Mapa panorâmico da pista de computação paralela Web3: a melhor solução para a expansão nativa?
1. O contexto da aplicação da computação paralela na blockchain
O "Trilema da Blockchain" revela os compromissos essenciais no design de sistemas de blockchain, que são "segurança", "descentralização" e "escalabilidade", ou seja, é difícil para os projetos de blockchain alcançar simultaneamente "segurança extrema, participação universal e processamento rápido". Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", as principais soluções de aumento de capacidade de blockchain atualmente no mercado são classificadas de acordo com os paradigmas, incluindo:
Execução de escalabilidade aprimorada: aumento da capacidade de execução no local, como paralelismo, GPU e múltiplos núcleos.
Escalabilidade por isolamento de estado: divisão horizontal de estado/Shard, como fragmentação, UTXO, múltiplas sub-redes
Escalabilidade externa tipo outsourcing: executar fora da cadeia, por exemplo, Rollup, Coprocessor, DA
Expansão de desacoplamento estrutural: modularidade de arquitetura, operação colaborativa, como cadeias modulares, ordenadores compartilhados, Rollup Mesh
Escalonamento assíncrono e concorrente: Modelo Actor, isolamento de processos, acionado por mensagens, como agentes, cadeias assíncronas multithread
As soluções de escalabilidade da blockchain incluem: computação paralela na 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, constituindo um sistema completo de escalabilidade "multinível e combinação modular". Este artigo destaca principalmente a forma de escalabilidade baseada em computação paralela.
Computação paralela intra-cadeia (intra-chain parallelism), focando na execução paralela de transações/instruções dentro do bloco. De acordo com o mecanismo de paralelismo, suas maneiras de escalabilidade podem ser divididas em cinco grandes categorias, cada uma representando diferentes objetivos de desempenho, modelos de desenvolvimento e filosofias de arquitetura, com o grão de paralelismo tornando-se cada vez mais fino, a intensidade de paralelismo aumentando, a complexidade de agendamento também aumentando, e a complexidade de programação e 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 agentes inteligentes (Modelo Agente/Ator), que pertence a uma outra classe de paradigmas de computação paralela. Como um sistema de mensagens assíncronas entre cadeias (modelo de sincronização de blocos não), cada Agente opera como um "processo inteligente" funcionando de forma independente, utilizando mensagens assíncronas de forma paralela, acionado por 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 e não se enquadram em cálculos paralelos dentro da cadeia. Eles realizam 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 vamos usá-las para comparar as semelhanças e diferenças nos conceitos de arquitetura.
2. EVM Sériens de Paralelismo: Superando Limites de Desempenho na Compatibilidade
A arquitetura de processamento em série do Ethereum evoluiu até hoje, passando por várias tentativas de escalonamento, incluindo sharding, Rollup e arquitetura modular, mas o gargalo de throughput na camada de execução ainda não foi superado de forma 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, as cadeias paralelas do sistema EVM, que equilibram a compatibilidade ecológica e a melhoria do desempenho de execução, estão se tornando uma direção importante na nova rodada de evolução do escalonamento. 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 com atraso e da decomposição de estados.
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 concorrência otimista na camada de execução (Optimistic Parallel Execution). Além disso, na camada de consenso e armazenamento, Monad introduziu 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 fases
Pipelining é o conceito fundamental da execução paralela de Monad, 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 uma thread ou núcleo independente, permitindo 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), Conclusão de consenso (Consensus), Execução de transação (Execution) e Compromisso de bloco (Commit).
Execução Assíncrona: desacoplamento assíncrono de consenso e execução
Na cadeia tradicional, o consenso e a execução de transações geralmente são processos síncronos, e esse modelo sequencial limita severamente a escalabilidade de desempenho. A Monad alcançou 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 (block time) e a latência de confirmação, tornando o sistema mais resiliente, com processos mais segmentados e maior utilização de recursos.
Design central:
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, entra imediatamente no processo de consenso do próximo bloco, sem necessidade de esperar pela execução.
Execução Paralela Otimista：乐观并行执行
O Ethereum tradicional utiliza um modelo de execução 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.
Execute simultaneamente um "Detetive de Conflitos (Conflict Detector))" para monitorizar se as transações acedem 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: movendo-se o mínimo possível nas regras do EVM, realizando a execução através do atraso na escrita de estado e detecção dinâmica de conflitos para alcançar a paralelização, mais parecido com uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade e fácil implementação da migração do ecossistema EVM, sendo um acelerador de paralelização 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 e modular, que pode funcionar tanto como uma blockchain pública L1 independente quanto como uma camada de execução (Execution Layer) ou componente modular na 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 alta concorrência de execução e baixa latência de resposta dentro da cadeia. A inovação chave proposta pelo MegaETH está na arquitetura Micro-VM + DAG de Dependência de Estado (gráfico acíclico dirigido de dependência de estado) e mecanismos 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 o modelo de execução "uma Micro-VM por conta", que "multi-threadiza" o ambiente de execução, proporcionando a menor unidade de isolamento para o agendamento paralelo. Essas VMs comunicam-se entre si através de mensagens assíncronas, em vez de chamadas síncronas, permitindo que várias VMs executem de forma independente e armazenem dados de forma independente, resultando em paralelismo natural.
