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

I. Contexto: O tema eterno da escalabilidade da blockchain

O "trilema" da blockchain (Blockchain Trilemma) de "segurança", "descentralização" e "escalabilidade" revela a essência das compensações no design de sistemas de blockchain, ou seja, é difícil para projetos de blockchain alcançar simultaneamente "segurança extrema, participação universal e processamento rápido". Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", as principais soluções de escalabilidade de blockchain disponíveis no mercado são classificadas por paradigmas, incluindo:

• Execução de escalabilidade aprimorada: aumento da capacidade de execução no local, como paralelismo, GPU e múltiplos núcleos.
• Isolamento de estado para escalabilidade: divisão horizontal do estado / Shard, como fragmentos, UTXO, múltiplas sub-redes
• Expansão do tipo off-chain outsourcing: colocar a execução fora da cadeia, por exemplo, Rollup, Coprocessor, DA
• Expansão com desacoplamento estrutural: modularização da arquitetura, operação colaborativa, como cadeias modulares, ordenadores partilhados, Rollup Mesh
• Escalabilidade assíncrona e concorrente: Modelo Actor, isolamento de processos, orientado a mensagens, como agentes, cadeia assíncrona de múltiplas threads.

As soluções de escalabilidade da blockchain incluem: computação paralela em cadeia, Rollup, sharding, módulos 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 completo de escalabilidade que é "multicamadas e modular". Este artigo foca principalmente na abordagem de escalabilidade baseada em computação paralela.

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 cada vez mais fina, a intensidade de paralelismo cada vez mais alta, a complexidade de agendamento também cada vez mais alta, e a complexidade de programação e dificuldade de implementação também aumentando.

• 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 / Micro VM em paralelo (Call-level / MicroVM): representa o projeto MegaETH
• Paralelismo em nível de instrução (Instruction-level): representa o projeto GatlingX

Modelo de concorrência assíncrona fora da cadeia, representado pelo sistema de agentes (Modelo de Agente / Ator), que pertence a um outro paradigma de computação paralela, como um sistema de mensagens assíncronas / intercadeias (modelo não sincronizado de bloco), onde cada Agente funciona como um "processo inteligente" independente, enviando mensagens de forma assíncrona em paralelo, acionado por eventos, sem necessidade de agendamento de sincronização, representando projetos como AO, ICP, Cartesi, entre outros.

Os conhecidos Rollup ou soluções de escalonamento por fragmentação pertencem a mecanismos de concorrência a nível de sistema e não a cálculos paralelos dentro da cadeia. Eles realizam a escalabilidade através da "execução paralela de múltiplas cadeias / domínios de execução", em vez de aumentar a paralelização dentro de um único bloco / máquina virtual. Essas soluções de escalonamento não são o foco principal deste artigo, mas ainda as utilizaremos para comparar as semelhanças e diferenças dos conceitos arquitetónicos.

2. EVM Chain Paralelamente Aumentada: Superando os 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 modularidade, mas o gargalo de throughput na camada de execução ainda não foi superado de forma fundamental. Ao mesmo tempo, EVM e Solidity continuam sendo as plataformas de contratos inteligentes com a maior base de desenvolvedores e potencial ecológico atualmente. Portanto, a cadeia melhorada em paralelo da EVM se torna um caminho crucial que equilibra a compatibilidade ecológica e a melhoria do desempenho de execução, e 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 da EVM voltada para cenários de alta concorrência e alto throughput, a partir da execução atrasada e da decomposição de estados, respectivamente.

Análise do mecanismo de computação paralela do Monad

Monad é uma blockchain de alto desempenho Layer 1, 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 (Optimistic Parallel Execution) na camada de execução. Além disso, nas camadas de consenso e armazenamento, Monad introduz, respetivamente, um protocolo BFT de alto desempenho (MonadBFT) e um sistema de banco de dados dedicado (MonadDB), realizando 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. Cada fase é executada em threads ou núcleos independentes, permitindo o processamento concorrente entre blocos, com o objetivo final de aumentar a taxa de transferência e reduzir a latência. Essas fases incluem: Proposição de transação (Propose), Acordo de consenso (Consensus), Execução de transação (Execution) e Compromisso de bloco (Commit).

Execução assíncrona: Consenso - Executa o desacoplamento assíncrono

Na cadeia tradicional, o consenso e a execução das transações geralmente são processos síncronos, e esse modelo serial limita severamente a escalabilidade de desempenho. Monad implementou a "execução assíncrona" para conseguir consenso assíncrono, execução assíncrona e 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 utilização de recursos mais eficiente.

