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

O "triângulo impossível" da blockchain, que inclui "segurança", "descentralização" e "escalabilidade", revela o comprometimento essencial no design dos sistemas de blockchain, ou seja, é difícil para os projetos de blockchain alcançarem simultaneamente "extrema segurança, participação universal e processamento rápido". Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", as soluções de escalabilidade de blockchain atualmente no mercado são classificadas de acordo com paradigmas, incluindo:

• Execução de escalabilidade aprimorada: aumento da capacidade de execução no local, como paralelismo, GPU e múltiplos núcleos.
• Escalabilidade por isolamento de estado: divisão horizontal de estado / Shard, por exemplo, fragmentação, UTXO, múltiplas sub-redes
• Expansão de tipo outsourcing off-chain: colocar a execução fora da cadeia, por exemplo, Rollup, Coprocessor, DA
• Expansão de desacoplamento estrutural: modularidade da arquitetura, operação colaborativa, por exemplo, cadeias modulares, ordenadores compartilhados, Rollup Mesh
• Expansão assíncrona e concorrente: Modelo Actor, isolamento de processos, acionado por mensagens, como agentes, encadeamento assíncrono multithread

As soluções de escalabilidade da blockchain incluem: computação paralela na 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 "multicamadas e combinação modular". Este artigo foca principalmente na abordagem de escalabilidade baseada em computação paralela.

Cálculo paralelo na cadeia, focando na execução paralela de transações/instruções dentro do bloco. Classificado 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. Gradualmente, o grau de paralelismo se torna cada vez mais fino, a intensidade do paralelismo aumenta, a complexidade do agendamento também se torna cada vez mais alta, e a complexidade de programação e a dificuldade de implementação aumentam.

• 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 o projeto 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 Actor, que pertence a um outro paradigma de computação paralela. Como sistema de mensagens assíncronas/entre cadeias, cada Agente atua como um "processo inteligente" que opera de forma independente, utilizando 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 escalabilidade que conhecemos bem, como Rollup ou sharding, pertencem a mecanismos de concorrência em nível de sistema e não a cálculos paralelos dentro da cadeia. Elas alcançam escalabilidade através da "execução paralela de várias cadeias/domínios 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 usaremos para comparar as semelhanças e diferenças dos conceitos de arquitetura.

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

A arquitetura de processamento em série do Ethereum evoluiu até hoje, passando por várias tentativas de escalabilidade, como sharding, Rollup e arquitetura modular, mas o gargalo de throughput na camada de execução ainda não foi superado de forma fundamental. No entanto, ao mesmo tempo, o EVM e o Solidity continuam a ser as plataformas de contratos inteligentes com a maior base de desenvolvedores e potencial ecológico. Assim, a cadeia de aprimoramento paralelo do EVM, que equilibra a compatibilidade ecológica e a melhoria do desempenho de execução, está se tornando uma direção importante na nova rodada de evolução da escalabilidade. Monad e MegaETH são os projetos mais representativos nessa direção, construindo uma arquitetura de processamento paralelo do EVM voltada para cenários de alta concorrência e alto throughput, a partir da execução com atraso e da decomposição de estado, respectivamente.

Análise do mecanismo de computação paralela Monad

Monad é uma blockchain Layer1 de alto desempenho redesenhada para a máquina virtual Ethereum, baseada no conceito fundamental de processamento em pipeline (Pipelining), com execução assíncrona na camada de consenso (Asynchronous Execution) e concorrência otimista na camada de execução (Optimistic Parallel Execution). Além disso, na camada de consenso e armazenamento, Monad introduz protocolos 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 básico da execução paralela de Monad, 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 na taxa de transferência e uma redução na latência. Essas fases incluem: proposta de transação (Propose), 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 de desempenho. O Monad implementou a assíncrona na camada de consenso, na camada de execução e no armazenamento 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 taxa de utilização de recursos.

Design central:

• O processo de consenso é responsável apenas pela ordenação das transações, não executa a lógica do contrato.
• O processo 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 precisar esperar pela conclusão da execução.

Execução Paralela Otimista: Execução Paralela Otimista

A Ethereum tradicional adota um modelo de execução estritamente serial para as transações, a fim de evitar conflitos de estado. Já o Monad utiliza uma estratégia de "execução paralela otimista", aumentando significativamente a taxa de processamento de transações.

Mecanismo de execução:

• Monad irá executar otimisticamente todas as transações em paralelo, assumindo que a maioria das transações não apresenta conflitos de estado.
• Executar um "detetor de conflitos" para monitorizar se as transações acederam ao mesmo estado.
• Se um conflito for detectado, as transações em conflito serão serializadas e reexecutadas para garantir a correção do estado.

