Mapa panorâmico do setor de computação paralela Web3: a melhor solução para expansão nativa?

I. Visão geral da rota tecnológica de computação paralela

O "Trilema da Blockchain" revela os trade-offs essenciais no design de sistemas de 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 escalabilidade aprimorada: melhorar a capacidade de execução no local, como paralelismo, GPU e múltiplos núcleos.
• Escalonamento por isolamento de estado: divisão horizontal de estado / Shard, por exemplo, fragmentação, UTXO, múltiplas sub-redes
• Escalabilidade de tipo off-chain: colocar a execução fora da cadeia, como Rollup, Coprocessor, DA
• Desacoplamento estrutural para escalabilidade: modularização da arquitetura, operação colaborativa, como cadeias modulares, ordenadores partilhados, Rollup Mesh
• Escalabilidade assíncrona e concorrente: Modelo Actor, isolamento de processos, orientado a mensagens, por exemplo, agentes, cadeias assíncronas multithread.

As soluções de escalabilidade da blockchain incluem: computação paralela dentro da cadeia, Rollup, sharding, módulos DA, estrutura modular, sistema Actor, compressão de prova zk, arquitetura Stateless, entre outros, abrangendo múltiplos níveis de execução, estado, dados e estrutura, constituindo um sistema completo de escalabilidade "multinível e combinação modular". Este artigo foca principalmente na abordagem de escalabilidade baseada na computação paralela.

Paralelismo intra-chain (intra-chain parallelism), focando na execução paralela de transações / instruções dentro do bloco. De acordo com o mecanismo de paralelismo, suas metodologias de escalabilidade podem ser divididas em cinco grandes categorias, cada uma representando diferentes busca de desempenho, modelos de desenvolvimento e filosofias de arquitetura, com o grau de paralelismo tornando-se cada vez mais fino, a intensidade de paralelismo cada vez maior, a complexidade de agendamento também aumentando, e a complexidade de programação e dificuldade de implementação aumentando também.

• 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 / 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 entidades Actor (Modelo Agent / Actor), que pertence a um outro paradigma de computação paralela, como um sistema de mensagens assíncronas / intercadeia (modelo de não sincronização de bloco), onde cada Agent atua como um "processo inteligente" que opera de forma independente, com mensagens assíncronas em modo paralelo, acionado por eventos e sem necessidade de agendamento de sincronização. Projetos representativos incluem AO, ICP, Cartesi, entre outros.

E as soluções de escalabilidade que conhecemos bem, como Rollup ou sharding, pertencem a mecanismos de concorrência em nível de sistema e não à computação paralela dentro da cadeia. Elas alcançam 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 desta discussão, mas ainda assim as utilizaremos para comparar semelhanças nas ideias de arquitetura.

II. Cadeia de Aumento Paralelo EVM: Superando os Limites de Desempenho na Compatibilidade

A arquitetura de processamento em série do Ethereum evoluiu até hoje, passando por várias tentativas de escalabilidade, incluindo sharding, Rollup e arquitetura modular, mas o gargalo de throughput da camada de execução ainda não foi superado de forma fundamental. No entanto, ao mesmo tempo, EVM e Solidity continuam sendo as plataformas de contratos inteligentes com a maior base de desenvolvedores e potencial ecológico atualmente. Portanto, as cadeias paralelas EVM, que equilibram a compatibilidade ecológica e a melhoria do desempenho de execução, estão se tornando uma direção importante para a evolução da próxima rodada de escalabilidade. Monad e MegaETH são os projetos mais representativos nessa direção, abordando a execução atrasada e a decomposição de estado, respectivamente, construindo uma arquitetura de processamento paralelo EVM voltada para cenários de alta concorrência e alto throughput.

Análise do mecanismo de computação paralela 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 na camada de execução (Optimistic Parallel Execution). Além disso, na camada de consenso e armazenamento, Monad introduz, respetivamente, o 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, 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, onde cada fase opera em threads ou núcleos independentes, permitindo o processamento concorrente entre blocos e, finalmente, melhorando a taxa de transferência e reduzindo a latência. Essas fases incluem: Proposta de transação (Propose), Acordo de consenso (Consensus), Execução de transação (Execution) e Compromisso de bloco (Commit).

