Relatório de Pesquisa Profunda sobre Computação Paralela em Web3: O Caminho Final para a Expansão Nativa

I. Introdução: A escalabilidade é um tema eterno, e a paralelização é o campo de batalha final

Desde o seu surgimento, os sistemas de blockchain enfrentam o problema central da escalabilidade. Os gargalos de desempenho do Bitcoin e do Ethereum são difíceis de quebrar, muito abaixo dos sistemas tradicionais Web2. Isso não é algo que pode ser resolvido apenas aumentando o hardware, mas sim uma limitação sistêmica que surge do design subjacente da blockchain.

Nos últimos dez anos, a indústria tentou várias abordagens de escalabilidade. Desde a controvérsia sobre a escalabilidade do Bitcoin até a fragmentação do Ethereum, passando pelos canais de estado até Rollup e blockchains modularizados, a tecnologia de escalabilidade tem evoluído continuamente. O Rollup, como solução predominante atualmente, melhora o desempenho enquanto preserva a segurança da cadeia principal. No entanto, ele não tocou no verdadeiro limite de "desempenho de uma única cadeia" no nível fundamental da blockchain, especialmente porque a camada de execução ainda é limitada pelo modo de cálculo serial.

Assim, o cálculo paralelo dentro da cadeia gradualmente entrou no radar da indústria. Ele tenta reconstruir completamente o motor de execução, mantendo a atomicidade de uma única cadeia, elevando a blockchain a um sistema de computação de alta concorrência. Isso não só pode trazer aumentos de desempenho de centenas de vezes, mas também pode se tornar a condição-chave para a explosão das aplicações de contratos inteligentes.

Na verdade, o cálculo de thread único já foi eliminado no campo do Web2, sendo substituído por modelos de otimização como programação paralela e agendamento assíncrono. No entanto, a blockchain, como um sistema de computação mais primitivo e com maiores exigências de determinismo, nunca conseguiu aproveitar plenamente essas ideias paralelas. Isso é tanto uma limitação quanto uma oportunidade. A nova geração de blockchains e projetos está explorando profundamente este campo, tentando levar o modelo de execução da blockchain para o paradigma dos sistemas operativos modernos.

Pode-se dizer que o cálculo paralelo não é apenas um meio de otimização de desempenho, mas também um ponto de viragem no modelo de execução da blockchain. Ele desafia o modelo fundamental da execução de contratos inteligentes, redefinindo a lógica básica do processamento de transações. O seu objetivo é fornecer uma verdadeira infraestrutura sustentável para apoiar as aplicações nativas da Web3 no futuro.

Após a convergência na corrida de Rollup, a paralelização on-chain está se tornando a chave para a competição do novo ciclo Layer 1. Isto não é apenas uma corrida tecnológica, mas uma luta de paradigmas. A próxima geração de plataformas de execução soberanas no mundo Web3 pode muito bem surgir dessa luta pela paralelização on-chain.

Dois, panorama do paradigma de escalabilidade: cinco tipos de rotas, cada uma com seu foco.

A escalabilidade, como um dos tópicos mais importantes na evolução da tecnologia de blockchain, gerou quase todos os caminhos tecnológicos principais na última década. Esta competição tecnológica sobre "como fazer a cadeia correr mais rápido" acabou por resultar em cinco grandes rotas básicas, cada uma abordando o gargalo sob diferentes ângulos, com suas próprias filosofias tecnológicas, dificuldades de implementação, modelos de risco e cenários de aplicação.

A primeira categoria é a expansão on-chain mais direta, como aumentar o tamanho dos blocos, reduzir o tempo de criação de blocos, etc. Este método mantém a simplicidade da consistência de uma única cadeia, mas está sujeito a riscos de centralização e ao aumento dos custos dos nós, entre outros limites sistêmicos, e atualmente já não é mais uma solução central na corrente principal.

