Panorama do setor de computação paralela Web3: a melhor solução para a escalabilidade nativa?

O "Trilema da Blockchain" revela o equilíbrio essencial no design de sistemas blockchain, onde "segurança", "descentralização" e "escalabilidade" tornam difícil para projetos de blockchain realizarem 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 de acordo com paradigmas, incluindo:

• Execução de escalabilidade aprimorada: melhoria da capacidade de execução no local, por exemplo, paralelismo, GPU, múltiplos núcleos
• Escalabilidade com isolamento de estado: divisão horizontal do estado/Sharding, por exemplo, sharding, UTXO, múltiplas sub-redes
• Escalabilidade off-chain do tipo outsourcing: colocar a execução fora da cadeia, por exemplo, Rollup, Coprocessor, DA
• Expansão com desacoplamento estrutural: modularização da arquitetura, operação colaborativa, como cadeias modulares, ordenadores compartilhados, Rollup Mesh
• Expansão assíncrona em concorrência: modelo Actor, isolamento de processos, acionado por mensagens, como 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 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 com computação paralela como a principal abordagem.

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 de paralelismo aumentando cada vez mais, a complexidade de agendamento também aumentando e a complexidade de programação e dificuldade de implementação 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 outra 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 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 escalonamento por fragmentação pertencem a mecanismos de concorrência em nível de sistema, não a computação paralela dentro da cadeia. Eles realizam a escalabilidade através da "execução paralela de várias cadeias/dominios de execução", em vez de aumentar a paralelização dentro de um único bloco/máquina virtual. Essas soluções de escalonamento não são o foco principal deste artigo, mas ainda assim as utilizaremos para comparar as similaridades e diferenças nos conceitos de arquitetura.

Dois, EVM cadeia paralela aprimorada: rompendo limites de desempenho na compatibilidade

A arquitetura de processamento em série do Ethereum evoluiu até hoje, passando por várias tentativas de escalonamento, como sharding, Rollup e arquitetura modular, mas o gargalo de throughput na camada de execução ainda não foi superado de forma fundamental. 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 compatibilidade ecológica e melhoria de desempenho de execução, está se tornando uma direção importante na evolução da nova rodada de escalonamento. 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, respectivamente, a partir da execução de atraso e decomposição de estado.

Análise do mecanismo de computação paralela do 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 paralela otimista (Optimistic Parallel Execution) na camada de execução. 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), realizando uma otimização de ponta a ponta.

Pipelining: Mecanismo de execução paralela de múltiplas fases

Pipelining é o conceito básico de execução paralela de Monad, cuja ideia central é dividir o processo de execução da blockchain em várias etapas independentes e processar essas etapas em paralelo, formando uma arquitetura de pipeline tridimensional. Cada etapa opera em threads ou núcleos independentes, permitindo o processamento concorrente entre blocos, alcançando assim um aumento na taxa de transferência e uma redução na latência. Essas etapas incluem: Proposta de transação (Propose), Acordo de consenso (Consensus), Execução de transação (Execution) e Submissão de bloco (Commit).

Execução Assíncrona: Consenso - Execução Assíncrona Desacoplada

Em blockchains tradicionais, o consenso e a execução das transações geralmente são processos síncronos, e esse modelo serial limita severamente a escalabilidade de desempenho. 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 uma maior eficiência na utilização de recursos.

Design central:

• O processo de consenso (camada de consenso) é responsável apenas pela ordenação das transações, não pela execução da 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 a execução ser concluída.

Execução Paralela Otimista: Execução Paralela Otimista

O Ethereum tradicional utiliza um modelo de execução de transações estritamente sequencial, a fim de 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 executará otimisticamente todas as transações em paralelo, assumindo que a maioria das transações não tem conflitos de estado.
• Executar simultaneamente um "Detector 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: altera o mínimo possível as regras do EVM, implementando a paralelização através da escrita de estado adiada e detecção dinâmica de conflitos durante o processo de execução, assemelhando-se mais a uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade que facilita a migração do ecossistema EVM, sendo um acelerador de paralelização no mundo EVM.

Análise do mecanismo de computação paralela do MegaETH

Diferentemente da localização L1 do Monad, o MegaETH é posicionado como uma camada de execução paralela de alto desempenho compatível com EVM, podendo funcionar tanto como uma blockchain pública L1 independente, quanto como uma camada de execução aprimorada na Ethereum (Execution Layer) ou componente modular. O objetivo central de seu design é isolar a lógica da conta, o ambiente de execução e o estado em unidades mínimas que podem ser agendadas de forma independente, para alcançar uma execução de alta concorrência dentro da cadeia e uma capacidade de resposta de baixa latência. A inovação chave proposta pelo MegaETH reside na arquitetura Micro-VM + State Dependency DAG (grafo acíclico dirigido de dependência de estado) 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 "uma Micro-VM por conta", que "threadiza" o ambiente de execução, proporcionando a menor unidade de isolamento para o agendamento paralelo. Essas VMs se comunicam entre si através de mensagens assíncronas, em vez de chamadas síncronas, permitindo que várias VMs sejam executadas de forma independente e armazenadas 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 dependência global (Dependency Graph). Cada transação modela quais contas são modificadas e quais contas 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 ou adiadas em ordem topológica. O gráfico de dependência garante a consistência do estado e a não duplicação de gravações 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 EVM de thread única, implementando o encapsulamento de micro máquinas virtuais por unidade de conta, gerenciando transações através 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 sua dimensão, desde a "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", oferecendo novas perspectivas de paradigma para a construção de sistemas de alta performance na blockchain da próxima geração.

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

Monad e MegaETH têm conceitos de design bastante diferentes dos de sharding: o sharding divide a blockchain horizontalmente em várias sub-chains independentes (shards), cada sub-chain é responsável por parte das transações e estados, quebrando as limitações de uma única chain 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 superar o desempenho. Ambos representam duas direções no caminho de escalabilidade da blockchain: o reforço vertical e a 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 na cadeia, alcançando processamento paralelo em nível de transação ou conta por meio da Execução Diferida (Deferred Execution) e da arquitetura de Micro-VM. Por outro lado, a Pharos Network, como uma rede de blockchain L1 modular e full-stack paralela, possui um mecanismo de computação paralela central chamado "Rollup Mesh". Essa arquitetura suporta um ambiente de múltiplas máquinas virtuais (EVM e Wasm) através da colaboração entre a rede principal e redes de processamento especializadas (SPNs), além de integrar 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): Pharos desacopla as várias fases da transação (como consenso, execução, armazenamento) e adota um modo de processamento assíncrono, permitindo que cada fase seja realizada de forma independente e paralela, 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 de acordo com suas necessidades. Esta arquitetura de dual VM não só aumenta a flexibilidade do sistema, mas também melhora a capacidade de processamento de transações através da execução paralela.
3. Redes de Processamento Especial (SPNs): SPNs são componentes chave na 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 Mecanismo de Reestacagem (Modular Consensus & Restaking): Pharos introduz um mecanismo de consenso flexível que suporta vários modelos de consenso (como PBFT, PoS, PoA) e realiza a reestacagem através de um protocolo de reestacagem (Restaking) para a mainnet e SPNs.