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

I. A posição e o valor da tecnologia de computação paralela na escalabilidade da blockchain

O "triângulo impossível" da blockchain (Blockchain Trilemma) revela os compromissos essenciais no design de sistemas de blockchain, onde é difícil para um projeto de blockchain alcançar simultaneamente "extrema segurança, participação universal e processamento rápido". Em relação ao eterno tema da "escalabilidade", as principais soluções de escalabilidade de blockchain disponíveis no mercado podem ser classificadas segundo paradigmas, incluindo:

• Executar expansão aprimorada: aumentar a capacidade de execução no local, como paralelismo, GPU, múltiplos núcleos.
• Isolamento de estado para escalabilidade: divisão horizontal de estado/Shard, como sharding, UTXO, múltiplas sub-redes
• Escalabilidade por terceirização off-chain: colocar a execução fora da cadeia, como Rollup, Coprocessor, DA
• Expansão com desacoplamento estrutural: modularidade da arquitetura e operação colaborativa, por exemplo, cadeia de módulos, ordenadores compartilhados, Rollup Mesh
• Escalabilidade concorrente assíncrona: modelo Actor, isolamento de processos, orientado a mensagens, como agentes, cadeia assíncrona multithread

As soluções de escalabilidade da blockchain incluem: computação paralela dentro da 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 "multinível e 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 formas de escalabilidade podem ser divididas em cinco grandes categorias, cada uma representando diferentes objetivos de desempenho, modelos de desenvolvimento e filosofias de arquitetura, com a granularidade paralela se tornando progressivamente mais fina, a intensidade paralela aumentando, a complexidade de agendamento também aumentando, e a complexidade de programação e a dificuldade de implementação aumentando.

• 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 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 Agent/Actor), que pertence a outro paradigma de computação paralela. Como um sistema de mensagens entre cadeias/assíncrono (modelo de sincronização não em bloco), cada agente funciona como um "processo inteligente independente", com mensagens assíncronas em modo paralelo, baseado em eventos e sem necessidade de agendamento de sincronização. Projetos representativos incluem AO, ICP, Cartesi, entre outros.

E as soluções de escalabilidade que conhecemos bem, como Rollup ou sharding, pertencem a mecanismos de concorrência a nível de sistema e não a cálculos paralelos dentro da cadeia. Elas realizam a escalabilidade através da "execução paralela de várias cadeias/domínios de execução", e não aumentando a paralelização dentro de um único bloco/máquina virtual. Este tipo de solução de escalabilidade não é o foco deste artigo, mas ainda assim usaremos para comparar as semelhanças e diferenças na filosofia de arquitetura.

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Dois, EVM Chain Paralelo Aumentado: Superando as Fronteiras 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 arquiteturas modularizadas, mas o gargalo de throughput na camada de execução ainda não teve uma solução 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 atualmente. Portanto, as blockchains de aumento paralelo do EVM, que equilibram a compatibilidade ecológica e a melhoria do desempenho de execução, estão se tornando uma direção importante para a nova rodada de evolução de 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 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 concorrência otimista na camada de execução (Optimistic Parallel Execution). Além disso, na camada de consenso e armazenamento, Monad introduz respectivamente um protocolo BFT de alto desempenho (MonadBFT) e um sistema de banco de dados especializado (MonadDB), realizando uma otimização de ponta a ponta.

Pipelining: Mecanismo de execução paralela em múltiplas etapas

Pipelining é o conceito fundamental da execução paralela de Monads. Sua ideia central é dividir o processo de execução da blockchain em várias etapas independentes e processar essas etapas em paralelo, formando uma arquitetura de pipeline tridimensional. Cada etapa é executada em threads ou núcleos independentes, permitindo o processamento concorrente entre blocos, alcançando assim um aumento da capacidade de throughput e uma 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: Desacoplamento Assíncrono de Consenso e Execução

Na cadeia tradicional, o consenso e a execução das transações geralmente são processos síncronos, e esse modelo serial limita seriamente a escalabilidade de desempenho. A Monad implementou a "execução assíncrona" para tornar o nível de consenso assíncrono, o nível de execução assíncrono e o armazenamento assíncrono. Isso reduz significativamente o tempo de bloco e a latência de confirmação, tornando o sistema mais resiliente, o processo de tratamento mais segmentado e a utilização de recursos mais eficiente.

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, entre imediatamente no processo de consenso do próximo bloco, sem precisar esperar pela conclusão da execução.

Execução Paralela Otimista：乐观并行执行

A Ethereum tradicional utiliza um modelo de execução estritamente sequencial 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 todas as transações em paralelo de forma otimista, assumindo que a maioria das transações não tem conflitos de estado entre si.
• Executar ao mesmo tempo um "Detetores de Conflito (Conflict Detector###" para monitorizar se as transações acedem ao mesmo estado (como conflitos de leitura/escrita).
• Se um conflito for detectado, as transações conflitantes serão serializadas e reexecutadas para garantir a correção do estado.

