Mapa panorâmico da pista de computação paralela Web3: a melhor solução de escalabilidade nativa?

I. Introdução: A aplicação da computação paralela na blockchain

O "trilema" da blockchain (Blockchain Trilemma) de "segurança", "descentralização" e "escalabilidade" revela o equilíbrio essencial no design de sistemas de blockchain, ou seja, é difícil para os projetos de blockchain alcançarem "segurança extrema, participação universal e processamento rápido" ao mesmo tempo. Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", as soluções de expansão de blockchain no mercado atual são classificadas de acordo com paradigmas, incluindo:

• Execução de escalabilidade melhorada: aumento da capacidade de execução no local, como paralelismo, GPU e múltiplos núcleos.
• Escalabilidade por isolamento de estado: divisão horizontal de estado / Shard, como fragmentos, UTXO, múltiplas sub-redes
• Escalabilidade em outsourcing fora da cadeia: colocar a execução fora da cadeia, por exemplo, Rollup, Coprocessador, DA
• Expansão por desacoplamento estrutural: modularidade da arquitetura, operação colaborativa, por exemplo, cadeias modulares, ordenadores compartilhados, Rollup Mesh
• Escalabilidade assíncrona e concorrente: modelo Actor, isolamento de processos, orientado a mensagens, como agentes, cadeias assíncronas de múltiplas threads.

As soluções de escalabilidade da blockchain incluem: computação paralela dentro da cadeia, Rollup, sharding, módulo DA, estrutura modular, sistema Actor, compressão de provas zk, arquitetura Stateless, entre outros, abrangendo múltiplos níveis de execução, estado, dados e estrutura, constituindo um sistema de escalabilidade completo de "colaboração em múltiplas camadas e combinação modular". Este artigo foca principalmente nas formas de escalabilidade com computação paralela como a principal.

Cálculo paralelo intra-chain (intra-chain parallelism), focando na execução paralela de transações / instruções dentro do bloco. De acordo com o mecanismo de paralelismo, suas formas de escalabilidade podem ser divididas em cinco grandes categorias, cada uma representando diferentes buscas de desempenho, modelos de desenvolvimento e filosofias de arquitetura, com a granularidade de paralelismo se tornando cada vez mais fina, a intensidade de paralelismo aumentando cada vez mais, a complexidade de agendamento também aumentando, assim como a complexidade de programação e a dificuldade de implementação.

• Paralelismo a nível de conta: representa o projeto Solana
• Paralelismo a nível de objeto (Object-level): representa o projeto Sui
• Nível de transação (Transaction-level): representa os projetos Monad, Aptos
• Nível de chamada / Micro VM em paralelo (Call-level / MicroVM): representa o projeto MegaETH
• Paralelismo a nível de instrução (Instruction-level): representa o projeto GatlingX

Modelo de concorrência assíncrona fora da cadeia, representado pelo sistema de entidades Actor (Modelo de Agente/Actor), que pertence a outra paradigma de computação paralela, como um sistema de mensagens intercadeias / assíncrono (modelo de não sincronização de blocos), onde cada Agente atua como um "processo inteligente independente", mensagens assíncronas em modo paralelo, acionadas por eventos, sem necessidade de agendamento sincronizado. Projetos representativos incluem AO, ICP, Cartesi, entre outros.

Os conhecidos Rollup ou soluções de escalabilidade em sharding pertencem a mecanismos de concorrência em nível de sistema e não a computação paralela dentro da cadeia. Eles alcançam escalabilidade através da "execução paralela de várias cadeias / domínios de execução", em vez de aumentar a paralelização dentro de um único bloco / máquina virtual. Este tipo de solução de escalabilidade não é o foco desta discussão, mas ainda assim vamos usá-la para comparar as semelhanças e diferenças na filosofia arquitetônica.

Dois, EVM Sistema de Cadeia Paralela Aprimorada: Superando Limites de Desempenho na Compatibilidade

A arquitetura de processamento em série do Ethereum evoluiu até hoje, passando por várias tentativas de escalabilidade, como sharding, Rollup e arquiteturas modularizadas, mas o gargalo de throughput na camada de execução ainda não teve uma ruptura fundamental. No entanto, o EVM e o Solidity continuam a ser as plataformas de contratos inteligentes com a maior base de desenvolvedores e potencial ecológico atualmente. Assim, a cadeia de melhoria paralela do EVM, que equilibra a compatibilidade ecológica e a melhoria do desempenho de execução, está se tornando uma direção importante na evolução das novas rodadas de escalabilidade. Monad e MegaETH são os projetos mais representativos nessa direção, construindo uma arquitetura de processamento paralelo do EVM voltada para cenários de alta concorrência e alto throughput, a partir da execução atrasada e da decomposição de estado, respectivamente.