Monad escolheu um caminho compatível: minimizando as alterações nas regras da EVM, implementando paralelismo por meio do adiamento da gravação de estado e da detecção dinâmica de conflitos durante a execução, assemelhando-se a uma versão de desempenho do Ethereum. A maturidade facilita a migração do ecossistema EVM, sendo um acelerador de paralelismo no mundo da 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 e modular compatível com EVM, podendo atuar tanto como uma blockchain pública L1 independente quanto como uma camada de melhoria de execução ou um componente modular na Ethereum. O objetivo central do design é desconstruir a lógica de contas, o ambiente de execução e o estado em unidades mínimas que podem ser agendadas independentemente, a fim de alcançar execução de alta concorrência 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 (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 um thread

MegaETH introduziu o modelo de execução "uma micro máquina virtual por conta", que "desencadeia" o ambiente de execução, proporcionando 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 um grande número de VMs execute de forma independente e armazene de maneira 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 dependências global. 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 diretamente em paralelo, enquanto transações com relações de dependência serão agendadas em ordem topológica, de forma serial ou com atraso. O gráfico de dependências garante a consistência de estado e a não duplicação de gravações durante o processo de execução paralela.

Execução assíncrona e mecanismo de callback

B

Em resumo, o MegaETH quebra o modelo tradicional de máquina de estados de thread única EVM, implementando encapsulamento de micromáquinas virtuais por unidade de conta, realizando agendamento de transações através de um gráfico de dependências de estado, e substituindo a pilha de chamadas síncronas por um mecanismo de mensagens assíncronas. É uma plataforma de computação paralela redesenhada em todas as dimensões de "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", oferecendo uma nova abordagem paradigmática 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 de agendamento de execução assíncrona. Teoricamente, o limite de paralelismo do MegaETH é maior, mas também é mais difícil controlar a complexidade, parecendo mais um sistema operacional super distribuído sob a filosofia do Ethereum.

A filosofia de design tanto do Monad quanto do MegaETH é bastante diferente da fragmentação (Sharding): a fragmentação divide a blockchain horizontalmente em várias sub-chains independentes, cada uma responsável por parte das transações e estados, quebrando as limitações da cadeia única na expansão da camada de rede; enquanto o Monad e o MegaETH mantêm a integridade da cadeia única e apenas se expandem horizontalmente na camada de execução, otimizando a execução paralela extrema dentro da cadeia única para superar o desempenho. Ambos representam caminhos de expansão da blockchain nas direções de fortalecimento 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 melhorar o TPS na cadeia, alcançando processamento paralelo a nível de transação ou de conta através da execução atrasada e da arquitetura de micromáquinas virtuais. A Pharos Network, como uma rede de blockchain L1 modular e full-stack, possui um mecanismo de computação paralela central conhecido como "Rollup Mesh". Esta arquitetura, através do trabalho colaborativo entre a mainnet e as redes de processamento especializadas (SPNs), suporta 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: Pharos desacopla as várias fases das transações e adota um método de processamento assíncrono, permitindo que cada fase ocorra de forma independente e em paralelo, aumentando assim a eficiência geral do processamento.
2. Execução paralela em duas máquinas virtuais: Pharos suporta dois ambientes de máquinas virtuais, EVM e WASM, permitindo que os desenvolvedores escolham o ambiente de execução adequado conforme suas necessidades. Esta arquitetura de dupla VM não só melhora a flexibilidade do sistema, mas também aumenta a capacidade de processamento de transações por meio da execução paralela.
3. Redes de Processamento Especial (SPNs): As SPNs são componentes chave da arquitetura Pharos, semelhantes a sub-redes modularizadas, projetadas para lidar com tipos específicos de tarefas ou aplicações. Através das SPNs, o Pharos pode implementar 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 re-staking: Pharos introduziu um mecanismo de consenso flexível, suportando vários modelos de consenso, e realiza a partilha segura entre a mainnet e os SPNs através de um protocolo de re-staking.

Além disso, a Pharos reestruturou o modelo de execução a partir da base do mecanismo de armazenamento através de árvores Merkle de múltiplas versões, codificação diferencial, endereçamento de versões e tecnologia de descentralização ADS, lançando o motor de armazenamento de alto desempenho Pharos Store para blockchain nativo, alcançando alta taxa de transferência, baixa latência e forte verificabilidade em cadeia.