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

O "Trilema da Blockchain" revela a essência das compensações no design de sistemas de blockchain, que são "segurança", "descentralização" e "escalabilidade", ou seja, é difícil para um projeto de blockchain alcançar simultaneamente "segurança extrema, participação universal e processamento rápido". Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", as principais soluções de escalonamento de blockchain no mercado atualmente são categorizadas de acordo com paradigmas, incluindo:

• Execução de escalabilidade aumentada: melhoria da capacidade de execução no local, como paralelismo, GPU e múltiplos núcleos.
• Escalabilidade com isolamento de estado: divisão horizontal do estado/Shard, como fragmentação, UTXO, múltiplas sub-redes
• Expansão do tipo de outsourcing off-chain: colocar a execução fora da cadeia, por exemplo, Rollup, Coprocessor, DA
• Expansão com desacoplamento de estrutura: modularidade da arquitetura, operação colaborativa, como cadeias modulares, ordenadores compartilhados, Rollup Mesh
• Expansão assíncrona e concorrente: Modelo Actor, isolamento de processos, impulsionado por mensagens, por exemplo, agentes, cadeia assíncrona multithread

As soluções de escalabilidade da blockchain incluem: computação paralela em cadeia, Rollup, sharding, módulo DA, estrutura modular, sistema Actor, compressão de prova zk, arquitetura Stateless, entre outros, abrangendo múltiplos níveis de execução, estado, dados e estrutura, constituindo um sistema de escalabilidade completo de "cooperação em múltiplas camadas e combinação modular". Este artigo foca na abordagem de escalabilidade predominantemente baseada em computação paralela.

Computação paralela 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 objetivos de desempenho, modelos de desenvolvimento e filosofias de arquitetura, com a granularidade paralela se tornando cada vez mais fina, a intensidade paralela aumentando cada vez mais, a complexidade de agendamento também aumentando, e a complexidade de programação e a dificuldade de implementação aumentando ainda mais.

• Paralelismo a nível de conta (Account-level): representa o projeto Solana
• Paralelismo a nível de objeto (Object-level): representa o projeto Sui
• Nível de transação (Transaction-level): representa o projeto Monad, Aptos
• Nível de chamada / MicroVM 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 inteligentes Actor (Modelo de Agente/Actor), que pertence a outro paradigma de computação paralela. Como um sistema de mensagens assíncronas entre cadeias (modelo de sincronização não em bloco), cada Agente atua como um "processo inteligente independente", comunicando-se de forma assíncrona por mensagens e eventos, sem necessidade de agendamento síncrono. Projetos representativos incluem AO, ICP, Cartesi, entre outros.

Os conhecidos Rollup ou soluções de escalabilidade por fragmentação pertencem a mecanismos de concorrência em nível de sistema, não se enquadrando no cálculo paralelo dentro da cadeia. Eles alcançam a escalabilidade através da "execução paralela de várias cadeias/domínios de execução", em vez de aumentar a paralelidade dentro de um único bloco/máquina virtual. Este tipo de solução de escalabilidade não é o foco principal deste artigo, mas ainda assim o utilizaremos para comparar as semelhanças de conceitos arquitetônicos.

II. EVM Sistema de Cadeia Paralela Aumentada: Superando Limites de Desempenho na Compatibilidade

A arquitetura de processamento em série do Ethereum desenvolveu-se até hoje, passando por várias tentativas de escalabilidade, como sharding, Rollup e arquitetura modular, 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. Portanto, a cadeia paralela do EVM, que equilibra a compatibilidade ecológica e a melhoria do desempenho de execução, está se tornando uma direção importante na nova rodada de evolução da 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 de atraso 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 do Ethereum (EVM), baseada no conceito fundamental de processamento em pipeline (Pipelining), com execução assíncrona na camada de consenso (Asynchronous Execution) e concorrência otimista na camada de execução (Optimistic Parallel Execution). Além disso, nas camadas de consenso e armazenamento, Monad introduz protocolos 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 básico da execução paralela de Monads, e sua 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, onde cada fase opera em threads ou núcleos independentes, realizando o processamento concorrente entre blocos, alcançando assim 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 em série limita seriamente a escalabilidade de desempenho. A Monad implementou a "execução assíncrona" para tornar a camada de consenso assíncrona, a camada de execução assíncrona e o armazenamento assíncrono. Isso reduz significativamente o tempo de bloco e a latência de confirmação, tornando o sistema mais resiliente, com processos mais segmentados e uma maior utilização de recursos.

Design central:

• O processo de consenso (camada de consenso) é responsável apenas por ordenar as transações, não por executar a lógica dos contratos.
• 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 precisar esperar pela conclusão da execução.

