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

I. Classificação e Paradigmas Técnicos da Computação Paralela Web3

O "Triângulo Impossível" da blockchain (Blockchain Trilemma) "segurança", "descentralização", "escalabilidade" revela o dilema essencial no design de sistemas de blockchain, ou seja, é difícil para um projeto de blockchain alcançar simultaneamente "máxima segurança, participação universal e processamento rápido". Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", as principais soluções de escalabilidade de blockchain atualmente no mercado são classificadas de acordo com paradigmas, incluindo:

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

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 nas soluções de escalabilidade baseadas em computação paralela.

Computação paralela intra-chain (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 paralela tornando-se cada vez mais fina, a intensidade paralela aumentando, a complexidade de agendamento também aumentando, e a complexidade de programação e dificuldade de implementação também 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 um sistema de mensagens assíncronas / intercadeias (modelo de não-sincronização de bloco), cada Agente atua como um "processo inteligente" em execução independente, utilizando uma abordagem de mensagens assíncronas em paralelo, acionado por eventos, 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 em nível de sistema, e não a computação paralela dentro da cadeia. Elas alcançam 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 o utilizaremos para comparar as semelhanças e diferenças nos conceitos de arquitetura.

Dois, EVM Sistema de Cadeia Paralela Aprimorada: Quebrando Limites de Desempenho na Compatibilidade

A arquitetura de processamento serial do Ethereum evoluiu até hoje, passando por várias tentativas de escalabilidade, incluindo sharding, Rollup e arquiteturas modularizadas, 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 atualmente. Assim, as cadeias de melhoria paralela do EVM estão se tornando um caminho chave que equilibra a compatibilidade ecológica e o aumento do desempenho de execução, sendo 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 atrasada e da decomposição de estado, respectivamente.

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 otimista em paralelo na camada de execução (Optimistic Parallel Execution). Além disso, na camada de consenso e armazenamento, Monad introduz, respetivamente, um protocolo 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 processá-las em paralelo, formando uma arquitetura de pipeline tridimensional. Cada fase opera em threads ou núcleos independentes, permitindo o processamento concorrente entre blocos, alcançando, finalmente, um aumento na taxa de transferência e uma redução na latência. Essas fases incluem: Proposta de Transação (Propose), Acordo de Consenso (Consensus), Execução de Transação (Execution) e Compromisso de Bloco (Commit).

Execução Assíncrona: Consenso - Execução Assíncrona Desacoplada

Na cadeia tradicional, o consenso das transações e a execução geralmente são processos síncronos, e esse modelo sequencial limita seriamente a escalabilidade de desempenho. O Monad implementou a camada de consenso assíncrona, a camada de execução assíncrona e o armazenamento assíncrono 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 maior utilização de recursos.

Design central:

• O processo de consenso (camada de consenso) é responsável apenas por ordenar transações, não por executar 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 necessidade de 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. Em contraste, o Monad adota uma estratégia de "execução paralela otimista", aumentando significativamente a taxa de processamento de transações.

Mecanismo de execução:

• Monad executará otimisticamente todas as transações em paralelo, assumindo que a maioria das transações não tem conflitos de estado entre si.
• 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 reexecutadas para garantir a correção do estado.

Monad escolheu um caminho compatível: alterando o mínimo possível as regras do EVM, realizando a paralelização durante a execução através do adiamento da gravação de estados e da detecção dinâmica de conflitos, parecendo mais com uma versão de desempenho do Ethereum. A maturidade facilita a 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 paralela de alto desempenho modular compatível com EVM, podendo funcionar tanto como uma blockchain pública L1 independente quanto como uma camada de execução (Execution Layer) ou componente modular na Ethereum. 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, para alcançar execução de alta concorrência e capacidade de resposta de baixa latência na cadeia. A inovação chave proposta pelo MegaETH reside na: arquitetura Micro-VM + DAG de Dependência de Estado (Directed Acyclic Graph) e mecanismo de sincronização modular, que juntos constroem um sistema de execução paralela voltado para "threading na cadeia".

Micro-VM (micro máquina virtual) arquitetura: conta é um thread

MegaETH introduziu o modelo de execução "uma Micro-VM por conta", tornando o ambiente de execução "multithreaded", proporcionando a menor unidade de isolamento para o agendamento paralelo. Essas VMs se comunicam entre si por meio de mensagens assíncronas, em vez de chamadas síncronas, permitindo que muitas VMs executem de forma independente e armazenem de forma independente, naturalmente em paralelo.

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 isso como relações de dependência. Transações sem conflitos podem ser executadas em paralelo diretamente, enquanto transações com relações de dependência serão agendadas em série ou adiadas de acordo com a ordem topológica. 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 estado de thread única EVM, implementando encapsulamento de micromáquinas virtuais por unidade de conta, através de um gráfico de dependência de estado para agendamento de transações, e substitui 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", que oferece uma nova abordagem paradigmática para a construção de sistemas de alta performance na próxima geração de blockchains.

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. Em teoria, o limite de paralelismo do MegaETH é maior, mas também é mais difícil controlar a complexidade, parecendo mais com um sistema operacional super distribuído sob a filosofia do Ethereum.

A Monad e a MegaETH têm filosofias de design bastante diferentes em relação ao sharding: o sharding divide a blockchain horizontalmente em várias sub-chains independentes (shards), cada uma responsável por parte das transações e estados, quebrando as limitações de uma única cadeia na expansão da 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. Ambas representam as direções de fortalecimento 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, com o objetivo central de aumentar a TPS na cadeia, realizando o processamento paralelo em nível de transação ou de conta através da execução adiada (Deferred Execution) e arquitetura de micro-vm (Micro-VM). A Pharos Network, como uma rede de blockchain L1 modular e full-stack paralela, tem seu mecanismo central de computação paralela denominado "Rollup Mesh". Esta arquitetura suporta um ambiente multivirtual de máquinas (EVM e Wasm) através da colaboração entre a mainnet e as redes de processamento especial (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 de Pipeline Assíncrono 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, aumentando assim a eficiência geral do processamento.
2. Execução Paralela de Duas VMs (Dual VM Parallel Execution): Pharos suporta dois ambientes de máquina virtual, EVM e WASM, permitindo que os desenvolvedores escolham o ambiente de execução adequado conforme suas necessidades. Esta arquitetura de dupla 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): SPNs são componentes chave na arquitetura Pharos, semelhantes