Execução assíncrona: Consenso - Executar desacoplamento assíncrono

Na cadeia tradicional, o consenso e a execução das transações costumam ser processos síncronos, e este modelo sequencial limita severamente a escalabilidade de desempenho. O Monad alcança a assíncrona na camada de consenso, execução assíncrona e armazenamento assíncrono através da "execução assíncrona". Isso reduz significativamente o tempo de bloco 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 dos contratos.
• 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 esperar pela conclusão da execução.

Execução Paralela Otimista：乐观并行执行

O Ethereum tradicional utiliza um modelo de execução estritamente sequencial 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 executará otimisticamente todas as transações em paralelo, assumindo que a maioria das transações não tem conflitos de estado.
• Executar simultaneamente um "Detector 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: alterando o mínimo possível as regras do EVM, implementando paralelismo durante a execução 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 para facilitar 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 paralela de alto desempenho, compatível com EVM e que pode funcionar tanto como uma blockchain pública L1 independente, quanto como uma camada de execução aprimorada na Ethereum (Execution Layer) ou componente modular. O principal objetivo de design é desmembrar 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 uma execução de alta concorrência e capacidade de resposta de baixa latência dentro da cadeia. A inovação chave proposta pelo MegaETH é: arquitetura Micro-VM + State Dependency DAG (grafo acíclico direcionado de dependência de estado) 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 fio

MegaETH introduziu o modelo de execução "um Micro-VM por conta", tornando o ambiente de execução "multithreaded", proporcionando 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 muitas VMs executem e armazenem de forma independente, sendo naturalmente paralelas.

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 isso como relações de dependência. Transações sem conflitos podem ser executadas em paralelo, enquanto transações com relações de dependência serão agendadas em sequência ou adiadas de acordo com a ordem topológica. O gráfico de dependência garante a consistência do estado e a não gravação duplicada 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 micro-máquinas virtuais por unidade de conta, realizando o agendamento de transações através de um gráfico de dependência de estados, e substituindo a pilha de chamadas síncronas por um mecanismo de mensagens assíncronas. Trata-se de uma plataforma de computação paralela redesenhada em toda a dimensão de "estrutura de contas → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", oferecendo novas ideias de nível de paradigma para a construção de sistemas de alta performance em cadeia 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 de agendamento de execução assíncrona. Teoricamente, o limite de paralelismo do MegaETH é mais alto, mas também é mais difícil controlar a complexidade, parecendo mais um sistema operacional super distribuído sob a filosofia do Ethereum.

Monad e MegaETH têm conceitos de design bastante diferentes do Sharding: o Sharding divide a blockchain horizontalmente em várias sub-chains independentes (Shards), cada uma responsável por parte das transações e estados, rompendo as limitações de uma única cadeia na escalabilidade da camada de rede; enquanto Monad e MegaETH mantêm a integridade da única cadeia, expandindo horizontalmente apenas na camada de execução, otimizando a execução paralela extrema dentro da única cadeia para superar o desempenho. Ambos 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, estão principalmente focados em otimização de throughput, com o objetivo central de aumentar o TPS na cadeia, por meio de execução atrasada (Deferred Execution) e arquitetura de micro-vm (Micro-VM) para alcançar processamento paralelo em nível de transação ou conta. O Pharos Network, sendo uma rede blockchain L1 modular e full-stack paralela, tem como seu mecanismo central de computação paralela o "Rollup Mesh". Esta arquitetura, através da colaboração entre a mainnet e redes de processamento especializadas (SPNs), suporta ambientes de múltiplas máquinas virtuais (EVM e Wasm) e integra tecnologias avançadas como provas de conhecimento zero (ZK) e ambientes de execução confiáveis (TEE).

Análise do mecanismo de computação paralelo 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 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 de acordo com suas necessidades. Esta arquitetura de dupla 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 Especiais (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 Reestabelecimento (Modular Consensus & Restaking): Pharos introduziu um mecanismo de consenso flexível, suportando vários modelos de consenso (como PBFT, PoS,