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

O "Trilema da Blockchain" (Blockchain Trilemma) revela os compromissos essenciais no design de sistemas blockchain, envolvendo "segurança", "descentralização" e "escalabilidade", ou seja, é difícil para os projetos de blockchain atingirem simultaneamente "segurança extrema, participação universal e processamento rápido". Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", atualmente as principais soluções de escalabilidade de blockchain no mercado são classificadas segundo paradigmas, incluindo:

• Execução de escalabilidade aprimorada: aumento da capacidade de execução no local, como paralelismo, GPU, multicore
• Expansão de isolamento de estado: divisão horizontal de estado / Shard, por exemplo, sharding, UTXO, múltiplas sub-redes
• Escalabilidade externa: colocar a execução fora da cadeia, por exemplo, Rollup, Coprocessor, DA
• Escalabilidade com desacoplamento de estrutura: modularização da arquitetura, operação colaborativa, como cadeias modulares, ordenadores compartilhados, Rollup Mesh.
• Expansão 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 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, formando um sistema completo de escalabilidade "multicamadas e combinação modular". Este artigo foca principalmente na abordagem de escalabilidade baseada em computação paralela.

Cálculo paralelo dentro da cadeia (intra-chain parallelism), 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 do paralelismo tornando-se cada vez mais fina, a intensidade do paralelismo aumentando, a complexidade de agendamento também aumentando, e a complexidade de programação e 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
• 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 agentes (Modelo de Agente / Ator), que pertence a outro paradigma de computação paralela, como sistemas de mensagens assíncronas / inter-cadeias (modelo não sincronizado em bloco), onde cada Agente atua como um "processo inteligente" que opera de forma independente, utilizando mensagens assíncronas, impulsionadas por eventos, sem necessidade de agendamento sincronizado, com projetos representativos como 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 se enquadram no cálculo paralelo dentro da cadeia. Eles realizam a 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 da discussão deste artigo, mas ainda assim a utilizaremos para comparações de similaridade e diferença em conceitos arquitetônicos.

Dois, EVM Séria de Cadeias Paralelas Aumentadas: Quebrando Limites de Desempenho na Compatibilidade

A arquitetura de processamento em série do Ethereum evoluiu até hoje, passando por várias tentativas de escalonamento, como sharding, Rollup e arquitetura modular, mas o gargalo de throughput na camada de execução ainda não foi superado de forma fundamental. No entanto, o EVM e o Solidity continuam a ser as plataformas de contratos inteligentes com a maior base de desenvolvedores e potencial ecológico. Assim, as cadeias paralelas do sistema EVM, que equilibram a compatibilidade ecológica e o aumento do desempenho de execução, estão se tornando uma direção importante para a nova rodada de evolução do escalonamento. 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 em atraso e da decomposição de estados.

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 paralela otimista (Optimistic Parallel Execution) na camada de execução. Além disso, na camada de consenso e armazenamento, o Monad introduz protocolos 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, realizando processamento concorrente entre blocos, alcançando assim um aumento da capacidade de tratamento e uma redução da 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 de desacoplamento assíncrono

Na cadeia tradicional, o consenso e a execução das transações geralmente são processos síncronos, e esse modelo em série limita severamente a escalabilidade de desempenho. A Monad implementou a execução assíncrona, alcançando a assíncrona na camada de consenso, assíncrona na camada de execução e assíncrona 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 utilização de recursos.

Design central:

• O processo de consenso (camada de consenso) é responsável apenas pela ordenação das transações, não pela execução da 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, entra imediatamente no processo de consenso do próximo bloco, sem necessidade de aguardar a conclusão da execução.

Execução Paralela Otimista: Execução Paralela Otimista

O Ethereum tradicional utiliza um modelo estritamente serial para a execução de transações, a fim de evitar conflitos de estado. Por outro lado, o Monad adota uma estratégia de "execução paralela otimista", aumentando significativamente a taxa de processamento das transações.