Execução Paralela Otimista: Execução Paralela Otimista

O Ethereum tradicional adota um modelo de execução de transações estritamente serial, para evitar conflitos de estado. Por outro lado, o Monad utiliza 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 "Detetor 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 reexecutadas para garantir a correção do estado.

Monad escolheu um caminho compatível: minimizando a alteração das regras do EVM, implementando a execução paralela através do adiamento da escrita de estado e da detecção dinâmica de conflitos, assemelhando-se mais a uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade e fácil migração do ecossistema EVM, sendo um acelerador paralelo no mundo EVM.

Análise do mecanismo de computação paralela do MegaETH

Diferente do posicionamento L1 do Monad, o MegaETH é posicionado como uma camada de execução paralela de alto desempenho e modular compatível com EVM, podendo atuar tanto como uma blockchain pública L1 independente quanto como uma camada de aprimoramento de execução (Execution Layer) ou componente modular na Ethereum. Seu objetivo central de design é desconstruir a lógica da conta, o ambiente de execução e o estado em unidades mínimas que podem ser agendadas de forma independente, para alcançar alta execução concorrente e baixa latência dentro da cadeia. A inovação chave proposta pelo MegaETH é a Arquitetura Micro-VM + DAG de Dependência de Estado (Directed Acyclic Graph) e mecanismo de sincronização modular, que juntos constroem um sistema de execução paralela voltado para "threading dentro da cadeia".

Arquitetura Micro-VM (máquina virtual micro): conta é igual a thread

MegaETH introduziu o modelo de execução "um Micro-VM por conta", tornando o ambiente de execução "multi-threaded", fornecendo a menor unidade de isolamento para agendamento paralelo. Esses VMs se comunicam entre si através de mensagens assíncronas, em vez de chamadas síncronas, permitindo que um grande número de VMs execute de forma independente e armazene de forma independente, sendo naturalmente paralelas.

Dependência de Estado DAG: Mecanismo de Agendamento Baseado em Gráfico de Dependência

MegaETH construiu um sistema de agendamento baseado em um DAG (Directed Acyclic Graph) que acessa relações de estado de contas. O sistema mantém em tempo real um gráfico de dependência global (Dependency Graph), modelando quais contas são modificadas e lidas em cada transação como relações de dependência. Transações sem conflitos podem ser executadas em paralelo diretamente, enquanto transações com relações de dependência serão agendadas em ordem topológica, de forma serial ou adiada. O gráfico de dependência garante a consistência do estado e a não duplicação de gravações durante o processo de execução em paralelo.

Execução assíncrona e mecanismo de callback

B

Em suma, o MegaETH quebra o modelo tradicional de máquina de estado unidimensional EVM, implementando o encapsulamento de micromáquinas virtuais por unidade de conta, através do agendamento de transações com gráficos 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 todas as dimensões de "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", fornecendo uma nova abordagem paradigmática para a construção de sistemas de alta performance na próxima geração de blockchain.

MegaETH escolheu um caminho de reestruturação: abstrair completamente contas e contratos em uma VM independente, liberando o potencial extremo de paralelismo através de agendamento de execução assíncrona. Em teoria, o limite de paralelismo do MegaETH é mais alto, mas também é mais difícil controlar a complexidade, parecendo mais 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-chains independentes (shards), cada uma responsável por parte das transações e estados, quebrando as limitações de uma única cadeia para expansão em nível de rede; enquanto Monad e MegaETH mantêm a integridade da cadeia única, apenas expandindo horizontalmente na camada de execução, otimizando a execução paralela extrema dentro da cadeia única para superar o desempenho. Ambos representam as duas direções de fortalecimento vertical e expansão horizontal no caminho de escalabilidade da blockchain.

Os projetos de computação paralela, como Monad e MegaETH, concentram-se principalmente na otimização do throughput, com o objetivo central de melhorar o TPS dentro da cadeia, realizando processamento paralelo a nível de transação ou conta através da execução diferida (Deferred Execution) e da arquitetura de micromáquinas virtuais (Micro-VM). O Pharos Network, como uma rede de blockchain L1 modular e full-stack paralela, possui um mecanismo de computação paralela central chamado "Rollup Mesh". Esta arquitetura, através da colaboração entre a mainnet e as redes de processamento especializadas (SPNs), suporta ambientes de múltiplas máquinas virtuais (EVM e Wasm), e integra tecnologias avançadas como provas de conhecimento zero (ZK) e ambientes de execução confiáveis (TEE).

Análise do mecanismo de computação paralela Rollup Mesh:

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