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

O "Trilema da Blockchain" revela os compromissos essenciais no design de sistemas de blockchain, que são "segurança", "descentralização" e "escalabilidade". Isso significa que é difícil para os projetos de blockchain alcançarem "segurança extrema, participação universal e processamento rápido" ao mesmo tempo. Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", as principais soluções de escalabilidade de blockchain no mercado atual são classificadas de acordo com paradigmas, incluindo:

• Execução de escalabilidade melhorada: aumento da capacidade de execução no local, como paralelismo, GPU, multicore
• Isolamento de estado para escalabilidade: divisão horizontal do estado / Shard, como fragmentos, UTXO, múltiplas sub-redes
• Expansão do tipo outsourcing off-chain: colocar a execução fora da cadeia, como Rollup, Coprocessor, DA
• Expansão de desacoplamento estrutural: modularidade da arquitetura, operação colaborativa, por exemplo, cadeias modulares, ordenadores partilhados, Rollup Mesh
• Escalonamento assíncrono 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, módulo 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 "multinível e modular combinável". Este artigo destaca principalmente a abordagem de escalabilidade baseada em computação paralela.

Computação paralela 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 o grau de paralelismo tornando-se progressivamente mais fino, a intensidade de paralelismo aumentando cada vez mais, a complexidade de agendamento também aumentando, e a complexidade de programação e a dificuldade de implementação aumentando ainda mais.

• 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 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 pertencem a outro paradigma de computação paralela. Como um sistema de mensagens assíncronas / intercadeias (modelo não sincronizado em bloco), cada Agente atua como um "processo inteligente" independente, utilizando mensagens assíncronas de forma paralela, acionado por eventos, sem necessidade de agendamento sincronizado. Projetos representativos incluem AO, ICP, Cartesi, entre outros.

Os conhecidos Rollup ou soluções de escalabilidade por sharding pertencem a mecanismos de concorrência em nível de sistema, e não ao cálculo paralelo dentro da cadeia. Eles implementam 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 principal deste artigo, mas ainda assim as utilizaremos para comparar as semelhanças e diferenças das ideias de arquitetura.

Dois, EVM Sistema de Cadeia Paralela Aumentada: Superando Limites de Desempenho na Compatibilidade

A arquitetura de processamento em série do Ethereum evoluiu até hoje, passando por várias tentativas de escalonamento, incluindo sharding, Rollup e arquitetura modular, mas o gargalo de throughput na camada de execução ainda não foi superado de forma fundamental. Entretanto, o EVM e o Solidity continuam a ser as plataformas de contratos inteligentes com a maior base de desenvolvedores e potencial ecológico atualmente. Portanto, a cadeia paralela EVM é um caminho crucial que equilibra a compatibilidade ecológica e a melhoria do desempenho de execução, tornando-se uma direção importante na evolução do escalonamento. Monad e MegaETH são os projetos mais representativos nessa direção, abordando a execução retardada e a decomposição de estados, respectivamente, construindo uma arquitetura de processamento paralelo EVM voltada para cenários de alta concorrência e alto throughput.

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 na camada de execução (Optimistic Parallel Execution). Além disso, nas camadas de consenso e armazenamento, Monad introduziu um protocolo BFT de alto desempenho (MonadBFT) e um sistema de banco de dados dedicado (MonadDB), proporcionando otimização de ponta a ponta.

Pipelining: Mecanismo de execução paralela em múltiplas fases

Pipelining é o conceito fundamental da execução paralela de Monads, cuja ideia central é dividir o fluxo 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 na taxa de transferência e uma redução na latência. Essas etapas incluem: Proposta de Transação (Propose), Acordo de Consenso (Consensus), Execução de Transação (Execution) e Compromisso de Bloco (Commit).

Execução Assíncrona: Consenso - Execução desacoplada assíncrona

Na cadeia tradicional, o consenso e a execução das transações geralmente são processos síncronos, e esse modelo serial limita severamente a escalabilidade de desempenho. O Monad alcançou a assíncronia 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 maior taxa de utilização de recursos.

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, entra imediatamente no processo de consenso do próximo bloco, sem a necessidade de esperar pela conclusão da execução.

Execução Paralela Otimista：乐观并行执行

O Ethereum tradicional adota um modelo de execução estritamente serial para transações, a fim de evitar conflitos de estado. Por outro lado, o Monad utiliza 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.
• Executar simultaneamente um "Detetor de Conflitos (Conflict Detector))" para monitorizar se as transacções acedem 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: minimizando alterações nas regras do EVM, implementando paralelismo através do adiamento da gravação de estado e detecção dinâmica de conflitos, assemelhando-se mais a uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade facilitando a migração do ecossistema EVM, sendo um acelerador de paralelismo no mundo EVM.

Análise do mecanismo de computação paralela do MegaETH

Diferente do posicionamento L1 do Monad, o MegaETH é posicionado como uma camada de execução paralela de alto desempenho e modular compatível com EVM, podendo funcionar tanto como uma blockchain pública L1 independente, quanto como uma camada de execução (Execution Layer) ou componente modular no Ethereum. Seu objetivo de design central é isolar e desconstruir a lógica de contas, o ambiente de execução e o estado em unidades mínimas que podem ser agendadas independentemente, para alcançar uma execução de alta concorrência e baixa latência dentro da cadeia. A principal inovação 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 a "threadização dentro da cadeia".

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

O MegaETH introduz o modelo de execução "uma Micro-VM por conta", tornando o ambiente de execução "multi-threaded", proporcionando a menor unidade de isolamento para agendamento paralelo. Essas VMs comunicam-se entre si através de mensagens assíncronas, em vez de chamadas síncronas, permitindo que várias VMs executem 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 como relações de dependência. Transações sem conflitos podem ser executadas em paralelo diretamente, enquanto transações com relações de dependência serão agendadas em ordem topológica, serialmente 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 rompe com o modelo tradicional de máquina de estados de thread única da EVM, implementando encapsulamento de micromáquinas virtuais por unidade de conta, realizando agendamento de transações por meio de um gráfico 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 toda a dimensão "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", oferecendo uma nova abordagem de nível paradigmático para construir sistemas de alta performance na próxima geração em blockchain.

MegaETH escolheu um caminho de reestruturação: abstraiu completamente contas e contratos em uma VM independente, liberando um potencial de paralelismo extremo através de agendamento de execução assíncrona. Em teoria, o limite de paralelismo do MegaETH é maior, mas também é mais difícil controlar a complexidade, assemelhando-se mais a um sistema operacional super distribuído sob a filosofia do Ethereum.

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

Os projetos de computação paralela como Monad e MegaETH concentram-se principalmente na otimização da capacidade de processamento, tendo como objetivo central aumentar o TPS dentro da cadeia, alcançando processamento paralelo em nível de transação ou de conta através da execução atrasada (Deferred Execution) e da arquitetura de micro máquina virtual (Micro-VM). O Pharos Network, como uma rede blockchain L1 modular e totalmente paralela, tem seu mecanismo central de computação paralela denominado "Rollup Mesh". Essa arquitetura suporta um ambiente de múltiplas máquinas virtuais (EVM e Wasm) através da colaboração entre a rede principal e redes de processamento especializadas (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 Assíncrono de Pipeline de Ciclo de Vida Completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos desacopla as várias etapas da transação (como consenso, execução, armazenamento) e adota uma abordagem de processamento assíncrono, permitindo que cada etapa ocorra 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 apenas 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, dedicadas ao processamento de 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 (