Análise do mecanismo de computação paralela do Monad

Monad é uma blockchain Layer1 de alto desempenho redesenhada para a Máquina Virtual Ethereum (EVM), baseada no conceito fundamental de processamento em pipeline (Pipelining), com execução assíncrona na camada de consenso (Asynchronous Execution) e execução paralela otimista na camada de execução (Optimistic Parallel Execution). Além disso, na camada de consenso e armazenamento, Monad introduz um protocolo BFT de alto desempenho (MonadBFT) e um sistema de banco de dados dedicado (MonadDB), alcançando otimização de ponta a ponta.

Pipelining: Mecanismo de execução paralela em múltiplas etapas

Pipelining é o conceito fundamental da execução paralela de Monads, cuja ideia central é dividir o fluxo de execução da blockchain em várias fases independentes e processar essas fases em paralelo, formando uma arquitetura de pipeline tridimensional. Cada fase opera em threads ou núcleos independentes, permitindo o processamento concorrente entre blocos e, finalmente, alcançando um aumento na taxa de transferência e uma redução na latência. Essas fases incluem: Proposta de transação (Propose), Acordo de consenso (Consensus), Execução de transação (Execution) e Compromisso de bloco (Commit).

Execução Assíncrona: Consenso - Execução Assíncrona Desacoplada

Na cadeia tradicional, o consenso e a execução das transações geralmente são processos síncronos, e esse modelo sequencial limita severamente a escalabilidade de desempenho. A Monad implementou a "execução assíncrona" para alcançar a assíncronia na camada de consenso, na camada de execução e no armazenamento. Isso reduz significativamente o tempo de bloco e a latência de confirmação, tornando o sistema mais resiliente, com processos mais segmentados e maior eficiência na utilização de recursos.

Design de núcleo:

• O processo de consenso (camada de consenso) é responsável apenas pela ordenação das transações, não pela execução da lógica do contrato.
• O processo de execução (camada de execução) é acionado de forma assíncrona após a conclusão do consenso.
• Após a conclusão do consenso, entre imediatamente no processo de consenso do próximo bloco, sem necessidade de esperar pela conclusão da execução.

Execução Paralela Otimista: Execução Paralela Otimista

A Ethereum tradicional utiliza um modelo de execução de transações estritamente serial para evitar conflitos de estado. Por outro lado, o Monad adota uma estratégia de "execução paralela otimista", aumentando significativamente a taxa de processamento de transações.

Mecanismo de execução:

• Monad executará otimisticamente todas as transações em paralelo, assumindo que a maioria das transações não tem conflitos de estado.
• Executar simultaneamente um "Detector de Conflitos (Conflict Detector))" para monitorar se as transações acessaram o mesmo estado (como conflitos de leitura / escrita).
• Se um conflito for detectado, as transações em conflito serão serializadas e executadas novamente para garantir a correção do estado.

Monad escolheu um caminho compatível: altera o mínimo possível as regras do EVM, implementando paralelismo através do atraso na escrita do estado e detecção dinâmica de conflitos durante a execução, mais parecido com uma versão de desempenho do Ethereum. A sua maturidade facilita a migração do ecossistema EVM, sendo um acelerador de paralelismo no mundo EVM.

Análise do mecanismo de computação paralela do MegaETH

Diferente da localização L1 do Monad, o MegaETH é posicionado como uma camada de execução paralela de alto desempenho compatível com EVM, podendo atuar tanto como uma blockchain pública L1 independente quanto como uma camada de execução (Execution Layer) ou componente modular sobre o Ethereum. O objetivo central de seu design é desconstruir a lógica de contas, o ambiente de execução e o estado em unidades mínimas que podem ser agendadas de forma independente, a fim de alcançar uma execução de alta concorrência e baixa latência dentro da cadeia. A inovação chave proposta pelo MegaETH reside na arquitetura Micro-VM + State Dependency DAG (grafo acíclico dirigido de dependência de estado) e no mecanismo de sincronização modular, que, em conjunto, constroem um sistema de execução paralela voltado para "threading dentro da cadeia".

