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

I. Introdução

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 atingirem simultaneamente "segurança extrema, acessibilidade para todos e processamento rápido". Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", as principais soluções de expansão de blockchain atualmente no mercado são diferenciadas por paradigmas, incluindo:

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

As soluções de escalabilidade da blockchain incluem: computação paralela dentro da cadeia, Rollup, sharding, módulo 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 de escalabilidade completo de "cooperação em múltiplas camadas e combinação de módulos". Este artigo foca nas soluções de escalabilidade com base na computação paralela como a principal abordagem.

Cálculo paralelo intra-cadeia (intra-chain parallelism), focando na execução paralela de transações / instruções dentro do bloco. De acordo com o mecanismo paralelo, 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 em 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 não sincronizado de bloco). Cada agente funciona como um "processo inteligente independente", operando de forma assíncrona, impulsionado por mensagens e 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 a cálculos paralelos dentro da cadeia. Eles realizam 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 da discussão deste artigo, mas ainda assim as utilizaremos para comparações de semelhanças e diferenças na filosofia de arquitetura.

2. EVM Chain de Parallelo Aumentado: Superando Limites de Performance na Compatibilidade

A arquitetura de processamento em série do Ethereum evoluiu 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 superação 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 EVM, que equilibram a compatibilidade ecológica e a melhoria do desempenho de execução, estão se tornando uma direção importante na evolução da próxima rodada de escalabilidade. Monad e MegaETH são os projetos mais representativos nessa direção, abordando a execução em atraso e a decomposição de estado, respectivamente, para construir uma arquitetura de processamento paralelo do 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 concorrência otimista (Optimistic Parallel Execution) na camada de execução. Além disso, nas camadas de consenso e armazenamento, o 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 fundamental 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 é executada em threads ou núcleos independentes, permitindo o processamento concorrente entre blocos, alcançando assim a melhoria da taxa de transferência e a redução da 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 geralmente são processos síncronos, e esse modelo sequencial limita severamente a escalabilidade de desempenho. A Monad implementou "execução assíncrona" para alcançar 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 detalhados e melhor utilização dos recursos.

Design central:

• O processo de consenso (camada de consenso) é responsável apenas pela ordenação das transações, não pela execução da lógica de 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 execução.

Execução Paralela Otimista：乐观并行执行

O Ethereum tradicional utiliza um modelo de execução estritamente serial para 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 irá executar todas as transações de forma otimista e em paralelo, assumindo que a maioria das transações não tem conflitos de estado.
• Executar simultaneamente um "Detetor de Conflitos (Conflict Detector)" para monitorar se as transações acessaram 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: move-se o mínimo possível nas regras do EVM, realizando a execução através do adiamento da escrita de estado e da detecção dinâmica de conflitos, implementando assim paralelismo, mais semelhante a uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade que facilita a migração do ecossistema EVM, sendo um acelerador de paralelismo 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 modular de alto desempenho compatível com EVM, podendo atuar tanto como uma blockchain pública L1 independente quanto como uma camada de增强执行 (Execution Layer) ou componente modular na Ethereum. O objetivo central do seu design 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 uma execução de alta concorrência e capacidade de resposta de baixa latência dentro da cadeia. A inovação chave proposta pelo MegaETH reside na: arquitetura Micro-VM + DAG de Dependência de Estado (grafo de dependência de estado acíclico direcionado) e mecanismo de sincronização modular, que juntos constroem um sistema de execução paralela voltado para "threading dentro da cadeia".

Arquitetura Micro-VM: conta é um thread

O MegaETH introduziu o modelo de execução "uma 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 executem de forma independente e armazenem de forma independente, sendo naturalmente paralelas.

Dependência de Estado 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 como relações de dependência. Transações sem conflito podem ser executadas em paralelo, enquanto transações com relações de dependência serão agendadas em ordem topológica de forma serial ou adiadas. O gráfico de dependência garante a consistência do estado e a não duplicação de gravações durante o processo de execução em paralelo.

Execução assíncrona e mecanismo de callback

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Em suma, o MegaETH rompe com o modelo tradicional de máquina de estado de thread único EVM, implementando um encapsulamento de micromáquinas virtuais por unidade de conta, realizando o agendamento de transações através de um gráfico de dependência de estado e substituindo a pilha de chamadas síncronas por um mecanismo de mensagens assíncronas. É uma plataforma de computação paralela redesenhada em uma nova dimensão de "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", fornecendo uma nova abordagem de nível de paradigma para a construção do próximo sistema de alta performance em blockchain.

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 mais difícil de 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 em relação à fragmentação (Sharding): a fragmentação divide a blockchain horizontalmente em várias sub-cadeias independentes (fragmentos Shards), onde cada sub-cadeia é responsável por parte das transações e estados, quebrando as limitações de uma única cadeia na camada de rede; enquanto Monad e 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. Ambos representam as direções de fortalecimento vertical e expansão horizontal no caminho 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 o TPS na cadeia, implementando o processamento paralelo em nível de transação ou de conta por meio da execução adiada (Deferred Execution) e da arquitetura de micromáquinas virtuais (Micro-VM). O Pharos Network, como uma rede L1 modular e de pilha completa para computação paralela, tem seu mecanismo de computação paralela central denominado "Rollup Mesh". Esta arquitetura suporta um ambiente de múltiplas máquinas virtuais (EVM e Wasm) através da colaboração entre a mainnet e redes de tratamento especial (SPNs), 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 possa ser 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): As SPNs são componentes-chave da arquitetura Pharos, semelhantes a sub-redes modularizadas, projetadas especificamente para lidar com tipos específicos de tarefas ou aplicações. Através das 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 Restaking (Modular Consensus & Restaking): Pharos introduziu um mecanismo de consenso flexível, suportando vários modelos de consenso (como PBFT, PoS, PoA), e através do restaking