A segunda categoria é a expansão fora da cadeia, representada por canais de estado e cadeias laterais. Este caminho transfere a maior parte das atividades de negociação para fora da cadeia, escrevendo apenas o resultado final na cadeia principal. Embora teoricamente possa expandir a capacidade de processamento indefinidamente, o modelo de confiança e as questões de segurança das transações fora da cadeia limitam sua aplicação.

A terceira categoria é a rota Layer2 Rollup atualmente mais popular. Ela realiza a escalabilidade através de um mecanismo de execução fora da cadeia e verificação na cadeia, equilibrando descentralização e alto desempenho. No entanto, também expõe uma forte dependência da disponibilidade de dados e custos ainda elevados, entre outros gargalos de médio prazo.

A quarta categoria é a arquitetura de blockchain modular que surgiu nos últimos anos. Ela desacopla completamente as funções principais da blockchain, permitindo que várias cadeias especializadas cumpram diferentes funções. Esta direção permite a substituição flexível de componentes do sistema, mas exige altos padrões de segurança entre cadeias e de protocolos.

A última categoria é o caminho de otimização de cálculo paralelo dentro da cadeia. Ela enfatiza a alteração da arquitetura do mecanismo de execução dentro de uma única cadeia para realizar o processamento concorrente de transações atômicas. Esta direção não depende da arquitetura de múltiplas cadeias para superar os limites de desempenho, sendo um pré-requisito técnico importante para cenários de aplicações complexas no futuro.

Analisando essas cinco categorias de caminhos, por trás delas está a ponderação sistemática da blockchain entre desempenho, combinabilidade, segurança e complexidade de desenvolvimento. Cada caminho tem suas vantagens e desvantagens, formando um panorama da atualização do paradigma computacional do Web3, oferecendo à indústria opções estratégicas ricas.

Assim como na história os sistemas operacionais passaram de um núcleo para múltiplos núcleos, o caminho de escalabilidade do Web3 também avançará para uma era de execução altamente paralelizada. Nesta era, o desempenho não será mais apenas uma competição de velocidade da cadeia, mas sim uma manifestação abrangente da filosofia de design subjacente e do controle do sistema. A paralelização dentro da cadeia poderá ser o campo de batalha final desta longa guerra.

Três, Mapa de Classificação de Cálculo Paralelo: Os Cinco Principais Caminhos de Conta a Instrução

No contexto da evolução contínua das tecnologias de escalabilidade da blockchain, a computação paralela tornou-se gradualmente o caminho central para a superação de desempenho. A partir do modelo de execução, podemos elaborar um mapa de classificação claro da computação paralela, que se divide aproximadamente em cinco caminhos tecnológicos: paralelismo a nível de conta, paralelismo a nível de objeto, paralelismo a nível de transação, paralelismo a nível de máquina virtual e paralelismo a nível de instrução. Esses cinco tipos de caminhos vão de um nível grosseiro a um nível fino, representando tanto um processo de refinamento contínuo da lógica paralela quanto um aumento constante na complexidade do sistema e na dificuldade de agendamento.

A paridade de contas de nível mais antiga, representada pelo Solana. Este modelo é baseado em um design desacoplado de conta-estado, que, através da análise estática do conjunto de contas envolvidas nas transações, determina se há relações de conflito. Este mecanismo é adequado para lidar com transações claramente estruturadas, mas ao enfrentar contratos inteligentes complexos, pode haver uma diminuição na paralelização.

A paralelização a nível de objeto foi ainda mais refinada, introduzindo a abstração semântica de recursos e módulos. Aptos e Sui são importantes exploradores nessa direção, especialmente o Sui, que através do sistema de tipos lineares da linguagem Move, permite um controle preciso dos conflitos de acesso a recursos em tempo de execução. Este método é mais versátil e escalável, mas também introduz uma barreira linguística mais alta e complexidade no desenvolvimento.