Design central:

• O processo de consenso (camada de consenso) é responsável apenas por ordenar transações, não executa 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, entra-se imediatamente no processo de consenso do próximo bloco, sem necessidade de aguardar a conclusão da execução.

Execução Paralela Otimista: Execução Paralela Otimista

O Ethereum tradicional utiliza um modelo de execução estritamente sequencial 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 todas as transações de forma otimista e em paralelo, assumindo que a maioria das transações não terá conflitos de estado.
• Executar simultaneamente um "Detetor de Conflitos (Conflict Detector)" para monitorizar se as transações acederam ao 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: alterando o mínimo possível as regras do EVM, implementando paralelismo durante a execução através do atraso na escrita de estado e detecção dinâmica de conflitos, mais semelhante a uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade que facilita a migração do ecossistema EVM, funcionando como 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 e compatível com EVM, podendo ser tanto uma blockchain pública L1 independente quanto uma camada de execução (Execution Layer) ou componente modular em Ethereum. O objetivo central do 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 alta concorrência de execução e capacidade de resposta de baixa latência dentro da cadeia. A inovação chave proposta pelo MegaETH reside na arquitetura Micro-VM + State Dependency DAG (grafo acíclico direcionado de dependência de estado) e no mecanismo de sincronização modular, que juntos constroem um sistema de execução paralela voltado para "threading dentro da cadeia".

Micro-VM (micro máquina virtual) arquitetura: conta é thread

O MegaETH introduziu um modelo de execução de "uma Micro-VM por conta", tornando o ambiente de execução "multithreaded" e fornecendo a unidade mínima de isolamento para agendamento paralelo. Essas VMs se comunicam entre si por meio de mensagens assíncronas, em vez de chamadas síncronas, permitindo que muitas VMs executem de forma independente e armazenem de forma independente, sendo naturalmente paralelas.

State Dependency 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 dependências (Dependency Graph) global. Cada transação modifica quais contas e lê quais contas, tudo modelado como relações de dependência. Transações sem conflitos podem ser executadas em paralelo diretamente, enquanto transações com relações de dependência serão agendadas em ordem topológica ou adiadas. O gráfico de dependências 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 quebra o modelo tradicional de máquina de estado de thread única EVM, implementando encapsulamento de micro-vm por unidade de conta, programando 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 ângulos, de "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", oferecendo novas ideias em nível de paradigma para a construção de sistemas de alta performance na próxima geração em blockchain.

MegaETH escolheu um caminho de reestruturação: abstrair completamente contas e contratos em uma VM independente, liberando o potencial máximo de paralelismo através de agendamento de execução assíncrona. Teoricamente, o limite de paralelismo do MegaETH é maior, mas também é mais difícil controlar a complexidade, funcionando mais como um sistema operacional super distribuído sob a filosofia do Ethereum.

Monad e MegaETH têm filosofias de design bastante diferentes em relação ao sharding: o sharding divide a blockchain horizontalmente em múltiplas sub-chains independentes (shards), onde cada sub-chain é responsável por parte das transações e estados, quebrando as limitações da single-chain na escalabilidade em nível de rede; enquanto Monad e MegaETH mantêm a integridade da single-chain, expandindo horizontalmente apenas no nível de execução, otimizando a execução paralela extrema dentro da single-chain para superar o desempenho. Ambos representam direções de reforço 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, visando aumentar o TPS na cadeia como objetivo central, realizando processamento paralelo em nível de transação ou de conta através da execução diferida (Deferred Execution) e da arquitetura de micro máquina virtual (Micro-VM). Por outro lado, a Pharos Network é uma rede blockchain L1 modular e full-stack paralela, cuja mecânica central de computação paralela é chamada de "Rollup Mesh". Esta arquitetura, através da colaboração entre a rede principal e 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 Assíncrono de Pipeline de Ciclo de Vida Completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos desacopla as várias etapas da transação (como consenso, execução, armazenamento) e adota um método de processamento assíncrono, permitindo que cada etapa seja realizada 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 máquina virtual, EVM e WASM, permitindo que os desenvolvedores escolham o ambiente de execução apropriado conforme 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 Especial (SPNs): as SPNs são componentes-chave da arquitetura Pharos, semelhantes a sub-redes modularizadas, projetadas especificamente para lidar com tipos específicos de tarefas ou aplicações. Através das SPNs, o Pharos pode realizar a alocação dinâmica de recursos e o processamento paralelo de tarefas, melhorando ainda mais a escalabilidade e o desempenho do sistema.
4. Consenso Modular e Mecanismo de Restaking (Modular Consensus & Restaking): Pharos introduziu um mecanismo de consenso flexível, suportando múltiplos modelos de consenso (como PBFT, PoS, PoA), e através de