Micro-VM (Micro Virtual Machine) Architecture: Account as Thread

MegaETH introduziu o modelo de execução "uma Micro-Virtual Machine (Micro-VM) por conta", tornando o ambiente de execução "multithreaded" e fornecendo a menor unidade de isolamento para o agendamento paralelo. Essas VMs se comunicam entre si por meio de mensagens assíncronas, e não por chamadas síncronas, permitindo que várias VMs executem e armazenem de forma independente, naturalmente em paralelo.

Dependência de Estado DAG: Mecanismo de agendamento baseado em gráfico de dependência

MegaETH construiu um sistema de agendamento DAG baseado em relações de acesso ao estado da conta, que mantém em tempo real um gráfico de dependência global (Dependency Graph). Cada transação modela quais contas são modificadas e quais contas são lidas, tudo como relações de dependência. Transações sem conflitos podem ser executadas em paralelo diretamente, enquanto transações com relações de dependência serão agendadas em ordem topológica, em série ou adiadas. O gráfico de dependência garante a consistência do estado e a não duplicação de gravações durante o processo de execução paralela.

Execução assíncrona e mecanismo de callback

B

Em suma, o MegaETH rompe com o modelo tradicional de máquina de estados de thread única EVM, implementando encapsulamento de micro máquinas virtuais por unidade de conta, realizando agendamento de transações através de um gráfico de dependência de estado e substituindo a pilha de chamadas síncronas por um mecanismo de mensagens assíncronas. É uma plataforma de computação paralela redesenhada em todos os níveis a partir da "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", oferecendo uma nova abordagem paradigmática para a construção do próximo sistema de alta performance em blockchain.

MegaETH escolheu um caminho de reestruturação: abstrair completamente contas e contratos em uma VM independente, utilizando agendamento de execução assíncrona para liberar o máximo potencial de paralelismo. Em teoria, o limite de paralelismo do MegaETH é mais alto, mas também é mais difícil controlar a complexidade, assemelhando-se a um super sistema operacional distribuído sob a filosofia do Ethereum.

Monad e MegaETH têm conceitos de design bastante diferentes em relação ao sharding: o sharding divide a blockchain horizontalmente em várias sub-cadeias independentes (shards), cada uma responsável por parte das transações e estados, quebrando a limitação de uma única cadeia na camada de rede; enquanto Monad e MegaETH mantêm a integridade da cadeia única, expandindo horizontalmente apenas na camada de execução, otimizando a execução paralela extrema dentro da cadeia única para superar o desempenho. Ambos representam duas direções no caminho de escalabilidade da blockchain: reforço vertical e expansão horizontal.

Os projetos de computação paralela como Monad e MegaETH concentram-se principalmente em caminhos de otimização de throughput, com o objetivo central de aumentar o TPS na blockchain, realizando processamento paralelo em nível de transação ou conta, através da execução atrasada (Deferred Execution) e da arquitetura de micro-VM (Micro-VM). A Pharos Network, como uma rede blockchain L1 modular e full-stack, possui um mecanismo de computação paralela central chamado "Rollup Mesh". Esta arquitetura suporta um ambiente de múltiplas máquinas virtuais (EVM e Wasm) através do trabalho colaborativo da mainnet com redes de processamento especializadas (SPNs) e integra tecnologias avançadas como provas de conhecimento zero (ZK) e ambientes de execução confiável (TEE).

Análise do mecanismo de computação paralela Rollup Mesh:

1. Processamento Assíncrono de Pipeline de Ciclo de Vida Completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos desacopla as várias fases da transação (como consenso, execução, armazenamento) e adota um método de processamento assíncrono, permitindo que cada fase ocorra de forma independente e em paralelo, aumentando assim a eficiência do processamento geral.
2. Execução Paralela de Duas Máquinas Virtuais (Dual VM Parallel Execution): Pharos suporta dois ambientes de máquinas virtuais, EVM e WASM, permitindo que os desenvolvedores escolham o ambiente de execução adequado conforme suas necessidades. Esta arquitetura de dupla VM não apenas melhora a flexibilidade do sistema, mas também aumenta a capacidade de processamento de transações através da execução paralela.
3. Redes de Processamento Especiais (SPNs): As SPNs são componentes chave na arquitetura Pharos, semelhantes a sub-redes modularizadas, projetadas especificamente para processar tipos específicos de tarefas ou aplicações. Através das SPNs, o Pharos pode realizar alocação dinâmica de recursos e processamento paralelo de tarefas, aumentando ainda mais a escalabilidade e o desempenho do sistema.
4. Consenso Modular e Mecanismo de Re-staking (Modular Consensus & Restaking): A Pharos introduziu um mecanismo de consenso flexível, suportando vários modelos de consenso (como PBFT