Mecanismo de execução:

• Monad irá executar todas as transações de forma otimista e em paralelo, assumindo que a maioria das transações não tem conflitos de estado.
• Execute ao mesmo tempo 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 reexecutadas para garantir a correção do estado.

Monad escolheu um caminho compatível: movendo-se o menos possível nas regras do EVM, implementando a paralelização através do adiamento da escrita de estado e da detecção dinâmica de conflitos, assemelhando-se mais a uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade e fácil implementação da migração do ecossistema EVM, sendo um acelerador de paralelização no mundo EVM.

Análise do mecanismo de computação paralela do MegaETH

Diferente da localização L1 do Monad, o MegaETH é posicionado como uma camada de execução de alto desempenho modular e 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 desconstruir a lógica da conta, o ambiente de execução e o estado em unidades mínimas que podem ser agendadas de forma independente, para alcançar uma 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 (grafo de dependência de estado acíclico) e um mecanismo de sincronização modular, que juntos constroem um sistema de execução paralela voltado para "threading dentro da cadeia".

Arquitetura Micro-VM (Máquina Virtual Micro): Conta é um thread

O MegaETH introduziu o modelo de execução de "uma micro máquina virtual (Micro-VM) por conta", tornando o ambiente de execução "multithreaded" e fornecendo a menor unidade de isolamento para agendamento paralelo. Essas VMs comunicam-se entre si por meio de mensagens assíncronas, em vez de chamadas síncronas, permitindo que várias VMs sejam executadas de forma independente e armazenem dados de forma independente, resultando em paralelismo natural.

State Dependency DAG: Mecanismo de agendamento baseado em grafo 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. Cada transação modela quais contas são modificadas e quais são lidas, tudo como relações de dependência. Transações sem conflitos podem ser executadas em paralelo, enquanto transações com relações de dependência serão agendadas em sequência ou adiadas de acordo com a ordem topológica. O gráfico de dependência assegura 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 unidade de conta, através de um gráfico de dependência de estado para o agendamento de transações, 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 conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", oferecendo novas ideias em nível de paradigma para a construção do próximo sistema de alta performance em cadeia.

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, assemelhando-se a um sistema operacional super distribuído sob a filosofia do Ethereum.

Monad e MegaETH têm conceitos de design bastante diferentes do sharding: o sharding divide a blockchain horizontalmente em várias sub-chains independentes (shards), onde cada sub-chain é responsável por parte das transações e estados, quebrando as limitações de uma única chain em termos de escalabilidade na camada de rede; enquanto Monad e MegaETH mantêm a integridade da single chain, expandindo horizontalmente apenas na camada de execução, otimizando a execução paralela extrema dentro da single chain para superar o desempenho. Ambos representam as direções de reforço vertical e expansão horizontal no caminho de escalabilidade da blockchain.

Os projetos de computação paralela, como Monad e MegaETH, concentram-se principalmente em otimizações de throughput, com o objetivo central de aumentar o TPS dentro da cadeia, realizando processamento paralelo em nível de transação ou conta através da execução atrasada (Deferred Execution) e da arquitetura de micromáquinas virtuais (Micro-VM). O Pharos Network, como uma rede blockchain L1 modular e full-stack paralela, tem como mecanismo central de computação paralela o que é chamado de "Rollup Mesh". Esta arquitetura, através da colaboração entre a mainnet e 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 (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos desacopla as várias fases da transação (como consenso, execução, armazenamento) e adota um método de processamento assíncrono, permitindo que cada fase seja realizada de forma independente e em paralelo, melhorando 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 apropriado com base nas suas 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): Os SPNs são componentes-chave da arquitetura Pharos, semelhantes a sub-redes modularizadas, projetadas 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 Reestaque (Modular Consensus & Restaking): Pharos introduziu um mecanismo de consenso flexível, suportando vários modelos de consenso (como PBFT, PoS, PoA), e através do protocolo de reestaque (Restaking) realiza a conexão entre a mainnet e os SPNs.