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

I. Computação Paralela: Uma Nova Direção para a Escalabilidade da Blockchain

O "triângulo impossível" da blockchain (Blockchain Trilemma) - "segurança", "descentralização" e "escalabilidade" - revela o trade-off essencial no design de sistemas de blockchain, ou seja, é difícil para projetos de blockchain alcançarem simultaneamente "segurança extrema, participação universal e processamento rápido". Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", as soluções de escalonamento de blockchain predominantes no mercado são classificadas de acordo com paradigmas, incluindo:

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

As soluções de escalabilidade da blockchain incluem: computação paralela dentro da cadeia, Rollup, sharding, módulos DA, estrutura modular, sistema Actor, compressão de prova zk, arquitetura Stateless, entre outros, abrangendo múltiplos níveis de execução, estado, dados e estrutura, formando um sistema completo de escalabilidade "multinível e modular". Este artigo foca principalmente nas soluções de escalabilidade com computação paralela como abordagem 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 perseguições de desempenho, modelos de desenvolvimento e filosofias de arquitetura, com o granularidade paralela tornando-se cada vez mais fina, a intensidade paralela aumentando cada vez mais, a complexidade de agendamento também aumentando, e a complexidade de programação e dificuldade de implementação se tornando cada vez maiores.

• 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 a nível de instrução (Instruction-level): representa o projeto GatlingX

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

E as soluções de escalabilidade que conhecemos bem, como Rollup ou sharding, pertencem a mecanismos de concorrência em nível de sistema e não a cálculos paralelos dentro da cadeia. Elas realizam a 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 a usaremos para comparar as semelhanças e diferenças dos conceitos de arquitetura.

2. Cadeia de Aumento Paralelo EVM: 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 arquitetura modular, mas o gargalo de throughput na camada de execução ainda não foi superado fundamentalmente. 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, as cadeias paralelas do EVM, como um caminho chave que equilibra a compatibilidade ecológica e a melhoria do desempenho de execução, estão 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 atrasada e da decomposição de estado.

Análise do mecanismo de cálculo paralelo do Monad

Monad é uma blockchain de alto desempenho Layer1 redesenhada para a Máquina Virtual Ethereum (EVM), baseada no conceito básico 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 um protocolo BFT de alto desempenho (MonadBFT) e um sistema de banco de dados dedicado (MonadDB), implementando otimização de ponta a ponta.

Pipelining: Mecanismo de execução paralela em múltiplas etapas

Pipelining é o conceito básico de execução paralela de Monads, cuja ideia central é dividir o fluxo de execução da blockchain em várias fases independentes e processá-las em paralelo, formando uma arquitetura de pipeline tridimensional. Cada fase opera em threads ou núcleos independentes, realizando o processamento concorrente entre blocos e, finalmente, alcançando o aumento da taxa de transferência e a redução da latência. Essas fases incluem: Proposta de Transação (Propose), consenso (Consensus), execução de transação (Execution) e compromisso de bloco (Commit).

Execução Assíncrona: Consenso - Execução desacoplada assíncrona

Na cadeia tradicional, o consenso e a execução das transações geralmente são processos síncronos, e esse modelo sequencial limita gravemente a escalabilidade do desempenho. O Monad alcança a assíncrona na camada de consenso, assíncrona na camada de execução e assíncrona no armazenamento através da "execução assíncrona". 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 central:

• O processo de consenso (camada de consenso) é responsável apenas pela ordenação das transações, não executando a 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, entra imediatamente no processo de consenso do próximo bloco, sem necessidade de aguardar a conclusão da execução.

Execução Paralela Otimista: Execução Paralela Otimista

A 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 consideravelmente 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, garantindo a correção do estado.

Monad escolheu um caminho compatível: alterando o mínimo possível as regras do EVM, implementando a paralelização durante a execução ao adiar a escrita de estado e detectar conflitos dinamicamente, mais parecido com uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade que 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 e modular compatível com EVM, podendo ser tanto uma blockchain pública L1 independente quanto uma camada de execução aprimorada (Execution Layer) ou componente modular no Ethereum. O objetivo central do 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 capacidade de resposta de baixa latência dentro da cadeia. A inovação chave proposta pelo MegaETH reside na: 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".

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

MegaETH introduziu um modelo de execução de "uma Micro-VM por conta", tornando o ambiente de execução "multithreaded" e fornecendo a menor unidade de isolamento para agendamento paralelo. Essas VMs comunicam-se entre si por meio de mensagens assíncronas, em vez de chamadas síncronas, permitindo que um grande número de VMs seja executado de forma independente e armazene dados de forma autônoma, resultando em paralelismo natural.

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 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 de forma sequencial ou adiada. O gráfico de dependência garante a consistência de 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 o encapsulamento de micro-vm por unidade de conta, através do gráfico de dependência de estado para agendamento de transações, e substituindo a pilha de chamadas síncronas por um mecanismo de mensagens assíncronas. É uma plataforma de computação paralela redesenhada em todas as dimensões, desde "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", que oferece uma nova abordagem paradigmática para a construção do próximo sistema de cadeia de alto desempenho.

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

Os projetos de computação paralela como Monad e MegaETH concentram-se principalmente em otimizar o throughput, com o objetivo central de aumentar o TPS dentro da cadeia, realizando processamento paralelo em nível de transação ou de conta por meio da Execução Diferida e da arquitetura de Micro-VM. O Pharos Network, como uma rede de blockchain L1 modular e full-stack paralela, tem seu mecanismo central de computação paralela chamado "Rollup Mesh". Esta arquitetura, através do trabalho colaborativo entre a mainnet 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 de Pipeline Assíncrono de Ciclo de Vida Completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos desacopla as várias fases da transação (como consenso, execução, armazenamento) e adota uma abordagem de processamento assíncrono, permitindo que cada fase ocorra de forma independente e em paralelo, aumentando assim a eficiência do processamento global.
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 adequado de acordo com suas necessidades. Esta arquitetura de duas VMs 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, 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 Reestabelecimento (Modular Consensus & Restaking): Pharos introduziu um mecanismo de consenso flexível, suportando vários modelos de consenso (como PBFT