Relatório de Pesquisa em Profundidade sobre Computação Paralela Web3: O Caminho Definitivo para Expansão Nativa

Introdução: A escalabilidade é um tema eterno, e a paralelização é o campo de batalha definitivo

Desde a sua criação, os sistemas de blockchain enfrentam o problema central da escalabilidade. Os gargalos de desempenho do Bitcoin e do Ethereum são difíceis de superar em relação à capacidade de processamento do mundo tradicional Web2. Isso não é algo que pode ser resolvido simplesmente aumentando o número de servidores, mas resulta de limitações sistêmicas no design subjacente da blockchain - o triângulo impossível de "descentralização, segurança e escalabilidade" que não pode ser alcançado simultaneamente.

Nos últimos dez anos, testemunhamos inúmeras tentativas de escalonamento, desde a guerra de escalonamento do Bitcoin até o sharding do Ethereum, desde canais de estado até Rollup e blockchains modularizadas. O Rollup, como o paradigma de escalonamento mais amplamente aceito atualmente, alcançou o objetivo de aumentar significativamente o TPS enquanto aliviava a carga da cadeia principal. No entanto, ele não tocou no verdadeiro limite de "desempenho de cadeia única" da base da blockchain, especialmente no nível de execução, que ainda é limitado por esse antigo paradigma de computação serial dentro da cadeia.

A computação paralela dentro da cadeia está gradualmente entrando na visão da indústria. Ela tenta, mantendo a atomicidade e a estrutura integrada de uma única cadeia, reestruturar completamente o motor de execução, atualizando a blockchain do modo de "execução de transações em série" de um único thread para um sistema de computação de alta concorrência de "múltiplos threads + pipeline + agendamento de dependências". Isso não só pode alcançar centenas de vezes o aumento da taxa de transferência, mas também pode se tornar a condição chave para a explosão de aplicações de contratos inteligentes.

Pode-se dizer que a computação paralela não é apenas um "método de otimização de desempenho", mas também um ponto de viragem no paradigma do modelo de execução da blockchain. Ela desafia o modo fundamental de execução de contratos inteligentes, redefinindo a lógica básica de empacotamento de transações, acesso a estados, relações de chamada e layout de armazenamento. Se Rollup é "mover as transações para a execução fora da cadeia", então a paralelização dentro da cadeia é "construir um núcleo de supercomputação na cadeia", cujo objetivo é fornecer um suporte de infraestrutura verdadeiramente sustentável para as aplicações nativas do Web3 no futuro.

Após a homogeneização da pista Rollup, a paralelização dentro da cadeia está se tornando silenciosamente uma variável decisiva na competição Layer1 do novo ciclo. O desempenho não é mais apenas "mais rápido", mas sim a possibilidade de suportar um mundo de aplicações heterogêneas. Esta não é apenas uma corrida tecnológica, mas uma batalha pelo paradigma. A próxima geração de plataformas de execução soberanas no mundo Web3 pode muito bem nascer dessa luta pela paralelização dentro da cadeia.

Mapa da Paradigma de Escalonamento: Cinco Tipos de Rotas, Cada Uma com Seu Foco

A escalabilidade, como um dos temas mais importantes, contínuos e difíceis na evolução da tecnologia de blockchain, gerou quase todos os caminhos tecnológicos principais que surgiram e evoluíram na última década. Desde o início da disputa sobre o tamanho do bloco do Bitcoin, essa corrida tecnológica sobre "como fazer a cadeia funcionar mais rápido" acabou se dividindo em cinco grandes rotas básicas, cada uma abordando o gargalo sob diferentes ângulos, com suas próprias filosofias tecnológicas, dificuldades de implementação, modelos de risco e cenários de aplicação.

