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

I. O contexto e os desafios da computação paralela em blockchain

O "Triângulo Impossível" da blockchain (Blockchain Trilemma) "segurança", "descentralização", "escalabilidade" revela os compromissos essenciais no design de sistemas de blockchain, ou seja, é difícil para um projeto de blockchain alcançar "segurança extrema, participação universal e processamento rápido" ao mesmo tempo. Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", as principais soluções de expansão de blockchain atualmente no mercado são classificadas por paradigmas, incluindo:

• Execução de escalabilidade aprimorada: aumento da capacidade de execução no local, como paralelismo, GPU, múltiplos núcleos
• Expansão de isolamento de estado: divisão horizontal de estado / Shard, como fragmentação, UTXO, múltiplas sub-redes
• Escalonamento por outsourcing fora da cadeia: colocar a execução fora da cadeia, por exemplo, Rollup, Coprocessor, DA
• Expansão com desacoplamento de estrutura: modularização da arquitetura, operação colaborativa, como cadeias modulares, ordenadores partilhados, Rollup Mesh
• Expansão assíncrona e concorrente: Modelo Actor, isolamento de processos, impulsionado por mensagens, como agentes, cadeia assíncrona multithreaded

As soluções de escalabilidade em blockchain incluem: computação paralela em 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, formando um sistema de escalabilidade completo de "cooperação em múltiplos níveis e combinação de módulos". Este artigo foca principalmente na forma de escalabilidade baseada em computação paralela.

Paralelismo 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 a granularidade de paralelismo cada vez mais fina, a intensidade de paralelismo cada vez maior, e a complexidade de agendamento também cada vez maior, 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 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 Agente / Actor), que pertence a uma outra paradigma de computação paralela, como sistemas de mensagens assíncronas / intercadeias (modelo de sincronização não baseado em blocos), onde cada Agente opera como um "processo inteligente" independente, com mensagens assíncronas em modo 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 fragmentação pertencem a mecanismos de concorrência em nível de sistema, não sendo parte do cálculo paralelo dentro da cadeia. Eles realizam a escalabilidade através da "execução paralela de várias cadeias / domínios de execução", e não ao aumentar o grau de paralelismo dentro de um único bloco / máquina virtual. Este tipo de solução de escalabilidade não é o foco da discussão deste artigo, mas ainda assim iremos utilizá-las para comparar as semelhanças e diferenças na filosofia de arquitetura.

2. EVM Chain Paralelo Aprimorado: Superando Limites de Desempenho na Compatibilidade

A arquitetura de processamento em série do Ethereum se desenvolveu 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 teve uma superação fundamental. Ao mesmo tempo, EVM e Solidity continuam a ser as plataformas de contratos inteligentes com a maior base de desenvolvedores e potencial ecológico atualmente. Portanto, as cadeias de aumento paralelo da EVM, como um caminho chave que equilibra compatibilidade ecológica e melhoria de desempenho de execução, estão 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 da EVM voltada para cenários de alta concorrência e alto throughput, a partir da execução com atraso e decomposição de estado, respectivamente.

Análise do mecanismo de computação paralela Monad

Monad é uma blockchain Layer1 de alto desempenho redesenhada para a Ethereum Virtual Machine (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, a Monad introduz respectivamente 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 fases

Pipelining é o conceito básico da execução paralela de Monad, cuja ideia central é dividir o fluxo de execução da blockchain em várias fases independentes e processar essas fases de forma paralela, formando uma arquitetura de pipeline tridimensional. Cada fase é executada em threads ou núcleos independentes, permitindo o processamento concorrente entre blocos, alcançando, por fim, um aumento na capacidade de processamento e uma redução na latência. Essas fases incluem: Proposta de Transação (Propose), Acordo de Consenso (Consensus), Execução de Transação (Execution) e Compromisso de Bloco (Commit).

Execução Assíncrona: Consenso - Execução de desacoplamento assíncrono

Nas cadeias tradicionais, o consenso e a execução das transações geralmente são processos síncronos, e esse modelo sequencial limita severamente a escalabilidade de desempenho. A Monad implementou a execução assíncrona para o nível de consenso, o nível de execução e o armazenamento. Isso reduz significativamente o tempo de bloco e a latência de confirmação, tornando o sistema mais resiliente, com processos de tratamento mais segmentados e maior eficiência na utilização de recursos.