Dependência do Estado DAG: Mecanismo de Agendamento Baseado em Gráficos de Dependência
MegaETH construiu um sistema de agendamento DAG baseado nas 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, enquanto transações com relações de dependência serão agendadas em ordem topológica ou adiadas. O gráfico de dependência garante a consistência do estado e a não duplicação de escrita 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 estado de thread única EVM, implementando encapsulamento de micromáquinas virtuais por unidade de conta, utilizando um 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 toda a dimensão de "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", oferecendo novas ideias de 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 de paralelismo extremo por meio de agendamento de execução assíncrona. Em teoria, o limite de paralelismo do MegaETH é maior, mas também é mais difícil controlar a complexidade, assemelhando-se a um sistema operacional super distribuído sob a filosofia do Ethereum.
A filosofia de design tanto do Monad quanto do MegaETH é bastante diferente da fragmentação (Sharding): a fragmentação divide a blockchain horizontalmente em várias subchains independentes (shards), cada uma responsável por parte das transações e estados, quebrando as limitações de uma única cadeia na escalabilidade em nível de rede; enquanto o Monad e o MegaETH mantêm a integridade da cadeia única, apenas expandindo horizontalmente na camada de execução, otimizando a execução paralela extrema dentro da única cadeia para superar o desempenho. Ambos representam duas direções no caminho de escalabilidade da blockchain: o fortalecimento vertical e a expansão horizontal.
Os projetos de computação paralela, como Monad e MegaETH, concentram-se principalmente em otimizar a taxa de transferência, com o objetivo central de aumentar o TPS dentro da cadeia. Isso é realizado por meio da execução diferida (Deferred Execution) e da arquitetura de micromáquinas virtuais (Micro-VM), permitindo o processamento paralelo em nível de transação ou de conta. O Pharos Network, como uma rede de blockchain L1 modular e de pilha completa, possui um mecanismo central de computação paralela conhecido como "Rollup Mesh". Essa arquitetura suporta um ambiente de múltiplas máquinas virtuais (EVM e Wasm) através do trabalho conjunto da rede principal e de redes de processamento especializadas (SPNs), integrando tecnologias avançadas como provas de conhecimento zero (ZK) e ambientes de execução confiáveis (TEE).
Análise do mecanismo de computação paralela Rollup Mesh:
Processamento Assíncrono em 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 seja realizada de forma independente e em paralelo, melhorando assim a eficiência geral do processamento.
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 com base nas 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.
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.
Consenso Modular e Mecanismo de Reestabelecimento (Modular Consensus & Restaking): Pharos introduziu um mecanismo de consenso flexível que suporta vários modelos de consenso (como PBFT, PoS, PoA), e através do protocolo de reestabelecimento (
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Web3 Computação Paralela em Panorama: O Futuro da Escalabilidade na Cadeia
Mapa panorâmico da pista de computação paralela Web3: a melhor solução para a expansão nativa?
1. O contexto da aplicação da computação paralela na blockchain
O "Trilema da Blockchain" revela os compromissos essenciais no design de sistemas de blockchain, que são "segurança", "descentralização" e "escalabilidade", ou seja, é difícil para os projetos de blockchain alcançar simultaneamente "segurança extrema, participação universal e processamento rápido". Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", as principais soluções de aumento de capacidade de blockchain atualmente no mercado são classificadas de acordo com os paradigmas, incluindo:
As soluções de escalabilidade da blockchain incluem: computação paralela na 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, constituindo um sistema completo de escalabilidade "multinível e combinação modular". Este artigo destaca principalmente a forma de escalabilidade baseada em computação paralela.
Computação paralela intra-cadeia (intra-chain parallelism), focando na execução paralela de transações/instruções dentro do bloco. De acordo com o mecanismo de paralelismo, suas maneiras de escalabilidade podem ser divididas em cinco grandes categorias, cada uma representando diferentes objetivos de desempenho, modelos de desenvolvimento e filosofias de arquitetura, com o grão de paralelismo tornando-se cada vez mais fino, a intensidade de paralelismo aumentando, a complexidade de agendamento também aumentando, e a complexidade de programação e dificuldade de implementação aumentando ainda mais.
Modelo de concorrência assíncrona fora da cadeia, representado pelo sistema de agentes inteligentes (Modelo Agente/Ator), que pertence a uma outra classe de paradigmas de computação paralela. Como um sistema de mensagens assíncronas entre cadeias (modelo de sincronização de blocos não), cada Agente opera como um "processo inteligente" funcionando de forma independente, utilizando mensagens assíncronas de forma paralela, acionado por 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 e não se enquadram em cálculos paralelos dentro da cadeia. Eles realizam 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 vamos usá-las para comparar as semelhanças e diferenças nos conceitos de arquitetura.
