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

1. Introdução: O tema eterno da escalabilidade da blockchain

O "Trilema do Blockchain" revela a essência do compromisso no design de sistemas blockchain, que é a dificuldade de um projeto de blockchain em alcançar simultaneamente "extrema segurança, participação universal e processamento rápido". Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", as principais soluções de escalabilidade de blockchain no mercado são classificadas de acordo com paradigmas, incluindo:

• Execução de escalabilidade aprimorada: aumento da capacidade de execução no local, como paralelismo, GPU e múltiplos núcleos.
• Escalabilidade por isolamento de estado: divisão horizontal do estado/Shard, por exemplo, sharding, UTXO, múltiplas sub-redes
• Escalabilidade por outsourcing off-chain: colocar a execução fora da cadeia, como Rollup, Coprocessor, DA
• Escalabilidade 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, por exemplo, agentes, cadeia assíncrona de múltiplas threads

As soluções de escalabilidade da blockchain incluem: computação paralela em 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 "multi-nível e colaboração modular". Este artigo foca principalmente nas soluções de escalabilidade com computação paralela como principal.

Paralelismo intra-chain (, focando na execução paralela de transações/instruções dentro do bloco. Segundo os mecanismos 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 de paralelismo tornando-se cada vez mais fina, a intensidade de paralelismo aumentando, a complexidade de agendamento também aumentando, e a complexidade de programação e dificuldade de implementação crescendo 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 os projetos Monad, Aptos
• Chamada de nível / MicroVM 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), pertencendo a outro paradigma de computação paralela, como um sistema de mensagens cross-chain/assíncrono (modelo de não-sincronização de bloco), onde cada Agente atua como um "processo inteligente independente", operando de forma assíncrona com mensagens e eventos, sem necessidade de agendamento de sincronização. Projetos representativos incluem AO, ICP, Cartesi, entre outros.

Os conhecidos esquemas de Rollup ou de fragmentação para escalabilidade pertencem a mecanismos de concorrência a nível de sistema, e não a cálculos paralelos dentro da cadeia. Eles 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. Esses esquemas de escalabilidade não são o foco deste artigo, mas ainda assim os utilizaremos para comparar as semelhanças e diferenças nas ideias de arquitetura.

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Dois, EVM Enhanced Parallel Chain: Rompendo as Fronteiras de Desempenho na Compatibilidade

A arquitetura de processamento serial do Ethereum evoluiu até hoje, passando por várias tentativas de escalabilidade, incluindo sharding, Rollup e arquitetura modular, 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 aumento paralelo do tipo EVM estão se tornando uma direção importante na nova rodada de evolução da escalabilidade, equilibrando a compatibilidade ecológica e o aumento do desempenho de execução. 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 com atraso e da decomposição de estado, respectivamente.

) Análise do mecanismo de computação paralela Monad

Monad é uma blockchain de alto desempenho Layer1, 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, 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), realizando otimização de ponta a ponta.

Pipelining: Mecanismo de execução paralela de múltiplas etapas

Pipelining é o conceito básico da execução paralela de Monads, e sua ideia central é dividir o processo de execução da blockchain em várias etapas independentes e processá-las em paralelo, formando uma arquitetura de pipeline tridimensional. Cada etapa opera em threads ou núcleos independentes, permitindo o processamento concorrente entre blocos, com o objetivo final de aumentar a taxa de transferência e reduzir a latência. Essas etapas incluem: Proposição de transação (Propose), Acordo de consenso (Consensus), Execução de transação (Execution) e Compromisso de bloco (Commit).

Execução Assíncrona: Desacoplamento Assíncrono de Consenso e Execução

No blockchain tradicional, o consenso e a execução das transações geralmente são processos síncronos, e esse modelo serial limita severamente a escalabilidade de desempenho. O Monad implementa a "execução assíncrona", tornando a camada de consenso assíncrona, a camada de execução assíncrona e o armazenamento assíncrono. Isso reduz significativamente o tempo de bloco e a latência de confirmação, tornando o sistema mais resiliente, com processos mais segmentados e uma maior eficiência na utilização de recursos.

Design central:

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

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 em paralelo de forma otimista, 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, garantindo a correção do estado.

Monad escolheu um caminho compatível: alterando o mínimo possível as regras do EVM, realizando a execução através do adiamento da escrita de estado e da detecção dinâmica de conflitos para alcançar a paralelização, assemelhando-se mais a uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade e facilidade na migração do ecossistema EVM, sendo um acelerador paralelo no mundo EVM.

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) Análise do mecanismo de computação paralela do MegaETH

Diferente da posição 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 na Ethereum (Execution Layer) ou um componente modular. Seu objetivo central de design é desconstruir a lógica de contas, o ambiente de execução e o estado em unidades mínimas que podem ser agendadas de forma independente, a fim de alcançar alta execução concorrente e baixa latência na resposta dentro da 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 dentro da cadeia".

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

MegaETH introduziu um modelo de execução de "máquina virtual micro (Micro-VM) por conta", tornando o ambiente de execução "multithreaded" e fornecendo a unidade mínima de isolamento para o agendamento paralelo. Essas VMs comunicam-se entre si através 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 Gráfico de Dependência

O MegaETH construiu um sistema de agendamento DAG baseado em relações de acesso ao estado da conta, o sistema 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, enquanto transações com relações de dependência serão agendadas em ordem topológica ou adiadas. O gráfico de dependência garante a consistência de estado e a não escrita duplicada durante o processo de execução em paralelo.

Execução assíncrona e mecanismo de callback

B

Em suma, o MegaETH rompe com o modelo tradicional de máquina de estado de thread única do EVM, implementando o encapsulamento de micro máquinas virtuais por unidade de conta, através de um gráfico de dependência de estado para agendamento de transações, e substituindo 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 fornece uma nova abordagem de nível paradigmático para a construção do próximo sistema de alta performance em cadeia.

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

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Os conceitos de design do Monad e do MegaETH diferem significativamente da fragmentação (Sharding): a fragmentação divide a blockchain em várias subcadeias independentes (fragmentos Shards), onde cada subcadeia é responsável por parte das transações e do estado, rompendo as limitações de uma única cadeia para expandir na camada de rede; enquanto o Monad e o 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. Os dois representam direções opostas 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 em caminhos de otimização de throughput, com o objetivo central de melhorar o TPS na cadeia, realizando o processamento paralelo em nível de transação ou de conta através da execução deferida (Deferred Execution) e da arquitetura de micro-Virtual Machine (Micro-VM). O Pharos Network, como uma rede de blockchain L1 modular e de pilha completa, possui um mecanismo de computação paralela central chamado "Rollup Mesh". Essa arquitetura suporta ambientes 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 utiliza um método de processamento assíncrono, permitindo que cada fase ocorra 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 para lidar com tipos específicos de tarefas ou aplicações. Através dos SPNs, o Pharos consegue 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 Reestaqueamento (Modular Consensus & Restaking): A Pharos introduziu um mecanismo de consenso flexível, suportando vários modelos de consenso (como PBFT, PoS, PoA), e através do protocolo de reestaqueamento (Restaking) alcança o compartilhamento seguro e a integração de recursos entre a mainnet e os SPNs.

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Além disso, o Pharos utiliza árvores Merkle de múltiplas versões, codificação delta (Delta Encoding), versão