Design central:

• O processo de consenso (camada de consenso) é responsável apenas pela ordenação das transações, não executando 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 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 entre si.
• Executar 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 reexecutadas em série para garantir a correção do estado.

Monad escolheu um caminho compatível: minimizando alterações nas regras do EVM, implementando concorrência durante a execução por meio do adiamento da escrita de estado e detecção dinâmica de conflitos, assemelhando-se a uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade para facilitar a migração do ecossistema EVM, sendo um acelerador de paralelismo no mundo EVM.

Análise do mecanismo de computação paralela do MegaETH

Diferente do posicionamento L1 da Monad, o MegaETH é posicionado como uma camada de execução de alto desempenho e modular compatível com EVM, podendo atuar tanto como uma blockchain pública L1 independente quanto como uma camada de execução aprimorada na Ethereum ou um componente modular. Seu objetivo de design central é desconstruir a lógica da conta, o ambiente de execução e o estado em unidades mínimas que podem ser agendadas de forma independente, a fim de alcançar uma execução de alta concorrência e baixa latência dentro da cadeia. A inovação chave proposta pelo MegaETH reside na arquitetura Micro-VM + State Dependency DAG (grafo acíclico dirigido de dependência de estado) e no mecanismo de sincronização modular, que juntos constroem um sistema de execução paralela voltado para "threading dentro da cadeia".

Arquitetura Micro-VM: Conta é um thread

MegaETH introduziu o modelo de execução "uma Micro-VM por conta", que torna o ambiente de execução "multithreaded", proporcionando a menor unidade de isolamento para agendamento paralelo. Essas VMs se comunicam entre si através de Mensagens Assíncronas, em vez de chamadas síncronas, permitindo que muitas VMs executem de forma independente e armazenem de forma independente, de forma naturalmente paralela.

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 em forma de relações de dependência. Transações sem conflitos podem ser executadas em paralelo diretamente, enquanto transações com relações de dependência serão agendadas em sequência topológica ou adiadas. O gráfico de dependências garante a consistência do estado e a não gravação duplicada durante o processo de execução paralela.

Execução Assíncrona e Mecanismo de Callback

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Em suma, o MegaETH quebra o modelo tradicional de máquina de estado de thread única EVM, realizando o encapsulamento de micro máquinas virtuais por unidade de conta, agendando 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 sua dimensão a partir da «estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução», oferecendo novas ideias paradigmáticas para a construção de sistemas de alta performance na próxima geração.

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

Monad e MegaETH têm uma filosofia de design bastante diferente da fragmentação (Sharding): a fragmentação 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 Monad e MegaETH mantêm a integridade da cadeia única, expandindo horizontalmente apenas na camada de execução, otimizando a execução paralela extrema dentro da cadeia única para superar o desempenho. Ambos representam duas direções na trajetória de escalabilidade da blockchain: o fortalecimento vertical e a expansão horizontal.

Os projetos de computação paralela como Monad e MegaETH concentram-se principalmente em caminhos de otimização de throughput, com o objetivo central de aumentar o TPS na cadeia, realizando processamento paralelo em nível de transação ou conta através da execução adiada (Deferred Execution) e da arquitetura de micro-vm (Micro-VM). A Pharos Network, como uma rede blockchain L1 modular e full-stack paralela, tem seu mecanismo central de computação paralela chamado "Rollup Mesh". Esta arquitetura suporta ambientes de múltiplas máquinas virtuais (EVM e Wasm) através da colaboração entre a rede principal e redes de processamento especializadas (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 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 um modo de processamento assíncrono, permitindo que cada fase prossiga de forma independente e em paralelo, o que melhora 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 de acordo com suas necessidades. Essa arquitetura de dual VM não apenas aumenta a flexibilidade do sistema, mas também melhora a capacidade de processamento de transações por meio da execução paralela.
3. Redes de Tratamento Especial (SPNs): As SPNs são componentes chave na arquitetura Pharos, semelhantes a sub-redes modularizadas, destinadas a 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 vários modelos de consenso (como PBFT