A primeira classe de rotas é a mais direta para a escalabilidade on-chain, representando práticas como aumentar o tamanho dos blocos, reduzir o tempo de criação de blocos, ou melhorar a capacidade de processamento através da otimização da estrutura de dados e do mecanismo de consenso. Esta abordagem tornou-se o foco na disputa de escalabilidade do Bitcoin, levando ao surgimento de forks da "grande bloco" como BCH e BSV, e também influenciou o pensamento de design de cadeias públicas de alto desempenho como EOS e NEO. As vantagens dessa rota são a preservação da simplicidade da consistência de uma única cadeia, sendo fácil de entender e implementar, mas também é suscetível a riscos de centralização, aumento dos custos de operação dos nós e dificuldade de sincronização, entre outros limites sistêmicos. Portanto, no design atual, já não é mais uma solução central mainstream, mas sim uma combinação auxiliar de outros mecanismos.

A segunda categoria de rotas é a expansão off-chain, representada por canais de estado e sidechains. A ideia básica desse caminho é transferir a maior parte das atividades de transação para fora da cadeia, escrevendo apenas o resultado final na cadeia principal, que atua como a camada final de liquidação. Em termos de filosofia técnica, isso se aproxima da ideia de arquitetura assíncrona do Web2 - tentando deixar o processamento pesado de transações na periferia, enquanto a cadeia principal realiza a validação mínima de confiança. Embora essa abordagem possa teoricamente escalar infinitamente a taxa de transferência, questões como o modelo de confiança nas transações off-chain, a segurança dos fundos e a complexidade das interações limitam sua aplicação. Um exemplo típico é a Lightning Network, que tem uma clara localização de cenário financeiro, mas a escala do ecossistema nunca conseguiu explodir; enquanto várias designs baseados em sidechain, como o POS de uma certa plataforma de negociação, expuseram desvantagens em herdar a segurança da cadeia principal, mesmo com alta taxa de transferência.

A terceira categoria de rotas é a rota Layer2 Rollup, atualmente a mais popular e amplamente implementada. Esse método não altera diretamente a cadeia principal, mas sim realiza a escalabilidade por meio de um mecanismo de execução fora da cadeia e verificação na cadeia. Optimistic Rollup e ZK Rollup têm suas vantagens: o primeiro é rápido e altamente compatível, mas enfrenta problemas de atraso no período de desafio e no mecanismo de prova de fraude; o segundo é seguro, com boa capacidade de compressão de dados, mas é complexo de desenvolver e tem baixa compatibilidade com EVM. Independentemente do tipo de Rollup, sua essência é terceirizar os direitos de execução, enquanto mantém os dados e a verificação na cadeia principal, alcançando um equilíbrio relativo entre descentralização e alta performance. O rápido crescimento de alguns projetos Layer2 prova a viabilidade desse caminho, mas também expõe algumas limitações de médio prazo, como a dependência excessiva da disponibilidade de dados (DA), custos ainda elevados e uma experiência de desenvolvimento fragmentada.

A quarta categoria de rotas é a arquitetura de blockchain modular que surgiu nos últimos anos, representada por projetos como Celestia, Avail, EigenLayer, entre outros. O paradigma modular defende a desacoplamento total das funções centrais do blockchain - execução, consenso, disponibilidade de dados, liquidação - sendo realizadas por várias cadeias especializadas que completam diferentes funções, e depois combinadas em uma rede escalável através de protocolos de cross-chain. Esta direção é profundamente influenciada pela arquitetura modular de sistemas operacionais e pela ideia de computação em nuvem combinável, com a vantagem de permitir a substituição flexível de componentes do sistema, e na fase específica (, como DA), aumentar significativamente a eficiência. Contudo, seus desafios são bastante evidentes: após o desacoplamento modular, o custo de sincronização, verificação e confiança mútua entre os sistemas é extremamente alto, o ecossistema de desenvolvedores é extremamente fragmentado, e as exigências para padrões de protocolo de médio a longo prazo e segurança de cross-chain são muito superiores às do design de cadeias tradicionais. Este modelo essencialmente não constrói mais uma "cadeia", mas sim uma "rede de cadeias", apresentando um limiar sem precedentes para a compreensão e operação da arquitetura global.