A paralelização a nível de transações é a direção explorada pela nova geração de cadeias de alto desempenho representada por Monad, Sei e Fuel. Este caminho gira em torno da construção de um gráfico de dependências para a própria transação, construindo um gráfico de transação através de análise estática ou dinâmica, e dependente de um agendador para execução em fluxo concorrente. Este mecanismo requer um gerenciador de dependências e um detector de conflitos extremamente complexos, mas sua capacidade de throughput potencial é muito superior à de modelos de contas ou objetos.

A paralelização a nível de máquina virtual incorpora diretamente a capacidade de execução concorrente na lógica de agendamento de instruções da VM. MegaETH, como um "experimento de super máquina virtual" dentro do ecossistema Ethereum, está tentando, através do redesenho da EVM, torná-la compatível com a execução concorrente de código de contratos inteligentes em múltiplas threads. A maior dificuldade nesse método é que é necessário ser completamente compatível com a semântica do comportamento da EVM existente, enquanto se transforma todo o ambiente de execução e o mecanismo de Gas.

A última categoria de caminhos é a paralelização a nível de instrução. A sua ideia origina-se na execução fora de ordem e no pipeline de instruções do design moderno de CPUs. A equipe Fuel já introduziu um modelo de execução que permite a reordenação a nível de instrução em seu FuelVM. A longo prazo, uma vez que o motor de execução da blockchain implemente a execução preditiva de dependências de instrução e a reordenação dinâmica, o seu nível de paralelização atingirá o limite teórico.

Em suma, as cinco grandes vias que compõem o espectro de desenvolvimento da computação paralela dentro da cadeia são: contas, objetos, transações, VM e instruções. Desde estruturas de dados estáticas até mecanismos de agendamento dinâmico, desde previsão de acesso ao estado até reordenação em nível de instrução, cada avanço na tecnologia paralela implica um aumento significativo na complexidade do sistema e na barreira de entrada para o desenvolvimento. Mas, ao mesmo tempo, eles também marcam uma mudança de paradigma no modelo de computação em blockchain, passando do livro razão de consenso total para um ambiente de execução distribuída de alto desempenho, previsível e programável. A escolha das vias paralelas por diferentes blockchains determinará o limite máximo de sua futura ecologia de aplicações, bem como sua competitividade central em cenários como Agentes de IA, jogos em cadeia e negociação de alta frequência em cadeia.

Quatro, Análise Profunda das Duas Principais Corridas: Monad vs MegaETH

Na evolução da computação paralela em múltiplos caminhos, as duas principais linhas tecnológicas que atualmente atraem a maior atenção do mercado são a "construção de uma cadeia de computação paralela do zero", representada pelo Monad, e a "revolução paralela dentro do EVM", representada pelo MegaETH. Ambas não são apenas as direções de pesquisa mais intensamente investidas pelos engenheiros de criptografia atualmente, mas também são os dois símbolos mais definitivos na competição de desempenho de computadores Web3. Elas representam uma corrida entre um paradigma paralelo de "reconstrucionismo" e um de "compatibilismo", influenciando profundamente a imaginação do mercado sobre a forma final das cadeias de alto desempenho.

Monad é um "purista do cálculo" radical, cuja filosofia de design não tem como objetivo a compatibilidade com a EVM existente, mas sim se inspira em bancos de dados modernos e sistemas multinúcleo de alto desempenho para redefinir a maneira como o motor de execução da blockchain opera em seu nível mais básico. Seu sistema tecnológico central depende de mecanismos maduros do campo dos bancos de dados, como controle de concorrência otimista, agendamento de DAG de transações, execução fora de ordem e pipelines de processamento em lote, com o objetivo de elevar o desempenho de processamento de transações da cadeia para a faixa de milhões de TPS. Na arquitetura Monad, a execução e a ordenação das transações são completamente desacopladas; o sistema primeiro constrói um gráfico de dependência de transações e, em seguida, delega a execução paralela em pipeline a um planejador. Este mecanismo é extremamente complexo em termos de implementação técnica, exigindo a construção de um conjunto de pilhas de execução semelhante ao gerenciador de transações de bancos de dados modernos, mas teoricamente pode empurrar o limite de throughput a alturas que o círculo da cadeia nunca imaginou.