Monad escolheu um caminho compatível: movendo o mínimo possível as regras do EVM, implementando paralelismo através do atraso na escrita de estados e detecção dinâmica de conflitos, assemelha-se mais a uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade que facilita a migração do ecossistema EVM, sendo um acelerador de paralelismo no mundo EVM.

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) 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 compatível com EVM, podendo atuar tanto como uma blockchain pública L1 independente, quanto como uma camada de execução aprimorada na Ethereum (Execution Layer) ou um componente modular. Seu objetivo de design central é desconstruir a lógica de contas, o ambiente de execução e o estado em unidades mínimas que podem ser agendadas de forma independente, a fim de alcançar execução de alta concorrência e baixa latência dentro da cadeia. A inovação chave proposta pelo MegaETH é a arquitetura Micro-VM + DAG de Dependência de Estado (Directed Acyclic Graph) e um 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

O MegaETH introduziu o modelo de execução "uma Micro-Virtual Machine (Micro-VM) por conta", que "threadiza" o ambiente de execução, fornecendo a unidade mínima de isolamento para o agendamento paralelo. Essas VMs comunicam-se por meio de mensagens assíncronas, em vez de chamadas síncronas, permitindo que muitas VMs executem e armazenem de forma independente, de forma naturalmente paralela.

Dependência do Estado DAG: Mecanismo de agendamento impulsionado por gráfico de dependência

A 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 em forma de relações de dependência. Transações sem conflitos podem ser executadas em paralelo diretamente, enquanto transações com relações de dependência serão agendadas 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

B

Em suma, o MegaETH quebra o modelo tradicional de máquina de estados de thread única EVM, implementando o encapsulamento de micro-máquinas virtuais por meio de contas, 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 níveis de "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", proporcionando uma nova abordagem paradigmática para a construção de sistemas de alta performance na próxima geração em blockchain.

MegaETH escolheu o caminho da reestruturação: abstraindo completamente contas e contratos como VM independentes, através da programação de execução assíncrona para liberar um potencial de paralelismo extremo. Em teoria, o limite de paralelismo do MegaETH é mais alto, mas também é mais difícil controlar a complexidade, assemelhando-se a um sistema operacional super distribuído sob a filosofia do Ethereum.

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A Monad e a MegaETH têm conceitos de design bastante diferentes do Sharding: o Sharding divide a blockchain horizontalmente em várias subcadeias independentes (Shards), cada uma responsável por parte das transações e estados, rompendo as limitações de uma única cadeia em termos de escalabilidade na camada de rede; enquanto a Monad e a MegaETH mantêm a integridade da cadeia única, expandindo horizontalmente apenas na camada de execução, otimizando a execução paralela extrema dentro da cadeia única para superar o desempenho. Ambos representam as direções de reforço vertical e expansão horizontal nos caminhos de escalabilidade da blockchain.

Os projetos de computação paralela, como Monad e MegaETH, concentram-se principalmente em otimizar o throughput, visando aumentar o TPS dentro da cadeia, implementando processamento paralelo em nível de transação ou conta através de execução diferida (Deferred Execution) e arquitetura de micro-máquina virtual (Micro-VM). O Pharos Network, como uma rede L1 modular e completamente paralela, possui um mecanismo de computação paralela central conhecido como "Rollup Mesh". Esta arquitetura apoia o trabalho colaborativo entre a mainnet e redes de processamento especial (SPNs), suporta ambientes de múltiplas máquinas virtuais (EVM e Wasm) e integra tecnologias avançadas, como provas de conhecimento zero (ZK) e ambientes de execução confiável (TEE).

Análise do mecanismo de computação paralela Rollup Mesh:

1. Processamento Assíncrono de Pipeline de Ciclo de Vida Completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): A Pharos desacopla as várias fases das transações (como consenso, execução, armazenamento) e adota uma abordagem de processamento assíncrono, permitindo que cada fase possa ser realizada de forma independente e em paralelo, aumentando assim a eficiência geral do processamento.
2. Execução Paralela de Dual VM: O Pharos suporta dois ambientes de máquina virtual, EVM e WASM, permitindo que os desenvolvedores escolham o ambiente de execução adequado com base nas necessidades. Esta arquitetura de dual VM não só 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 projetadas para lidar com tipos específicos de tarefas ou aplicações. Através das 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 Re-staking (Modular Consensus & Restaking): Pharos introduziu um mecanismo de consenso flexível, suportando diversos 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 reestruturou o modelo de execução na camada de armazenamento usando várias tecnologias, como árvores Merkle de múltiplas versões, codificação delta (Delta Encoding), endereçamento versionado (Versioned Addressing) e ADS pushdown (ADS Pushdown), lançando o motor de armazenamento de alto desempenho nativo da blockchain, Phar.