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

O "Trilema do Blockchain" revela o equilíbrio essencial no design de sistemas de blockchain, onde é difícil para projetos de blockchain alcançarem simultaneamente "máxima segurança, participação universal e processamento rápido". Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", as principais soluções de escalabilidade de blockchain atualmente 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 por isolamento de estado: divisão horizontal de estado / Shard, como fragmentação, UTXO, múltiplas sub-redes
• Escalabilidade do tipo off-chain: colocar a execução fora da cadeia, como Rollup, Coprocessor, DA
• Expansão de desacoplamento estrutural: modularidade da arquitetura, operação colaborativa, por exemplo, cadeia de módulos, ordenadores compartilhados, Rollup Mesh
• Escalabilidade assíncrona e concorrente: modelo Actor, isolamento de processos, baseado em mensagens, por exemplo, agentes, cadeia assíncrona multithread.

As soluções de escalabilidade em 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, constituindo um sistema completo de escalabilidade "multinível e modular combinado". Este artigo foca principalmente na forma de escalabilidade baseada em computação paralela.

Cálculo paralelo intra-cadeia (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 o tamanho do grão de paralelismo se tornando progressivamente mais fino, a intensidade de paralelismo aumentando, a complexidade de agendamento também aumentando, e a complexidade de programação e a 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 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 agentes (Modelo Agent/Actor), que pertence a um outro paradigma de computação paralela. Como um sistema de mensagens assíncronas / inter-cadeias (modelo de não sincronização de blocos), cada agente funciona como um "processo inteligente" em execução independente, enviando mensagens de forma assíncrona em paralelo, acionado por eventos, sem necessidade de agendamento de sincronização. Projetos representativos incluem AO, ICP, Cartesi, entre outros.

Os conhecidos Rollup ou soluções de escalabilidade por sharding pertencem a mecanismos de concorrência em nível de sistema e não à computação paralela dentro da cadeia. Eles 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 da discussão deste artigo, mas ainda assim vamos utilizá-la para comparar as diferenças nos conceitos de arquitetura.

Dois, 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, EVM e Solidity continuam a ser as plataformas de contratos inteligentes com a maior base de desenvolvedores e potencial ecológico. Assim, a cadeia paralela EVM, que equilibra a compatibilidade ecológica e o aumento 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 EVM voltada para cenários de alta concorrência e alto throughput, a partir da execução tardia e da decomposição de estado, respectivamente.

Análise do mecanismo de computação paralela Monad

Monad é uma blockchain Layer1 de alto desempenho reimaginada 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 concorrente otimista (Optimistic Parallel Execution) na camada de execução. 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 fundamental da execução paralela de Monads, cuja ideia central é dividir o fluxo de execução da blockchain em várias etapas independentes e processar essas etapas em paralelo, formando uma arquitetura de pipeline tridimensional, onde cada etapa opera em threads ou núcleos independentes, permitindo o processamento concorrente entre blocos, alcançando assim um aumento na capacidade de processamento e uma redução na latência. Essas etapas incluem: Proposta de transação (Propose), Acordo de consenso (Consensus), Execução de transação (Execution) e Compromisso de bloco (Commit).

Execução Assíncrona: Consenso - Execução Assíncrona Desacoplada

No blockchain tradicional, o consenso e a execução das transações são geralmente processos síncronos, e este modelo sequencial limita severamente a escalabilidade de desempenho. O Monad implementou consenso assíncrono, execução assíncrona e armazenamento assíncrono 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 eficiência na utilização de recursos.

Design central:

• O processo de consenso (camada de consenso) apenas é responsável por ordenar transações, não executando a lógica de contratos.
• 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

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 das 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: mexer o mínimo possível nas regras da EVM, realizando paralelismo através do adiamento de escrita de estado e detecção dinâmica de conflitos, assemelhando-se mais a uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade, facilitando a migração do ecossistema da EVM, sendo um acelerador paralelo no mundo da 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 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 execução concorrente dentro da cadeia e capacidade de resposta de baixa latência. 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 um thread

MegaETH introduziu o modelo de execução de "uma Micro-VM por conta", que "threadiza" o ambiente de execução, fornecendo a menor unidade de isolamento para agendamento paralelo. Estas VMs comunicam-se entre si através de mensagens assíncronas, em vez de chamadas síncronas, permitindo que um grande número de VMs possa executar de forma independente e armazenar 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 dependências 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 ou adiadas. O gráfico de dependências garante a consistência do estado e a não escrita duplicada 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 de thread única EVM, implementando um encapsulamento de micromáquinas virtuais por unidade de conta, realizando o 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 toda a dimensão de "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", oferecendo uma nova abordagem paradigmática para a construção do próximo sistema de cadeia de alto desempenho.

MegaETH escolheu um caminho de reestruturação: abstraindo completamente contas e contratos em uma VM independente, liberando o potencial extremo de paralelismo através da execução assíncrona. Em teoria, o limite de paralelismo do MegaETH é maior, mas também mais difícil de controlar a complexidade, parecendo mais um sistema operacional super distribuído sob a filosofia do Ethereum.

A Monad e a MegaETH têm filosofias 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 na escalabilidade da camada de rede; enquanto a Monad e a MegaETH mantêm a integridade de uma única cadeia, expandindo horizontalmente apenas na camada de execução, otimizando a execução paralela interna para superar o desempenho. Ambas 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 o throughput, tendo como objetivo central aumentar o TPS dentro da blockchain, alcançando processamento paralelo ao nível de transação ou conta por meio da Execução Diferida e da arquitetura de Micro-VM. A Pharos Network, como uma rede de blockchain L1 modular e de pilha completa, possui um mecanismo central de computação paralela chamado "Rollup Mesh". Esta arquitetura suporta uma colaboração 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 zero conhecimento (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): A 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 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 adequado de acordo com suas necessidades. Essa arquitetura de dupla VM não apenas 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 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, aumentando ainda mais a escalabilidade e o desempenho do sistema.
4. Consenso modular e