E o mais importante é que o Monad não abriu mão da interoperabilidade com a EVM. Ele suporta os desenvolvedores a escrever contratos utilizando a sintaxe Solidity através de uma camada intermediária semelhante a uma "Linguagem Intermediária Compatível com Solidity", ao mesmo tempo em que realiza otimização de linguagem intermediária e agendamento paralelo no mecanismo de execução. Esta estratégia de design de "compatibilidade superficial e reestruturação em nível inferior" permite que mantenha a amigabilidade para os desenvolvedores do ecossistema Ethereum, ao mesmo tempo que libera ao máximo o potencial de execução de baixo nível, sendo uma estratégia técnica típica de "engolir a EVM e depois desconstruí-la".

Diferente da postura de "construtor de novos mundos" da Monad, o MegaETH escolhe partir do mundo existente do Ethereum, alcançando uma grande melhoria na eficiência de execução com um custo de mudança muito baixo. O MegaETH não derruba a norma EVM, mas busca incorporar a capacidade de computação paralela no motor de execução EVM existente, criando uma versão futura de "EVM multicore". Seu princípio básico reside na reestruturação completa do modelo de execução de instruções EVM atual, conferindo-lhe capacidades como isolamento a nível de thread, execução assíncrona a nível de contrato e detecção de conflitos de acesso ao estado, permitindo assim que vários contratos inteligentes sejam executados simultaneamente no mesmo bloco e, finalmente, mesclando as alterações de estado. Este caminho de "revolução conservadora" é extremamente atraente, especialmente para o ecossistema L2 do Ethereum, pois oferece uma via ideal que não requer migração de sintaxe e uma atualização de desempenho sem dor.

O avanço central do MegaETH reside no seu mecanismo de agendamento de múltiplas threads na VM. O EVM tradicional adota um modelo de execução em thread única baseado em pilha, onde cada instrução é executada linearmente e a atualização de estado deve ocorrer de forma síncrona. O MegaETH quebra esse padrão, introduzindo uma pilha de chamadas assíncronas e um mecanismo de isolamento de contexto de execução, permitindo assim a execução simultânea de "contextos EVM concorrentes". Cada contrato pode invocar sua lógica em uma thread independente, e todas as threads, ao submeter o estado final, realizam a detecção de conflitos e a convergência do estado por meio de uma camada de sincronização paralela. Este mecanismo é muito semelhante ao modelo de múltiplas threads do JavaScript em navegadores modernos, preservando a determinística do comportamento da thread principal, ao mesmo tempo em que introduz um mecanismo de agendamento de alto desempenho assíncrono em segundo plano.

De certa forma, as duas rotas Monad e MegaETH são não apenas duas formas de implementação de caminhos tecnológicos paralelos, mas também a clássica oposição entre o "reconstrucionismo" e o "compatibilismo" na rota de desenvolvimento da blockchain: a primeira busca uma ruptura de paradigma, reconstruindo toda a lógica desde a máquina virtual até a gestão do estado subjacente, para alcançar desempenho extremo e plasticidade arquitetônica; a segunda busca uma otimização progressiva, empurrando os sistemas tradicionais ao limite com base no respeito pelas restrições do ecossistema existente, de modo a minimizar os custos de migração. Nenhuma das duas é absolutamente superior à outra, mas servem a diferentes grupos de desenvolvedores e visões ecológicas. Monad é mais adequado para construir sistemas totalmente novos do zero, buscando taxas de transferência extremas em jogos de cadeia, agentes de IA e cadeias de execução modular; enquanto MegaETH é mais adequado para projetos L2, DeFi e protocolos de infraestrutura que desejam realizar atualizações de desempenho com a mínima alteração no desenvolvimento.

Eles são como um trem-bala em uma nova pista.