2. EVM Sériens de Paralelismo: Superando Limites de Desempenho na Compatibilidade
A arquitetura de processamento em série do Ethereum evoluiu até hoje, passando por várias tentativas de escalonamento, incluindo sharding, Rollup e arquitetura modular, mas o gargalo de throughput na camada de execução ainda não foi superado de forma 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, as cadeias paralelas do sistema EVM, que equilibram a compatibilidade ecológica e a melhoria do desempenho de execução, estão se tornando uma direção importante na nova rodada de evolução do escalonamento. 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 com atraso e da decomposição de estados.
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 concorrência otimista na camada de execução (Optimistic Parallel Execution). Além disso, na camada de consenso e armazenamento, Monad introduziu 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 fases
Pipelining é o conceito fundamental da execução paralela de Monad, 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 uma thread ou núcleo independente, permitindo 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), Conclusão de consenso (Consensus), Execução de transação (Execution) e Compromisso de bloco (Commit).
Execução Assíncrona: desacoplamento assíncrono de consenso e execução
Na cadeia tradicional, o consenso e a execução de transações geralmente são processos síncronos, e esse modelo sequencial limita severamente a escalabilidade de desempenho. A Monad alcançou 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 (block time) e a latência de confirmação, tornando o sistema mais resiliente, com processos mais segmentados e maior utilização de recursos.
Design central:
Execução Paralela Otimista：乐观并行执行
O Ethereum tradicional utiliza um modelo de execução 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 escolheu um caminho compatível: movendo-se o mínimo possível nas regras do EVM, realizando a execução através do atraso na escrita de estado e detecção dinâmica de conflitos para alcançar a paralelização, mais parecido com uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade e fácil implementação da migração do ecossistema EVM, sendo um acelerador de paralelização 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 e modular, que pode funcionar tanto como uma blockchain pública L1 independente quanto como uma camada de execução (Execution Layer) ou componente modular na 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 alta concorrência de execução e baixa latência de resposta dentro da cadeia. A inovação chave proposta pelo MegaETH está na arquitetura Micro-VM + DAG de Dependência de Estado (gráfico acíclico dirigido de dependência de estado) e mecanismos 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 o modelo de execução "uma Micro-VM por conta", que "multi-threadiza" o ambiente de execução, proporcionando a menor unidade de isolamento para o agendamento paralelo. Essas VMs comunicam-se entre si através de mensagens assíncronas, em vez de chamadas síncronas, permitindo que várias VMs executem de forma independente e armazenem dados de forma independente, resultando em paralelismo natural.
Dependência do Estado DAG: Mecanismo de Agendamento Baseado em Gráficos de Dependência
MegaETH construiu um sistema de agendamento DAG baseado nas 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, enquanto transações com relações de dependência serão agendadas em ordem topológica ou adiadas. O gráfico de dependência garante a consistência do estado e a não duplicação de escrita 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 estado de thread única EVM, implementando encapsulamento de micromáquinas virtuais por unidade de conta, utilizando um 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 toda a dimensão de "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", oferecendo novas ideias de 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 de paralelismo extremo por meio de agendamento de execução assíncrona. Em teoria, o limite de paralelismo do MegaETH é maior, mas também é mais difícil controlar a complexidade, assemelhando-se a um sistema operacional super distribuído sob a filosofia do Ethereum.
A filosofia de design tanto do Monad quanto do MegaETH é bastante diferente da fragmentação (Sharding): a fragmentação divide a blockchain horizontalmente em várias subchains independentes (shards), cada uma responsável por parte das transações e estados, quebrando as limitações de uma única cadeia na escalabilidade em nível de rede; enquanto o Monad e o MegaETH mantêm a integridade da cadeia única, apenas expandindo horizontalmente na camada de execução, otimizando a execução paralela extrema dentro da única cadeia para superar o desempenho. Ambos representam duas direções no caminho de escalabilidade da blockchain: o fortalecimento vertical e a expansão horizontal.
Os projetos de computação paralela, como Monad e MegaETH, concentram-se principalmente em otimizar a taxa de transferência, com o objetivo central de aumentar o TPS dentro da cadeia. Isso é realizado por meio da execução diferida (Deferred Execution) e da arquitetura de micromáquinas virtuais (Micro-VM), permitindo o processamento paralelo em nível de transação ou de conta. O Pharos Network, como uma rede de blockchain L1 modular e de pilha completa, possui um mecanismo central de computação paralela conhecido como "Rollup Mesh". Essa arquitetura suporta um ambiente de múltiplas máquinas virtuais (EVM e Wasm) através do trabalho conjunto da rede principal e de redes de processamento especializadas (SPNs), integrando tecnologias avançadas como provas de conhecimento zero (ZK) e ambientes de execução confiáveis (TEE).
Análise do mecanismo de computação paralela Rollup Mesh: