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

I. Visão Geral da Trilha de Computação Paralela

O "triângulo impossível" da blockchain, que inclui "segurança", "descentralização" e "escalabilidade", revela o equilíbrio essencial no design dos sistemas de blockchain, ou seja, é difícil para projetos de blockchain alcançar simultaneamente "segurança extrema, participação universal e processamento rápido". Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", as principais soluções de escalonamento de blockchain atualmente no mercado são classificadas de acordo com paradigmas, incluindo:

• Execução de escalabilidade melhorada: aumento da capacidade de execução no local, como paralelismo, GPU e múltiplos núcleos.
• Isolamento de estado para escalabilidade: divisão horizontal de estado, como sharding, UTXO, múltiplas sub-redes
• Escalabilidade externa por outsourcing: executar fora da cadeia, como Rollup, Coprocessor, DA
• Escalabilidade de desacoplamento estrutural: modularidade da arquitetura, funcionamento colaborativo, por exemplo, cadeia de módulos, ordenadores compartilhados, Rollup Mesh
• Expansão assíncrona e concorrente: Modelo Actor, isolamento de processos, orientação a mensagens, por exemplo, agentes, cadeia assíncrona multithread.

As soluções de escalabilidade da blockchain incluem: computação paralela dentro da 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 colaborativo, combinação modular". Este artigo foca principalmente nas soluções de escalabilidade com base na computação paralela.

Computação paralela intra-chain (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 busca de desempenho, modelo de desenvolvimento e filosofia de arquitetura, com um granularidade de paralelismo cada vez mais fina, intensidade de paralelismo cada vez mais alta, complexidade de agendamento também cada vez maior, 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
• Paralelismo a nível de transação (Transaction-level): representa o projeto Monad, Aptos
• Chamadas 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 inteligentes (Agent / Actor Model), que pertence a outro paradigma de computação paralela. Como sistema de mensagens assíncronas entre cadeias (modelo não sincronizado de blocos), cada agente atua como um "processo inteligente" que opera de forma independente, enviando mensagens de maneira assíncrona em um modo paralelo, acionado por eventos, sem a necessidade de agendamento sincronizado. Projetos representativos incluem AO, ICP, Cartesi, entre outros.

Os bem conhecidos Rollup ou soluções de escalabilidade em sharding pertencem a mecanismos de concorrência em nível de sistema e não a computação paralela dentro da cadeia. Eles 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 da discussão deste artigo, mas ainda assim as utilizaremos para comparar as semelhanças e diferenças nas ideias de arquitetura.

Dois, EVM e a cadeia de aumento paralelo: rompendo as fronteiras de desempenho 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 foi superado de forma fundamental. No entanto, ao mesmo tempo, o EVM e o Solidity continuam a ser as plataformas de contratos inteligentes com a maior base de desenvolvedores e potencial ecológico. Assim, a cadeia paralela EVM, que equilibra compatibilidade ecológica e melhoria de desempenho de execução, está se tornando uma direção importante para a nova rodada de evolução da escalabilidade. Monad e MegaETH são os projetos mais representativos nessa direção, abordando, respectivamente, a execução atrasada e a decomposição de estado, 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 do 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, a Monad introduz 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 em múltiplas fases

Pipelining é o conceito fundamental da execução paralela de Monad, 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, realizando o processamento concorrente entre blocos, e, finalmente, alcançando o aumento 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 serial limita seriamente a escalabilidade de desempenho. A Monad alcançou o consenso assíncrono, a execução assíncrona e o armazenamento assíncrono 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 uma maior utilização de recursos.

Design central:

• O processo de consenso (camada de consenso) é responsável apenas por ordenar transações, não executa a 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 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 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 transações 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: move-se o menos possível nas regras do EVM, realizando a paralelização através do atraso na escrita de estado e detecção dinâmica de conflitos durante a execução, assemelhando-se a uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade que facilita a migração do ecossistema EVM, sendo um acelerador de paralelização 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 compatível com EVM, podendo funcionar tanto como uma blockchain pública L1 independente quanto como uma camada de execução aprimorada na Ethereum ou um componente modular. O objetivo central de 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, a fim de alcançar execução de alta concorrência e capacidade de resposta de baixa latência na cadeia. A inovação chave proposta pelo MegaETH está na arquitetura Micro-VM + DAG de Dependência de Estado (Diagrama Acíclico Direcionado de Dependência de Estado) e no 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 "uma Micro-VM por conta", que "threadiza" o ambiente de execução, fornecendo a unidade mínima de isolamento para agendamento paralelo. Essas VMs se comunicam entre si por meio de Mensagens Assíncronas, em vez de chamadas síncronas, permitindo que muitas VMs executem e armazenem de forma independente, naturalmente em paralelo.

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 em relações de dependência. Transações sem conflito podem ser executadas em paralelo diretamente, enquanto transações com relações de dependência serão agendadas em ordem topológica, em série 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

B

Em suma, o MegaETH quebra o modelo tradicional de máquina de estado de thread única EVM, implementando o encapsulamento de micro máquinas virtuais por unidade de conta, realizando o agendamento de transações por meio 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 reestruturada em todas as dimensões, desde a "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", oferecendo uma nova abordagem paradigmática para a construção de sistemas on-chain de alta performance para a próxima geração.

MegaETH escolheu um caminho de reconstrução: abstrair completamente contas e contratos em uma VM independente, liberando o potencial de paralelismo extremo através da execução assíncrona. Teoricamente, o limite de paralelismo do MegaETH é maior, mas também é mais difícil controlar a complexidade, assemelhando-se a um super sistema operacional 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 várias subchains independentes (shards), com cada subchain responsável por parte das transações e estados, rompendo as limitações de uma única cadeia para a escalabilidade em nível de rede; enquanto Monad e MegaETH mantêm a integridade da cadeia única, expandindo horizontalmente apenas no nível de execução, otimizando a execução paralela dentro da cadeia única para superar o desempenho. Ambos representam duas direções diferentes 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 otimizar a taxa de transferência, com o objetivo central de aumentar o TPS na cadeia, realizando processamento paralelo em nível de transação ou de conta através da Execução Diferida (Deferred Execution) e da arquitetura de Micro-VM. O Pharos Network, como uma rede blockchain L1 modular e de pilha completa, possui um mecanismo de computação paralela central chamado "Rollup Mesh". Esta arquitetura suporta um ambiente de múltiplas máquinas virtuais (EVM e Wasm) através da colaboração entre a rede principal e as Redes de Processamento Especiais (SPNs), integrando tecnologias avançadas como Provas de Zero Conhecimento (ZK) e Ambiente de Execução Confiável (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 adota 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 apropriado de acordo com suas necessidades. Essa arquitetura de dupla VM não só aumenta a flexibilidade do sistema, mas também melhora a capacidade de processamento de transações por meio da execução paralela.
3. Redes de Processamento Especial (SPNs): Os SPNs são componentes chave na 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, melhorando 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 que suporta vários modelos de consenso (como PBFT, PoS, PoA) e implementa a rede principal com SPN através do protocolo de restaking.