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

O "triângulo impossível" da blockchain (Blockchain Trilemma) de "segurança", "descentralização" e "escalabilidade" revela o equilíbrio essencial no design dos sistemas de blockchain, 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 principais soluções de escalabilidade de blockchain atualmente no mercado são classificadas conforme o paradigma, incluindo:

• Executar escalonamento aprimorado: melhorar a capacidade de execução no local, como paralelismo, GPU, multi-core
• Isolamento de estado para escalabilidade: divisão horizontal de estado / Shard, por exemplo, sharding, UTXO, múltiplas sub-redes
• Expansão do tipo off-chain: colocar a execução fora da cadeia, por exemplo, Rollup, Coprocessor, DA
• Expansão de desacoplamento estrutural: modularidade da arquitetura, operação colaborativa, como cadeias modulares, ordenadores compartilhados, Rollup Mesh
• Escalabilidade assíncrona e concorrente: Modelo Actor, isolamento de processos, orientado a 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 "multi-nível e combinação modular". Este artigo foca principalmente nas soluções de escalabilidade com base na computação paralela.

Cálculo paralelo intra-cadeia (intra-chain parallelism), focando na execução paralela de transações / instruções dentro do bloco. Quanto ao mecanismo de paralelismo, sua forma de escalabilidade pode ser dividida em cinco grandes categorias, cada uma representando diferentes metas de desempenho, modelos de desenvolvimento e filosofias de arquitetura, com o granulado de paralelismo tornando-se cada vez mais fino, a intensidade do paralelismo aumentando, a complexidade de agendamento também aumentando, 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
• Paralelismo a 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 (Modelo de Agente/Actor), que pertence a um outro paradigma de computação paralela. Como um sistema de mensagens assíncronas / intercadeia (modelo de não sincronização de blocos), cada Agente funciona como um "processo inteligente" independente, enviando mensagens de forma assíncrona em paralelo, baseado em 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 e não a cálculos paralelos dentro da cadeia. Eles realizam a escalabilidade através da "execução paralela de múltiplas cadeias / domínios de execução", em vez de aumentar o grau de paralelismo dentro de um único bloco / máquina virtual. Essas soluções de escalabilidade não são o foco da discussão deste artigo, mas ainda assim as utilizaremos para comparações sobre as diferenças na filosofia de arquitetura.

Dois, EVM Sistema de Cadeia Paralela Aumentada: Rompendo Limites de Desempenho na Compatibilidade

A arquitetura de processamento em série do Ethereum se desenvolveu até hoje, passando por várias tentativas de escalonamento, incluindo sharding, Rollup e arquitetura modular, mas o gargalo de throughput na camada de execução ainda não foi fundamentalmente superado. No entanto, ao mesmo tempo, EVM e Solidity continuam a ser as plataformas de contratos inteligentes com a maior base de desenvolvedores e potencial ecológico. Assim, as cadeias paralelas EVM são um caminho chave que equilibra a compatibilidade ecológica e a melhoria do desempenho de execução, tornando-se uma direção importante na evolução do novo ciclo 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, a partir da execução atrasada e da decomposição de estado, respectivamente.

Análise do mecanismo de computação paralela Monad

Monad é uma blockchain Layer1 de alto desempenho reimaginada 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 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 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 de forma paralela, formando uma arquitetura de pipeline tridimensional. Cada fase é executada em uma thread ou núcleo independente, permitindo o processamento concorrente entre blocos e, finalmente, aumentando a taxa de transferência e reduzindo a latência. Essas fases incluem: Proposta de Transação (Propose), Acordo de Consenso (Consensus), Execução de Transação (Execution) e Submissão de Bloco (Commit).

Execução Assíncrona: Consenso - Execução Assíncrona Desacoplada

Na cadeia tradicional, o consenso e a execução das transações geralmente são processos síncronos, e esse modelo sequencial limita severamente a escalabilidade do 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 dos recursos.

Design central:

• O processo de consenso (camada de consenso) é responsável apenas pela ordenação das transações, não executa a lógica dos contratos.
• O processo de execução (camada de execução) é acionado de forma assíncrona após a conclusão do consenso.
• Após a conclusão do consenso, o processo de consenso do próximo bloco é iniciado imediatamente, sem necessidade de esperar pela conclusão da execução.

Execução Paralela Otimista：Optimistic Parallel Execution

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 irá executar todas as transações em paralelo de forma otimista, 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 executadas novamente 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 gravação de estado e da detecção dinâmica de conflitos durante a execução, parecendo mais uma versão de desempenho do Ethereum. A maturidade facilita a migração do ecossistema EVM, atuando como um acelerador de paralelismo no mundo do EVM.

Análise do mecanismo de computação paralela do MegaETH

Diferente da localização L1 do Monad, o MegaETH é posicionado como uma camada de execução modular de alto desempenho compatível com EVM, podendo atuar tanto como uma blockchain pública L1 independente quanto como uma camada de execução aprimorada (Execution Layer) ou componente modular na Ethereum. O objetivo central de seu design é isolar e desconstruir a lógica da conta, o ambiente de execução e o estado em unidades mínimas que podem ser agendadas independentemente, a fim de alcançar uma execução de alta concorrência e uma 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 de Dependência de Estado) e 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-Virtual Machine (Micro-VM) por conta", tornando o ambiente de execução "multithreaded" e fornecendo a menor unidade de isolamento para agendamento paralelo. Essas VMs se comunicam entre si através de mensagens assíncronas (Asynchronous Messaging), em vez de chamadas síncronas, permitindo que muitas VMs sejam executadas independentemente e armazenem de forma independente, resultando em paralelismo natural.

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 como uma relação de dependência. Transações sem conflitos podem ser executadas em paralelo diretamente, enquanto transações com relações de dependência serão agendadas em ordem topológica, de forma serial ou adiadas. O gráfico de dependência garante consistência de estado e gravações não repetidas durante o processo de execução paralela.

Execução assíncrona e mecanismo de callback

B

Em suma, o MegaETH rompe com o modelo tradicional de máquina de estado de thread único EVM, implementando encapsulamento de micromáquinas virtuais com base em contas, realizando agendamento de transações através de um grafo 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 dimensão de "estrutura de contas → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", oferecendo uma nova abordagem de nível paradigmático para a construção do próximo sistema de alta performance em cadeia.

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

A Monad e a MegaETH têm conceitos de design bastante diferentes em relação ao 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 escalabilidade da camada de rede; enquanto a Monad e a MegaETH mantêm a integridade da single chain, expandindo horizontalmente apenas na camada de execução, otimizando a execução paralela interna da single chain para superar o desempenho. Ambas 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 através da execução adiada (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, cuja mecânica central de computação paralela é chamada de "Rollup Mesh". Esta arquitetura suporta um ambiente de múltiplas máquinas virtuais (EVM e Wasm) através da colaboração entre a rede principal e redes de processamento especializadas (SPNs), integrando 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 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 com base nas 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 Processamento Especial (SPNs): As SPNs são componentes-chave da arquitetura Pharos, semelhantes a sub-redes modularizadas, especialmente concebidas para lidar com tipos específicos de tarefas ou aplicações. Através das SPNs, o Pharos pode alcançar alocação dinâmica de recursos e processamento paralelo de tarefas, aumentando ainda mais a escalabilidade e o desempenho do sistema.
4. Consenso modular e重