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

I. Visão Geral da Computação Paralela Web3

O "Trilema do Blockchain" revela o trade-off essencial no design de sistemas blockchain, envolvendo "segurança", "descentralização" e "escalabilidade", ou seja, é difícil para os projetos de blockchain alcançarem simultaneamente "segurança extrema, participação universal e processamento rápido". Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", as soluções de escalabilidade de blockchain predominantes no mercado atualmente são classificadas de acordo com paradigmas, incluindo:

• Executar escalonamento aprimorado: aumentar a capacidade de execução no local, como paralelismo, GPU, multicore
• Escalabilidade com isolamento de estado: divisão horizontal de estado / Shard, como fragmentação, UTXO, múltiplas sub-redes
• Escalabilidade de outsourcing off-chain: colocar a execução fora da cadeia, por exemplo, Rollup, Coprocessor, DA
• Expansão por desacoplamento estrutural: 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, cadeia assíncrona de múltiplas threads

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 «multinível e combinação modular». Este artigo foca principalmente na abordagem de escalabilidade baseada 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 o grão de paralelismo se tornando cada vez mais fino, 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 os projetos Monad, Aptos
• Nível de chamada / Micro VM 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 sistema de mensagens assíncronas entre cadeias (modelo de sincronização não em bloco), cada agente opera como um "processo inteligente" independente, permitindo mensagens assíncronas em modo paralelo, acionado por eventos e sem a necessidade de agendamento de sincronização. Projetos representativos incluem AO, ICP, Cartesi, entre outros.

Os conhecidos Rollups ou soluções de escalabilidade por fragmentação pertencem a mecanismos de concorrência em nível de sistema e não à computação paralela 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. Essas soluções de escalabilidade não são o foco deste artigo, mas ainda assim as usaremos para comparações de similaridade em conceitos arquitetônicos.

2. EVM Series de Cadeia Paralela Aumentada: Superando Limites de Desempenho na Compatibilidade

A arquitetura de processamento em série do Ethereum desenvolveu-se 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 teve uma ruptura 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, a cadeia paralela do sistema EVM, que equilibra a compatibilidade ecológica e o aumento 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 atrasada e da decomposição de estado.

Análise do mecanismo de cálculo paralelo 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 concorrente otimista (Optimistic Parallel Execution) na camada de execução. Além disso, nas camadas de consenso e armazenamento, Monad introduz, respetivamente, um protocolo BFT de alto desempenho (MonadBFT) e um sistema de banco de dados especializado (MonadDB), alcançando otimização ponta a ponta.

Pipelining: mecanismo de execução paralela em múltiplas etapas

Pipelining é o conceito básico da execução paralela de Monads, cuja ideia central é dividir o processo 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, realizando o processamento concorrente entre blocos e, por fim, alcançando 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 e a execução das transações costumam ser processos síncronos, e esse modelo sequencial limita severamente 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 (block time) e a latência de confirmação, tornando o sistema mais resiliente, os processos mais segmentados e a utilização de recursos mais eficiente.

Design central:

• O processo de consenso (camada de consenso) é responsável apenas pela ordenação das transações, não pela execução da lógica do contrato.
• 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 Optimista: Execução Paralela Optimista

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 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 "Detector de Conflitos (Conflict Detector))" para monitorar se as transações acessam o 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 paralelismo através do atraso na escrita de estado e detecção dinâmica de conflitos durante a execução, assemelhando-se mais a uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade e facilidade de migração do ecossistema EVM, sendo um acelerador paralelo 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 compatível com EVM, podendo atuar tanto como uma blockchain pública L1 independente quanto como uma camada de execução aprimorada (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 possam ser agendadas de forma independente, a fim de alcançar alta concorrência de execução e baixa latência de resposta dentro da cadeia. A principal inovação proposta pelo MegaETH reside na: Micro-VM arquitetura + State Dependency DAG (grafo de dependência de estado direcionado acíclico) 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 thread

MegaETH introduziu o modelo de execução "uma Micro-VM por conta", que "tira thread" o ambiente de execução, proporcionando a menor unidade de isolamento para agendamento paralelo. Essas VMs se comunicam por meio de mensagens assíncronas, em vez de chamadas síncronas, permitindo que várias VMs executem de forma independente e armazenem de forma independente, resultando em paralelismo natural.

State Dependency 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 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, em série ou adiadas. O gráfico de dependência assegura a consistência do estado e a não repetição de gravações durante o processo de execução paralela.

Execução assíncrona e mecanismo de callback

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Em suma, o MegaETH rompe com o modelo tradicional de máquina de estados de thread única EVM, implementando encapsulamento de micromáquinas virtuais por conta, agendando transações através de gráficos de dependência de estados, e substituindo a pilha de chamadas síncronas por um mecanismo de mensagens assíncronas. É uma plataforma de computação paralela redesenhada em todas as dimensões, desde a "estrutura da conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", que oferece novas ideias em nível de paradigma para a construção de sistemas de alta performance em blockchain da próxima geração.

MegaETH escolheu um caminho de reestruturação: abstrair completamente contas e contratos em uma VM independente, liberando o potencial de paralelismo extremo através da execução assíncrona. Teoricamente, o limite de paralelismo do MegaETH é mais alto, mas também é mais difícil de controlar a complexidade, parecendo mais um sistema operacional super distribuído sob a filosofia do Ethereum.

A Monad e a MegaETH têm conceitos de design bastante diferentes em relação à fragmentação (Sharding): a fragmentação divide a blockchain horizontalmente em várias sub-chains independentes (fragmentos Shards), cada sub-chain é responsável por parte das transações e do estado, quebrando as limitações de uma única chain na camada de rede; enquanto a Monad e a 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. Ambas representam duas direções no caminho de escalabilidade da blockchain: o fortalecimento vertical e a expansão horizontal.

Os projetos de computação paralela, como Monad e MegaETH, concentram-se principalmente na otimização do throughput, com o objetivo central de aumentar o TPS na cadeia, realizando processamento paralelo em nível de transação ou de conta através da execução adiada (Deferred Execution) e da arquitetura de micromáquinas virtuais (Micro-VM). A Pharos Network, como uma rede de blockchain L1 modular e de pilha completa, possui um mecanismo central de computação paralela chamado "Rollup Mesh". Esta arquitetura suporta um ambiente de múltiplas máquinas virtuais (EVM e Wasm) através da colaboração entre a rede principal e redes de processamento especializadas (SPNs), e integra tecnologias avançadas como provas de zero conhecimento (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 modo 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 Dual VM: Pharos suporta dois ambientes de máquina virtual, EVM e WASM, permitindo que os desenvolvedores escolham o ambiente de execução adequado de acordo com 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 especificamente 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, 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 vários modelos de consenso (como PBFT, PoS, PoA), e através do protocolo de re-staking (