Mapa panorâmico da pista de computação paralela Web3: a melhor solução para escalonamento nativo?

I. O tema eterno da escalabilidade da blockchain

O "trilema da blockchain" (Blockchain Trilemma) revela a essência do trade-off no design de sistemas de blockchain entre "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 escalabilidade de blockchain no mercado atualmente são classificadas por paradigmas, incluindo:

• Execução de escalabilidade aprimorada: aumento da capacidade de execução no local, como paralelismo, GPU e múltiplos núcleos.
• Escalabilidade com isolamento de estado: divisão horizontal do estado/Sharding, como fragmentação, UTXO, múltiplas sub-redes
• Escalabilidade por outsourcing fora da cadeia: colocar a execução fora da cadeia, por exemplo, Rollup, Coprocessador, DA
• Desacoplamento estrutural de escalabilidade: modularidade da arquitetura, funcionamento colaborativo, como cadeias modulares, ordenadores compartilhados, Rollup Mesh.
• Escalabilidade assíncrona e concorrente: Modelo Actor, isolamento de processos, impulsionado por mensagens, por exemplo, agentes, cadeia assíncrona multi-thread

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 vários níveis de execução, estado, dados e estrutura, formando um sistema de escalabilidade completo de "colaboração em múltiplas camadas e combinação de módulos". Este artigo foca principalmente no método de escalabilidade baseado 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 objetivos de desempenho, modelos de desenvolvimento e filosofias de arquitetura, com o grau de paralelismo se tornando cada vez mais fino, a intensidade do paralelismo aumentando, 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
• Nível de transação (Transaction-level): representa o projeto Monad, Aptos
• Chamada de nível / Micro VM paralela (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 Agente/Ator), que pertence a outro paradigma de computação paralela. Como um sistema de mensagens assíncronas entre cadeias (modelo de não sincronização de bloco), cada Agente atua como um "processo inteligente" independente, funcionando de forma assíncrona com mensagens em paralelo, acionado por eventos, sem necessidade de agendamento sincronizado. 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 no cálculo paralelo dentro da cadeia. Eles alcançam 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 faremos uma comparação das semelhanças e diferenças em termos de conceitos arquitetônicos.

2. EVM Sistema de Cadeia Paralela Aumentada: Superando Limites de Desempenho na Compatibilidade

A arquitetura de processamento em série do Ethereum evoluiu até hoje, passando por várias tentativas de escalabilidade, incluindo sharding, Rollup e arquitetura modular, mas o gargalo de throughput na camada de execução ainda não teve uma quebra fundamental. No entanto, ao mesmo tempo, o EVM e o Solidity continuam a ser as plataformas de contratos inteligentes com a maior base de desenvolvedores e potencial ecológico atualmente. Portanto, as cadeias paralelas do EVM estão se tornando o caminho chave que equilibra a compatibilidade ecológica e a melhoria do desempenho de execução, e estão se tornando uma direção importante na evolução da nova rodada de 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 de atraso e decomposição de estado, respectivamente.

Análise do mecanismo de computação paralela 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 execução concorrente otimista (Optimistic Parallel Execution) na camada de execução. Além disso, na camada de consenso e armazenamento, o 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 fundamental da execução paralela de Monad, 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. Cada etapa é executada em threads ou núcleos independentes, permitindo o processamento concurrente entre blocos, alcançando assim o aumento da capacidade de processamento e a redução da 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

Na cadeia tradicional, o consenso de transações e a execução geralmente são processos síncronos, e esse modelo sequencial limita severamente a escalabilidade de desempenho. A Monad implementou a "execução assíncrona" para alcançar a assíncronia na camada de consenso, na camada de execução e no armazenamento. Isso reduz significativamente o tempo de bloco e a latência de confirmação, tornando o sistema mais resiliente, com processos mais segmentados e maior taxa de 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, entrar imediatamente no processo de consenso do próximo bloco, sem necessidade de esperar pela execução.

