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

O "Trilema da Blockchain" revela os trade-offs essenciais no design de sistemas blockchain, onde é difícil para os projetos de blockchain alcançar simultaneamente "máxima segurança, participação universal e processamento rápido". Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", as soluções de escalabilidade de blockchain atualmente disponíveis no mercado são classificadas por paradigma, incluindo:

• Executar escalabilidade aprimorada: aumentar a capacidade de execução no local, como paralelismo, GPU e múltiplos núcleos.
• Escalabilidade por isolamento de estado: divisão horizontal de estado / Shard, como fragmentação, UTXO, múltiplas sub-redes
• Escalabilidade do tipo off-chain: executar fora da cadeia, por exemplo, Rollup, Coprocessor, DA
• Expansão de desacoplamento estrutural: modularidade da arquitetura, operação colaborativa, como cadeias de módulos, ordenadores compartilhados, Rollup Mesh
• Expansão assíncrona e concorrente: Modelo Actor, isolamento de processos, orientado a mensagens, como agentes, cadeias assíncronas de múltiplas threads.

As soluções de escalabilidade da blockchain incluem: computação paralela dentro da cadeia, Rollup, sharding, módulos DA, estrutura modular, sistema Actor, compressão de prova zk, arquitetura Stateless, entre outros, abrangendo múltiplos níveis de execução, estado, dados e estrutura, formando um sistema completo de escalabilidade "multinível e modular". Este artigo foca principalmente na forma de escalabilidade dominante baseada em computação paralela.

Cálculo paralelo 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 buscas de desempenho, modelos de desenvolvimento e filosofias de arquitetura, com o grau de paralelismo cada vez mais fino, intensidade de paralelismo cada vez mais alta, complexidade de agendamento também aumentando, e a complexidade de programação e dificuldade de implementação também aumentando.

• Paralelismo a nível de conta (Account-level): representa o projeto Solana
• Paralelismo a nível de objeto (Object-level): representa o projeto Sui
• Paralelismo ao nível de transação (Transaction-level): representa o projeto 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 (Agent / Actor Model), que pertence a outro paradigma de computação paralela. Como um sistema de mensagens assíncronas / cross-chain (modelo de não sincronização em blocos), cada Agent atua como um "processo inteligente" que opera de forma independente, com mensagens assíncronas em modo paralelo, acionado por eventos, sem necessidade de agendamento de sincronização. Projetos representativos incluem AO, ICP, Cartesi, entre outros.

As soluções de Rollup ou de escalabilidade por sharding, que são bem conhecidas por nós, pertencem ao mecanismo de concorrência em nível de sistema e não se enquadram no cálculo paralelo dentro da cadeia. Elas realizam a escalabilidade através da "execução paralela de várias cadeias / domínios de execução", ao invés de aumentar a paralelização 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 usá-las para comparar as semelhanças e diferenças dos conceitos de arquitetura.

II. EVM Chain de Paralelismo Aprimorado: Rompendo Limites de Desempenho na Compatibilidade

A arquitetura de processamento em série do Ethereum evoluiu até hoje, passando por tentativas de escalabilidade como sharding, Rollup e modularização, mas o gargalo de throughput da camada de execução ainda não teve uma solução 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, as cadeias paralelas do sistema EVM, que equilibram a compatibilidade ecológica e a melhoria do 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 partir da execução com atraso e da decomposição de estado, construindo uma arquitetura de processamento paralelo EVM voltada para cenários de alta concorrência e alto throughput.

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), executando de forma assíncrona na camada de consenso (Asynchronous Execution) e com concorrência otimista (Optimistic Parallel Execution) na camada de execução. Além disso, na camada de consenso e armazenamento, a 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 fundamental da execução paralela de Monads, 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 opera em threads ou núcleos independentes, permitindo o processamento concorrente entre blocos, resultando em maior taxa de transferência e 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 e a execução das transações são geralmente processos síncronos, e esse modelo em série limita severamente a escalabilidade de desempenho. O Monad implementou a execução assíncrona, com consenso assíncrono, execução assíncrona e armazenamento assíncrono. Isso reduz significativamente o tempo de bloco (block time) e a latência de confirmação, tornando o sistema mais resiliente, com processos mais detalhados 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 do contrato.
• 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 próximo processo de consenso de bloco, sem esperar pela conclusão da execução.

Execução Paralela Otimista: Optimistic Parallel Execution

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 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 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: alterando o mínimo possível as regras do EVM, implementando paralelismo através do adiamento da escrita do estado e da detecção dinâmica de conflitos durante a execução, assemelhando-se mais a uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade e fácil implementação da migração do ecossistema EVM, servindo como um acelerador paralelo 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, podendo atuar tanto como uma blockchain pública L1 independente quanto como uma camada de execução aprimorada ou componente modular na Ethereum. O objetivo de design central é desconstruir a lógica da conta, o ambiente de execução e o estado em unidades mínimas que possam ser agendadas de forma independente, para alcançar alta execução concorrente e baixa latência de resposta dentro da cadeia. A inovação chave proposta pelo MegaETH reside na: arquitetura Micro-VM + DAG de Dependência de Estado (gráfico 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 fio

MegaETH introduziu o modelo de execução "uma Micro-VM por conta", que "threadiza" o ambiente de execução, fornecendo 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 várias VMs executem e armazenem de forma independente, naturalmente em paralelo.

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 dependência global (Dependency Graph). A cada transação, quais contas são modificadas e quais contas são lidas são todas modeladas como relações de dependência. Transações sem conflitos podem ser executadas em paralelo, enquanto transações com relações de dependência serão agendadas em ordem topológica, seja em série ou adiadas. O gráfico de dependência garante a consistência de 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 rompe com o modelo tradicional de máquina de estados de thread única EVM, implementando encapsulamento de micro máquinas virtuais por unidade de conta, realizando o agendamento de 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 dimensão "estrutura da conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", que oferece novas ideias de nível de paradigma para a construção de sistemas de alta performance na próxima geração.

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

A filosofia de design tanto do Monad quanto do MegaETH difere bastante da fragmentação (Sharding): a fragmentação divide a blockchain horizontalmente em várias sub-chains independentes (fragmentos Shards), cada uma responsável por parte das transações e estados, rompendo as limitações de uma única cadeia na expansão em nível de rede; enquanto o Monad e o MegaETH mantêm a integridade da cadeia única, expandindo horizontalmente apenas na camada de execução, otimizando a execução paralela interna da cadeia única para superar o desempenho. Ambos representam caminhos de expansão da blockchain em direções de reforço vertical e expansão horizontal.

Os projetos de computação paralela, como Monad e MegaETH, concentram-se principalmente em otimizar o caminho de throughput, com o objetivo central de aumentar o TPS na cadeia. Isso é realizado através da execução adiada (Deferred Execution) e da arquitetura de micro máquina virtual (Micro-VM) para processamento paralelo em nível de transação ou conta. A Pharos Network, como uma rede de blockchain modular e full-stack L1, possui um mecanismo central de computação paralela chamado «Rollup Mesh». Esta arquitetura suporta o trabalho conjunto entre a rede principal e redes de processamento especial (SPNs), permitindo ambientes de múltiplas máquinas virtuais (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 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 paralela, 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 de acordo com suas necessidades. Essa 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, projetadas especificamente 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 Reestaque (Modular Consensus & Restaking): Pharos introduziu um mecanismo de consenso flexível, suportando vários modelos de consenso (como PBFT, PoS, PoA), e implementa a rede principal com SPNs através do protocolo de Reestaque (Restaking)