A última categoria de rotas, que é o objeto de análise principal deste artigo, é o caminho de otimização de computação paralela dentro da cadeia. Ao contrário das quatro primeiras categorias que realizam uma "divisão horizontal" principalmente a partir da perspectiva estrutural, a computação paralela enfatiza a "atualização vertical", ou seja, dentro de uma única cadeia, através da alteração da arquitetura do motor de execução, realiza o processamento concorrente de transações atômicas. Isso exige reescrever a lógica de agendamento da VM, introduzindo uma série de mecanismos modernos de agendamento de sistemas de computação, como análise de dependência de transações, previsão de conflitos de estado, controle de paralelismo e chamadas assíncronas. Um projeto de blockchain de alto desempenho foi um dos primeiros a implementar o conceito de VM paralela no sistema de nível de cadeia, realizando a execução paralela multi-core através de um julgamento de conflitos de transação baseado em modelo de conta. Projetos de nova geração como Monad, Sei, Fuel, MegaETH, entre outros, tentam ainda mais introduzir conceitos de execução em pipeline, concorrência otimista, partição de armazenamento e desacoplamento paralelo, construindo um núcleo de execução de alto desempenho semelhante ao de uma CPU moderna. A principal vantagem dessa direção é que não requer a dependência de uma arquitetura de múltiplas cadeias para alcançar um limite de throughput, ao mesmo tempo que fornece elasticidade computacional suficiente para a execução de contratos inteligentes complexos, sendo um pré-requisito técnico importante para cenários de aplicação voltados para futuros Agentes de IA, jogos em cadeia de grande escala, derivativos de alta frequência, entre outros.

Ao observar as cinco categorias mencionadas de caminhos de escalabilidade, a divisão subjacente é, na verdade, o equilíbrio sistemático entre desempenho, combinabilidade, segurança e complexidade de desenvolvimento na blockchain. Rollup se destaca na terceirização de consenso e herança de segurança, modularidade enfatiza a flexibilidade estrutural e reutilização de componentes, a escalabilidade fora da cadeia tenta superar o gargalo da cadeia principal, mas com um alto custo de confiança, enquanto a paralelização dentro da cadeia foca na atualização fundamental da camada de execução, tentando se aproximar dos limites de desempenho dos modernos sistemas distribuídos sem comprometer a consistência interna da cadeia. Cada caminho não pode resolver todos os problemas, mas são essas direções que, juntas, formam um panorama da atualização do paradigma computacional Web3, oferecendo opções estratégicas extremamente ricas para desenvolvedores, arquitetos e investidores.

Assim como na história os sistemas operacionais passaram de mononúcleo para multinúcleo, e os bancos de dados evoluíram de índices sequenciais para transações concorrentes, o caminho de escalabilidade do Web3 também acabará por avançar para uma era de execução altamente paralela. Nessa era, o desempenho não será apenas uma competição de velocidade de cadeia, mas sim uma expressão abrangente da filosofia de design subjacente, da profundidade da compreensão da arquitetura, da colaboração entre software e hardware, e da capacidade de controle do sistema. E a paralelização dentro da cadeia pode ser o campo de batalha definitivo desta longa guerra.

Mapa de Classificação de Computação Paralela: As Cinco Principais Rotas de Conta a Instrução

No contexto da evolução contínua das tecnologias de escalabilidade da blockchain, a computação paralela tornou-se progressivamente o caminho central para a superação de desempenho. Diferente do desacoplamento horizontal das camadas de estrutura, rede ou disponibilidade de dados, a computação paralela é uma escavação vertical na camada de execução, que diz respeito à lógica mais fundamental da eficiência operacional da blockchain, determinando a velocidade de resposta e a capacidade de processamento de um sistema de blockchain ao enfrentar alta concorrência e transações complexas de múltiplos tipos. A partir do modelo de execução, ao revisitar a linha de desenvolvimento deste espectro tecnológico, podemos traçar um mapa de classificação claro da computação paralela, que pode ser aproximadamente dividido em cinco caminhos tecnológicos: paralelismo a nível de conta, paralelismo a nível de objeto, paralelismo a nível de transação, paralelismo a nível de máquina virtual e paralelismo a nível de instrução. Esses cinco tipos de caminhos, do grosso ao fino, representam não apenas um processo contínuo de refinamento da lógica paralela, mas também um caminho de complexidade do sistema e dificuldade de agendamento em constante ascensão.

