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

I. Visão geral da computação paralela

O "Trilema da Blockchain" revela o compromisso essencial no design de sistemas de blockchain entre "segurança", "descentralização" e "escalabilidade", ou seja, é difícil para os projetos de blockchain alcançarem simultaneamente "segurança extrema, participação universal e processamento rápido". Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", as soluções de escalonamento de blockchain atualmente disponíveis no mercado são divididas em paradigmas, incluindo:

• Executar escalabilidade aprimorada: aumentar a capacidade de execução no local, como paralelismo, GPU e multicores.
• Escalabilidade de isolamento de estado: divisão horizontal de estado/Sharding, por exemplo, sharding, UTXO, múltiplas sub-redes
• Expansão off-chain: executar fora da cadeia, como Rollup, Coprocessor, DA
• Desacoplamento da estrutura para escalabilidade: modularidade da arquitetura, operação colaborativa, por exemplo, cadeia de módulos, ordenadores compartilhados, Rollup Mesh
• Escalabilidade assíncrona e concorrente: modelo Actor, isolamento de processos, impulsionado por mensagens, como agentes, cadeia assíncrona de múltiplas threads.

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, formando um sistema completo de escalabilidade "multi-camadas e combinação modular". Este artigo foca principalmente na forma de escalabilidade baseada em computação paralela.

Paralelismo intra-cadeia (, focando na execução paralela de transações/instruções dentro do bloco. De acordo com o mecanismo de paralelismo, suas maneiras de escalabilidade podem ser divididas em cinco grandes categorias, cada uma representando diferentes perseguições de desempenho, modelos de desenvolvimento e filosofias de arquitetura, com o grau de paralelismo tornando-se progressivamente mais fino, a intensidade de paralelismo aumentando, a complexidade de agendamento se tornando cada vez mais alta, e a complexidade de programação e dificuldade de implementação também se elevando.

• 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
• Chamadas de nível / MicroVM 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 de Agente / Ator), que pertence a outro paradigma de computação paralela, como um sistema de mensagens assíncronas / intercadeias (modelo não sincronizado de bloco), onde cada Agente atua como um "processo inteligente independente", permitindo mensagens assíncronas em modo paralelo, acionadas por eventos, sem necessidade de agendamento sincronizado. Projetos representativos incluem AO, ICP, Cartesi, entre outros.

Os conhecidos Rollup ou soluções de escalabilidade por sharding pertencem a mecanismos de concorrência a nível de sistema e não a cálculos paralelos dentro da cadeia. Eles alcançam 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. Este tipo de solução de escalabilidade não é o foco principal deste artigo, mas ainda assim iremos utilizá-lo para comparações de similaridades e diferenças em conceitos de arquitetura.

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2. Cadeia de Aumento Paralelo EVM: Superando os Limites de Desempenho na Compatibilidade

A arquitetura de processamento em série do Ethereum, até hoje, passou por várias tentativas de escalabilidade, incluindo sharding, Rollup e arquitetura modular, mas o gargalo de throughput na camada de execução ainda não teve uma ruptura fundamental. Entretanto, o EVM e o Solidity continuam a ser as plataformas de contratos inteligentes com a maior base de desenvolvedores e potencial ecológico. Portanto, as cadeias paralelas do tipo EVM, que equilibram a compatibilidade ecológica e a melhoria do desempenho de execução, estão se tornando uma direção importante na evolução da escalabilidade. Monad e MegaETH são os projetos mais representativos nessa direção, cada um construindo uma arquitetura de processamento paralelo EVM voltada para cenários de alta concorrência e alto throughput, 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 concorrente otimista (Optimistic Parallel Execution) na camada de execução. Além disso, nas camadas de consenso e armazenamento, o Monad introduz um protocolo BFT de alto desempenho (MonadBFT) e um sistema de banco de dados dedicado (MonadDB), alcançando otimização de ponta a ponta.

Pipelining: Mecanismo de execução paralela em múltiplas fases

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, alcançando assim um aumento no throughput e uma redução na latência. Essas fases incluem: Proposta de transação (Propose), Acordo de consenso (Consensus), Execução de transação (Execution) e Submissão de bloco (Commit).

Execução Assíncrona: desacoplamento de consenso e execução assíncrona

Na cadeia tradicional, o consenso e a execução das transações normalmente são processos síncronos, e esse modelo sequencial limita seriamente a escalabilidade de desempenho. O Monad alcançou a camada de consenso assíncrona, a camada de execução assíncrona e o armazenamento assíncrono 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 utilização de recursos.

