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

O "Trilema da Blockchain" revela os compromissos essenciais no design dos sistemas de blockchain, sendo eles "segurança", "descentralização" e "escalabilidade", ou seja, é difícil para um projeto de blockchain alcançar simultaneamente "segurança extrema, participação universal e processamento rápido". Em relação ao eterno tema da "escalabilidade", as soluções de escalabilidade de blockchain predominantes no mercado são classificadas de acordo com paradigmas, incluindo:

• Executar escalabilidade aprimorada: aumentar a capacidade de execução no local, como paralelismo, GPU e multicore.
• Escalabilidade por isolamento de estado: divisão horizontal de estado / Shard, como 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 de estrutura: modularidade da arquitetura, operação colaborativa, por exemplo, cadeia de módulos, ordenadores compartilhados, Rollup Mesh
• Expansão assíncrona e concorrente: Modelo Actor, isolamento de processos, acionado por mensagens, por exemplo, agentes, cadeia assíncrona multithread

As soluções de escalabilidade da blockchain incluem: computação paralela na 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, constituindo um sistema completo de escalabilidade "multinível e modular". Este artigo foca principalmente na forma de escalabilidade baseada 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 o granulamento de paralelismo tornando-se cada vez mais fino, a intensidade de paralelismo aumentando, a complexidade de agendamento também aumentando, bem 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 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 entidades Actor (Modelo Agent / Actor), que pertence a um outro paradigma de computação paralela, como sistema de mensagens inter-cadeias / assíncrono (modelo de sincronização não em bloco), onde cada Agent funciona como um "processo inteligente" independente, com mensagens assíncronas em modo paralelo, acionado por eventos, sem necessidade de agendamento de sincronização, com projetos representativos como AO, ICP, Cartesi, entre outros.

Os conhecidos Rollup ou soluções de escalabilidade por fragmentação são mecanismos de concorrência em nível de sistema e não se enquadram no cálculo paralelo dentro da cadeia. Eles implementam 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 desta discussão, mas ainda assim iremos utilizá-lo para uma comparação das diferenças na filosofia de arquitetura.

Dois, EVM Sistema de Cadeia Paralela Aumentada: Quebrando 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 arquiteturas modularizadas, 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. Assim, a cadeia paralela do EVM, que equilibra a compatibilidade ecológica e a melhoria do desempenho de execução, está 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 atrasada e da decomposição de estado.

Análise do mecanismo de computação paralela do Monad

Monad é uma blockchain de alto desempenho Layer1 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, nas camadas de consenso e armazenamento, Monad introduz, respetivamente, 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 de múltiplos estágios

Pipelining é o conceito básico da execução paralela de Monads, cuja ideia 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, com o objetivo final de aumentar a taxa de transferência e reduzir a latência. Essas fases incluem: Proposição de transação (Propose), Acordo de consenso (Consensus), Execução de transação (Execution) e Compromisso de bloco (Commit).

Execução Assíncrona: Consenso - Desacoplamento Assíncrono de Execução

Na cadeia tradicional, o consenso e a execução de transações geralmente são processos síncronos, e esse modelo serial limita gravemente a escalabilidade de desempenho. O Monad alcançou a assíncrona na camada de consenso, assíncrona na camada de execução e assíncrona na camada de 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 uma maior eficiência na utilização de recursos.

Design Central:

• O processo de consenso (camada de consenso) é responsável apenas por ordenar transações, não por executar 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-se imediatamente no processo de consenso do próximo bloco, sem necessidade de esperar pela conclusão da execução.

Execução Paralela Otimista：乐观并行执行

A Ethereum tradicional utiliza um modelo de execução estritamente serial para evitar conflitos de estado. Já 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.
• Executar simultaneamente um "Detetor de Conflitos (Conflict Detector))" para monitorizar se as transações acederam 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: mexer o mínimo possível nas regras do EVM, realizando a execução através do adiamento da escrita do estado e da detecção dinâmica de conflitos para implementar a paralelização, 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 da localização L1 do Monad, o MegaETH é posicionado como uma camada de execução paralela de alto desempenho compatível com EVM, que pode funcionar tanto como uma blockchain pública L1 independente quanto como uma camada de execução aprimorada (Execution Layer) ou componente modular no 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 execução de alta concorrência e capacidade de resposta de baixa latência dentro da cadeia. A inovação chave proposta pelo MegaETH é a 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".

Arquitetura Micro-VM: Conta é Thread

O MegaETH introduziu o modelo de execução de "uma Micro-VM por conta", que "desfragmenta" o ambiente de execução, proporcionando 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 execute de forma independente e armazene de forma independente, de forma naturalmente paralela.

State Dependency 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 contas são lidas, tudo isso como relações de dependência. Transações sem conflito podem ser executadas em paralelo, enquanto transações com relações de dependência serão agendadas em série ou adiadas de acordo com a ordem topológica. O gráfico de dependência garante a consistência do estado e a não duplicação de gravações durante o processo de execução em paralelo.

Execução assíncrona e mecanismo de callback

B

Em suma, o MegaETH rompe com o modelo tradicional de máquina de estados de thread única EVM, implementando encapsulamento de micromáquinas virtuais por conta, realizando agendamento de transações através de um gráfico de dependência de estados, 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", que fornece novas ideias em nível de paradigma para a construção do próximo sistema de cadeia de alto desempenho.

MegaETH escolheu um caminho de reestruturação: abstrair totalmente contas e contratos em uma VM independente, liberando o potencial extremo de paralelismo através da programação de execução assíncrona. Teoricamente, o limite de paralelismo do MegaETH é maior, mas também é mais difícil controlar a complexidade, assemelhando-se mais a um sistema operativo super distribuído sob a filosofia do Ethereum.

Monad e MegaETH têm conceitos de design bastante diferentes da fragmentação (Sharding): a fragmentação divide a blockchain horizontalmente em várias sub-chains independentes (fragmentos Shards), cada sub-chain é responsável por parte das transações e estados, quebrando a limitação de uma única cadeia na escalabilidade da rede; enquanto Monad e MegaETH mantêm a integridade da cadeia única, expandindo horizontalmente apenas na camada de execução, otimizando a execução paralela extrema dentro da única cadeia para superar o desempenho. Os dois representam caminhos de expansão da blockchain em direções de fortalecimento vertical e expansão horizontal.

Os projetos de computação paralela como Monad e MegaETH concentram-se principalmente em caminhos de otimização de throughput, visando aumentar o TPS dentro da cadeia como objetivo central, realizando processamento paralelo a nível de transação ou conta através da execução diferida (Deferred Execution) e da arquitetura de micro-VM (Micro-VM). Por outro lado, a Pharos Network é uma rede blockchain L1 modular e de pilha completa, cujo mecanismo central de computação paralela é denominado "Rollup Mesh". Esta arquitetura 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), através da colaboração entre a rede principal e as redes de processamento especial (SPNs).

Análise do mecanismo de computação paralela Rollup Mesh:

1. Processamento Assíncrono de Pipeline de Ciclo de Vida Completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos desacopla as várias fases da transação (como consenso, execução, armazenamento) e adota um modo 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 Dual VM: Pharos suporta dois ambientes de máquina virtual, EVM e WASM, permitindo que os desenvolvedores escolham o ambiente de execução adequado conforme 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 Especiais (SPNs): As SPNs são componentes-chave da arquitetura Pharos, semelhantes a sub-redes modularizadas, especialmente 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 Mecanismo de Restaking (Modular Consensus & Restaking): Pharos introduziu um mecanismo de consenso flexível que suporta múltiplos modelos de consenso (como PBFT, PoS, PoA) e através do protocolo de restaking (