflit est détecté, certaines transactions seront annulées et réexécutées séquentiellement.

4. Support des machines virtuelles (VM)

De nombreuses machines virtuelles blockchain, telles que l'EVM Ethereum, sont conçues pour une exécution séquentielle. La mise en œuvre du parallélisme peut nécessiter une nouvelle VM ou une amélioration significative. Parmi les exemples, on trouve Move VM (utilisé dans Aptos et Sui) et Sealevel Solana, tous deux conçus en tenant compte de la concurrence.

Exemples réels d'exécution parallèle

Solana et Sealevel

La machine d'exécution Sealevel Solana est l'une des mises en œuvre d'exécution parallèle les plus avancées dans le monde réel. Cette machine analyse les transactions pour détecter les motifs d'accès aux comptes et les planifie sur plusieurs cœurs et GPU. Cette architecture aide Solana à atteindre des milliers de TPS dans des conditions idéales.

Aptos et Sui (Déplacer VM)

Cette blockchain utilise le langage de programmation Move et la VM, conçus en tenant compte de l'exécution parallèle. La VM peut exécuter des transactions de manière spéculative et annuler les conflits s'ils sont détectés, produisant ainsi un débit élevé sans compromettre la sécurité.

Recherche Ethereum

Ethereum fonctionne actuellement de manière séquentielle, mais la recherche sur le sharding et l'exécution parallèle pour l'EVM (ou VM basée sur Wasm à l'avenir) se poursuit. Des propositions comme EIP-648 et l'EVM parallèle expérimental explorent des moyens de traiter les transactions simultanément tout en maintenant les garanties de sécurité d'Ethereum.

Avantages de l'exécution parallèle

L'exécution parallèle offre divers avantages pour les réseaux blockchain :

  • Débit élevé : Traiter des milliers de transactions par seconde sans nécessiter d'infrastructure centralisée.

  • Latence plus faible : Les transactions sont confirmées plus rapidement, améliorant l'expérience utilisateur.

  • Meilleure utilisation du matériel : Les CPU et GPU multicœurs peuvent être pleinement exploités.

  • Compatibilité avec les stratégies de mise à l'échelle : Fonctionne bien avec le sharding, les roll-ups et le pipelining pour une plus grande scalabilité.

Défis de l'exécution parallèle

Bien que prometteuse, l'exécution parallèle n'est pas une solution miracle. L'exécution parallèle a ses propres défis :

  • Détection de dépendances complexes : Déterminer quelles transactions sont réellement indépendantes nécessite beaucoup de calcul.

  • Conflits d'état : Si deux transactions tentent de modifier les mêmes données, l'une des transactions doit être annulée et réessayée, ce qui ralentit les performances.

  • Exigences de déterminisme : Tous les nœuds doivent parvenir au même état final, même avec une exécution simultanée.

  • Implications de sécurité : Une parallélisation incorrecte peut permettre à des transactions malveillantes d'exploiter l'incohérence de l'état.

Exécution parallèle et technologies complémentaires

L'exécution parallèle fonctionne souvent en parallèle avec d'autres solutions de scalabilité :

  • Sharding : Diviser l'état de la blockchain en plusieurs « shards » pouvant traiter des transactions en parallèle.

  • Roll-up : Combiner de nombreuses transactions hors chaîne et les finaliser sur la chaîne, réduisant ainsi la charge sur la couche de base.

  • Contrats intelligents résistants à la concurrence : Les contrats peuvent être conçus pour minimiser l'état partagé, les rendant plus amicaux pour le parallèle.

Perspectives d'avenir

L'exécution parallèle est susceptible de devenir une fonctionnalité fondamentale des blockchains de prochaine génération. À mesure que l'adoption augmente, les développeurs se concentreront sur :

  • Analyse des dépendances transactionnelles plus efficace

  • Modèle d'exécution hybride combinant parallélisme et pipelining

  • VM conçue dès le départ pour la concurrence

  • Intégration avec l'accélération matérielle (GPU, exécution FPGA)

Si cela réussit, cette innovation rapprochera la blockchain de la performance des systèmes centralisés tout en préservant la décentralisation.

Conclusion

L'exécution parallèle représente un saut significatif en matière de scalabilité pour les blockchains. En traitant simultanément des transactions indépendantes, la blockchain peut atteindre un débit beaucoup plus élevé, une latence plus faible et une meilleure utilisation des ressources informatiques modernes. Bien que des défis techniques persistent, des projets comme Solana, Aptos et Sui montrent que l'exécution parallèle est viable et efficace dans des conditions réelles.

Avec la poursuite de la recherche et de plus en plus de blockchains adoptant cette technologie, l'exécution parallèle pourrait devenir une caractéristique fondamentale de l'architecture blockchain, tout comme le mécanisme de consensus lui-même.