Execução Paralela Otimista: Execução Paralela Otimista

O Ethereum tradicional utiliza um modelo estritamente serial para a execução de transações, a fim de evitar conflitos de estado. Por outro lado, o Monad adota uma estratégia de "execução otimista paralela", aumentando significativamente a taxa de processamento de transações.

Mecanismo de execução:

• Monad irá executar todas as transações em paralelo de forma otimista, assumindo que a maioria das transações não tem conflitos de estado.
• Execute simultaneamente um "Detetor 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, garantindo a correção do estado.

Monad escolheu um caminho compatível: movendo-se o menos possível nas regras do EVM, realizando a paralelização através do adiamento da escrita de estado e da detecção dinâmica de conflitos, parecendo mais com uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade, facilitando a migração do ecossistema EVM, sendo um acelerador de paralelização no mundo EVM.

Análise do mecanismo de computação paralela do MegaETH

Diferente do posicionamento L1 do Monad, o MegaETH é posicionado como uma camada de execução paralela de alto desempenho e compatível com EVM, podendo atuar tanto como uma blockchain pública L1 independente, quanto como uma camada de execução aprimorada (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 e baixa latência dentro da cadeia. A inovação chave proposta pelo MegaETH reside na: arquitetura Micro-VM + DAG de Dependência de Estado (grafo de dependência de estado acíclico dirigido) 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 "micro máquinas virtuais (Micro-VM) por conta", que "threadiza" o ambiente de execução, proporcionando a menor unidade de isolamento para agendamento paralelo. Essas VMs se comunicam por meio de mensagens assíncronas (Asynchronous Messaging), em vez de chamadas síncronas, permitindo que muitas VMs sejam executadas independentemente e armazenem de forma independente, sendo naturalmente paralelas.

Dependência de Estado DAG: Mecanismo de Agendamento Baseado em Gráficos 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 que modifica quais contas, lê quais contas, é modelada como uma relação de dependência. Transações sem conflitos podem ser executadas em paralelo diretamente, enquanto transações com relações de dependência serão agendadas em ordem topológica, serialmente 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 micromáquinas virtuais por unidade de conta, realizando 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 "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", oferecendo novas perspectivas paradigmáticas para a construção de sistemas de alta performance na blockchain da próxima geração.

MegaETH escolheu um caminho de reestruturação: abstraiu completamente contas e contratos em uma VM independente, liberando um potencial de paralelismo extremo através de agendamento de 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.

Monad e MegaETH têm conceitos de design bastante diferentes em relação ao sharding: o sharding 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 expansão em nível de rede; enquanto Monad e MegaETH mantêm a integridade da cadeia única, expandindo horizontalmente apenas no nível de execução, otimizando a execução paralela extrema dentro da cadeia única para superar o desempenho. Ambos representam duas direções no caminho de escalabilidade da blockchain: reforço vertical e expansão horizontal.

Os projetos de computação paralela, como Monad e MegaETH, concentram-se principalmente na otimização do throughput, com o objetivo central de aumentar o TPS dentro da cadeia, realizando processamento paralelo em nível de transação ou de conta através da execução diferida (Deferred Execution) e da arquitetura de micro-vm (Micro-VM). O Pharos Network, como uma rede de blockchain L1 modular e full-stack, tem seu mecanismo de computação paralela central chamado "Rollup Mesh". Esta arquitetura suporta um ambiente de múltiplas máquinas virtuais (EVM e Wasm) através do trabalho colaborativo entre a mainnet e as redes de processamento especial (SPNs), 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 em Pipeline de Ciclo de Vida Completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos desacopla as várias fases da transação (como consenso, execução, armazenamento) e utiliza um método de processamento assíncrono, permitindo que cada fase 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 adequado com base nas suas necessidades. Esta 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): 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.
4. Consenso Modular e Mecanismo de Reestacagem (Modular Consensus & Restaking): Pharos introduz um mecanismo de consenso flexível, suportando vários modelos de consenso (como PBFT, PoS, PoA), e através da reestacagem