Design central:

• O processo de consenso (camada de consenso) é responsável apenas por ordenar transações, não executa a lógica de contratos.
• O processo de execução (camada de execução) é desencadeado 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: Execução Paralela Otimista

O Ethereum tradicional utiliza um modelo de execução estritamente serial para 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 possui conflitos de estado.
• Executar simultaneamente um "Detetor 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 nas regras da EVM, implementando a paralelização durante a execução através do adiamento da escrita de estado e da detecção dinâmica de conflitos, assemelhando-se mais a uma versão de desempenho do Ethereum. Com uma boa maturidade, é fácil realizar a migração do ecossistema EVM, atuando como um acelerador de paralelização no mundo EVM.

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) Análise do mecanismo de computação paralela do MegaETH

Diferentemente do posicionamento 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 melhoria de execução (Execution Layer) ou componente modular na Ethereum. Seu objetivo de design central é isolar e desconstruir a lógica da conta, o ambiente de execução e o estado em unidades mínimas que podem ser agendadas de forma independente, visando alcançar uma alta execução concorrente e capacidade de resposta de baixa latência dentro da cadeia. A inovação chave proposta pelo MegaETH reside na: arquitetura Micro-VM + DAG de Dependência de Estado (Directed Acyclic Graph) 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 o modelo de execução "uma micro-maquina virtual (Micro-VM) por conta", "multithreading" do ambiente de execução, fornecendo a menor unidade de isolamento para agendamento paralelo. Essas VMs comunicam-se entre si por meio de mensagens assíncronas (Asynchronous Messaging), em vez de chamadas síncronas, permitindo que um grande número de VMs execute de forma independente e armazene de forma independente, naturalmente em paralelo.

Dependência de Estado DAG: Mecanismo de Agendamento Baseado em Gráfico de Dependência

O 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 são lidas, tudo como relações de dependência. Transações sem conflitos podem ser executadas em paralelo diretamente, enquanto transações com relações de dependência serão programadas em ordem topológica ou adiadas. 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 rompe com o modelo tradicional de máquina de estado de thread único EVM, implementando o encapsulamento de micromáquinas 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. É uma plataforma de computação paralela redesenhada em todos os dimensões a partir da "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", proporcionando novas ideias em nível de paradigma para a construção de sistemas de cadeia on-line de alto desempenho de próxima geração.

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

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Monad e MegaETH têm conceitos de design bastante diferentes de sharding: sharding divide a blockchain horizontalmente em várias sub-blockchains independentes (shards), cada uma responsável por parte das transações e estados, quebrando as limitações de uma única cadeia para expandir na camada de rede; enquanto Monad e MegaETH mantêm a integridade da única cadeia, expandindo horizontalmente apenas na camada de execução, otimizando a execução paralela extrema dentro da única cadeia 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 em otimizar o throughput, com o objetivo central de melhorar o TPS dentro da cadeia, alcançando processamento paralelo em nível de transação ou de conta por meio de Execução Diferida (Deferred Execution) e uma arquitetura de Micro-VM. O Pharos Network, como uma rede blockchain L1 modular e full-stack de paralelismo, tem seu mecanismo de computação paralela central chamado "Rollup Mesh". Esta arquitetura apoia o trabalho colaborativo entre a rede principal e redes de processamento especializadas (SPNs), suportando 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 de Pipeline de Ciclo de Vida Completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos desacopla as várias fases das transações (como consenso, execução, armazenamento) e utiliza um método de processamento assíncrono, permitindo que cada fase ocorra 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 mais adequado de acordo com suas necessidades. Essa arquitetura de dupla VM não só aumenta a flexibilidade do sistema, mas também melhora a capacidade de processamento de transações através da execução paralela.
3. Redes de Tratamento 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, melhorando ainda mais a escalabilidade e o desempenho do sistema.
4. Consenso Modular e Mecanismo de Re-staking (Modular Consensus & Restaking): O Pharos introduziu um mecanismo de consenso flexível, suportando vários modelos de consenso (como PBFT, PoS, PoA), e através do protocolo de re-staking (Restaking) realiza o compartilhamento seguro e a integração de recursos entre a mainnet e os SPNs.

Além disso, o Pharos reestrutura o modelo de execução a partir da camada de armazenamento usando várias versões de árvores de Merkle, codificação diferencial (Delta Encoding), endereçamento versionado (Versioned Addressing) e tecnologia de empurrão ADS (ADS Pushdown), lançando o motor de armazenamento de alta performance nativo de blockchain, Pharos Store, que alcança alta taxa de transferência, baixa latência e forte capacidade.