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

O "triângulo impossível" da blockchain, "segurança", "descentralização" e "escalabilidade", revela o equilíbrio essencial no design de sistemas de blockchain, ou seja, é difícil para um projeto de blockchain alcançar simultaneamente "máxima segurança, participação universal e processamento rápido". Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", as principais soluções de expansão de blockchain no mercado atual são classificadas de acordo com paradigmas, incluindo:

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

As soluções de escalabilidade da blockchain incluem: computação paralela dentro da 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 "multinível e modular". Este artigo foca principalmente nas soluções de escalabilidade baseadas 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 do paralelismo tornando-se cada vez mais fina, a intensidade do paralelismo aumentando e a complexidade de agendamento também aumentando, assim como a complexidade de programação e a dificuldade de implementação.

• Paralelismo a nível de conta (Account-level): representa o projeto Solana
• Paralelismo a nível de objeto (Object-level): representa o projeto Sui
• Paralelismo a 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 inteligentes (Modelo Agent / Actor), que pertence a uma outra paradigma de computação paralela, como um sistema de mensagens assíncronas / intercadeia (modelo de sincronização não em bloco), onde cada Agente atua como um "processo inteligente" independente, permitindo mensagens assíncronas em modo paralelo, acionadas por eventos, sem necessidade de agendamento sincronizado, com projetos representativos como AO, ICP, Cartesi, entre outros.

As soluções de escalabilidade que conhecemos bem, como Rollup ou sharding, pertencem a mecanismos de concorrência em nível de sistema e não fazem parte do cálculo paralelo dentro da cadeia. Elas realizam a escalabilidade através da "execução paralela de várias cadeias / domínios de execução", em vez de aumentar o grau de paralelismo dentro de um único bloco / máquina virtual. Este tipo de solução de escalabilidade não é o foco da discussão neste artigo, mas ainda assim utilizaremos para comparar as semelhanças e diferenças na filosofia de arquitetura.

II. Cadeia de Aumento Paralelo EVM: Superando Limites de Performance na Compatibilidade

A arquitetura de processamento em série do Ethereum evoluiu até hoje, passando por várias tentativas de escalabilidade, como sharding, Rollup e arquiteturas modularizadas, mas o gargalo de throughput na camada de execução ainda não teve uma quebra fundamental. No entanto, ao mesmo tempo, EVM e Solidity continuam sendo as plataformas de contratos inteligentes com a base de desenvolvedores e potencial ecológico mais robustos atualmente. Portanto, as cadeias paralelas da EVM, que buscam um equilíbrio entre compatibilidade ecológica e melhoria de desempenho de execução, estão se tornando uma direção importante na evolução da próxima rodada de escalabilidade. Monad e MegaETH são os projetos mais representativos nessa direção, abordando a execução tardia e a decomposição de estados, respectivamente, para construir uma arquitetura de processamento paralelo da EVM voltada para cenários de alta concorrência e alto throughput.

Análise do mecanismo de cálculo paralelo do Monad

Monad é uma blockchain de alto desempenho Layer1 redesenhada para a Ethereum Virtual Machine (EVM), baseada na ideia 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, na camada de consenso e armazenamento, Monad introduz respectivamente o 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 de múltiplas fases

Pipelining é a ideia básica da execução paralela de Monads, cujo conceito 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 opera em threads ou núcleos independentes, permitindo o processamento concorrente entre blocos, alcançando assim um aumento da taxa de transferência e uma redução da latência. Essas fases incluem: Proposta de Transação (Propose), Consentimento (Consensus), Execução de Transação (Execution) e Compromisso de Bloco (Commit).

Execução Assíncrona: Consenso - Desacoplamento da Execução Assíncrona

No blockchain tradicional, o consenso e a execução das transações geralmente são processos síncronos, e esse modelo serial limita severamente a escalabilidade do desempenho. O Monad implementa a camada de consenso assíncrona, a camada de execução assíncrona e o armazenamento assíncrono 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 uma 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 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 necessidade de aguardar a conclusão da execução.

Execução Paralela Otimista：乐观并行执行

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 irá executar todas as transações de forma otimista e 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: alterando o mínimo possível as regras da EVM, implementando paralelismo ao adiar a escrita do estado e detectar conflitos dinamicamente, assemelhando-se mais a 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 modular compatível com EVM, podendo atuar como uma blockchain L1 independente ou como uma camada de execução melhorada (Execution Layer) ou componente modular na Ethereum. O objetivo central de 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 on-chain e capacidade de resposta de baixa latência. A inovação chave proposta pelo MegaETH reside na arquitetura Micro-VM + State Dependency DAG (grafo de dependência de estado acíclico dirigido) e mecanismo de sincronização modular, que juntos constroem um sistema de execução paralela voltado para "threading on-chain".

Arquitetura Micro-VM: Conta é um thread

MegaETH introduziu o modelo de execução "uma Micro-VM por conta", que "threadiza" o ambiente de execução, proporcionando a menor unidade 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, resultando em paralelismo natural.

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

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 que modifica quais contas e lê quais contas é completamente modelada como uma relação de dependência. Transações sem conflitos podem ser executadas em paralelo, enquanto transações com relações de dependência serão agendadas em ordem topológica de forma serial ou atrasada. 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 rompe com o modelo tradicional de máquina de estado de thread único EVM, implementando encapsulamento de micromáquinas virtuais por unidade de conta, agendando transações por meio de um gráfico de dependência de estado e substituindo a pilha de chamadas síncronas por um mecanismo de mensagens assíncronas. Trata-se de 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 de sistemas de próxima geração de alto desempenho em cadeia.

MegaETH escolheu um caminho de reestruturação: abstrair completamente contas e contratos em uma VM independente, liberando um potencial paralelo extremo por meio de agendamento de execução assíncrona. Em teoria, o limite paralelo do MegaETH é mais alto, mas também mais difícil de controlar a complexidade, parecendo mais 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), onde cada sub-chain é responsável por parte das transações e estados, quebrando as limitações de uma única chain para a escalabilidade na 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 melhorar o desempenho. Ambos representam duas direções no caminho de escalabilidade da blockchain: fortalecimento vertical e 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 na cadeia, realizando processamento paralelo em nível de transação ou conta através da execução deferida (Deferred Execution) e da arquitetura de micro máquina virtual (Micro-VM). A Pharos Network, como uma rede de blockchain L1 modular e full-stack paralela, tem como mecanismo central de computação paralela o "Rollup Mesh". Esta arquitetura, através da colaboração entre a rede principal e redes de processamento especializadas (SPNs), suporta um ambiente multi-maquina virtual (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 um modo de processamento assíncrono, permitindo que cada fase possa ser realizada de forma independente e paralela, aumentando assim a eficiência do processamento total.
2. Execução Paralela de Dual VM: 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 dual VM não apenas aumenta a flexibilidade do sistema, mas também melhora a capacidade de processamento de transações através da execução paralela.
3. Redes de Tratamento Especial (SPNs): As SPNs são componentes chave da arquitetura Pharos, semelhantes a sub-redes modularizadas, destinadas a processar 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. Mecanismo de consenso modular e re-staking (Mo