O primeiro nível de paralelismo em contas apareceu como um paradigma representado por uma determinada blockchain de alto desempenho. Este modelo é baseado em um design desacoplado de conta-estado, analisando estaticamente o conjunto de contas envolvidas nas transações para determinar se existem relações de conflito. Se os conjuntos de contas acessados por duas transações não se sobrepõem, é possível executá-las em paralelo em múltiplos núcleos. Este mecanismo é muito adequado para lidar com transações com estruturas claras e entradas e saídas definidas, especialmente programas com caminhos previsíveis, como DeFi. No entanto, sua suposição inerente é que o acesso às contas é previsível e que as dependências de estado podem ser inferidas estaticamente, o que resulta em problemas de execução conservadora e diminuição do paralelismo quando enfrentam comportamentos dinâmicos de contratos inteligentes complexos, como jogos em cadeia e agentes de IA, por exemplo, durante as transações (. Além disso, as dependências cruzadas entre contas também reduzem severamente os ganhos de paralelismo em certos cenários de negociação de alta frequência. O runtime dessa blockchain de alto desempenho já implementou uma alta otimização nesse aspecto, mas sua estratégia de agendamento central ainda é limitada pela granularidade das contas.

Com base no modelo de contas, refinamos ainda mais e entramos no nível técnico de paralelismo em nível de objeto. O paralelismo em nível de objeto introduz uma abstração semântica de recursos e módulos, permitindo o agendamento concorrente em unidades de "objetos de estado" de granularidade mais fina. Alguns projetos de nova geração Layer1 são importantes exploradores nesta direção, especialmente os últimos que, através do sistema de tipos lineares da linguagem Move, definem em tempo de compilação a propriedade e a mutabilidade dos recursos, permitindo assim um controle preciso de conflitos de acesso a recursos em tempo de execução. Essa abordagem é mais versátil e escalável em comparação com o paralelismo em nível de conta, podendo abranger lógicas de leitura e escrita de estado mais complexas, e servindo naturalmente a cenários de alta heterogeneidade, como jogos, redes sociais e IA. No entanto, o paralelismo em nível de objeto também introduz um maior limiar linguístico e complexidade de desenvolvimento; Move não é um substituto direto do Solidity, e o custo de troca de ecossistemas é elevado, limitando a velocidade de difusão de seu paradigma de paralelismo.

O paralelismo a nível de transação, que avança ainda mais, é a direção explorada por novas gerações de blockchains de alto desempenho, representadas por Monad, Sei e Fuel. Este caminho não considera mais estado ou conta como a menor unidade de paralelismo, mas constrói um gráfico de dependências em torno da própria transação. A transação é vista como uma unidade de operação atómica, construindo um gráfico de transação )Transaction DAG( através de análise estática ou dinâmica, e depende de um programador para execução em fluxo concorrente. Este design permite ao sistema maximizar a exploração do paralelismo sem a necessidade de entender completamente a estrutura de estado subjacente. Monad é particularmente notável, pois combina controle de concorrência otimista )OCC(, agendamento de pipeline paralelo, execução fora de ordem e outras tecnologias modernas de motores de banco de dados, tornando a execução da blockchain mais próxima do paradigma "programador de GPU". Na prática, este mecanismo requer um gerenciador de dependências e um detector de conflitos extremamente complexos, e o próprio programador pode se tornar um gargalo, mas sua capacidade de throughput potencial é muito superior ao modelo de conta ou objeto, tornando-se uma força com o maior teto teórico na atual corrida de computação paralela.

E a paralelização a nível de máquina virtual insere a capacidade de execução concorrente diretamente na lógica de agendamento de instruções de baixo nível da VM, buscando superar completamente as limitações fixas da execução sequencial do EVM. MegaETH, como um "experimento de super máquina virtual" dentro do ecossistema Ethereum,