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

O "triângulo impossível" da blockchain, que envolve "segurança", "descentralização" e "escalabilidade", revela o equilíbrio essencial no design dos sistemas de blockchain, 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", atualmente as principais soluções de escalonamento de blockchain no mercado são classificadas de acordo com paradigmas, incluindo:

• Executar escalabilidade aprimorada: aumentar a capacidade de execução in loco, por exemplo, paralelismo, GPU, múltiplos núcleos
• Isolamento de estado para escalabilidade: divisão horizontal de estado / Shard, como fragmentação, UTXO, múltiplas sub-redes
• Escalabilidade de outsourcing off-chain: colocar a execução fora da cadeia, por exemplo, Rollup, Coprocessor, DA
• Expansão de desacoplamento estrutural: módulos arquitetônicos, operação colaborativa, como cadeias modulares, ordenadores compartilhados, Rollup Mesh
• Escalabilidade assíncrona e concorrente: Modelo Actor, isolamento de processos, dirigido por mensagens, como agentes, cadeia assíncrona de múltiplas threads

As soluções de escalabilidade da blockchain incluem: computação paralela na 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 de "múltiplas camadas colaborativas e combinação modular". Este artigo foca principalmente nas soluções de escalabilidade baseadas em 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 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 o nível de granularidade paralela se tornando cada vez mais fino, a intensidade paralela aumentando, a complexidade de agendamento também aumentando, e a complexidade de programação e dificuldade de implementação se tornando cada vez maiores.

• Nível de conta (Account-level): representa o projeto Solana
• Paralelismo a nível de objeto (: representa o projeto Sui
• Nível de transação )Transaction-level(: representa o projeto Monad, Aptos
• Nível de chamada / Micro VM paralelo)Nível de chamada / MicroVM(: representa o projeto MegaETH
• Paralelismo a nível de instrução ): representa o projeto GatlingX

Modelo de concorrência assíncrona fora da cadeia, representado pelo sistema de agentes inteligentes (Agent / Actor Model), que pertence a um outro paradigma de computação paralela, como sistema de mensagens assíncronas / intercadeias (modelo não sincronizado em bloco), cada Agente atua como um "processo inteligente independente", comunicando-se de forma assíncrona por mensagens, impulsionado por eventos, sem necessidade de agendamento sincronizado, projetos representativos incluem AO, ICP, Cartesi, entre outros.

Os conhecidos Rollup ou soluções de escalabilidade por fragmentação pertencem a mecanismos de concorrência em nível de sistema e não a cálculos paralelos 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. Este tipo de solução de escalabilidade não é o foco da discussão deste artigo, mas ainda assim o utilizaremos para comparações de semelhanças e diferenças em conceitos de arquitetura.

II. EVM e a cadeia melhorada em paralelo: superando os limites 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 teve uma ruptura 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, a cadeia paralela do EVM, que equilibra a compatibilidade ecológica e a melhoria do desempenho de execução, está se tornando uma direção importante na nova rodada de evolução de escalabilidade. Monad e MegaETH são os projetos mais representativos nessa direção, cada um abordando 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 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 concorrência otimista na camada de execução (Optimistic Parallel Execution). Além disso, na camada de consenso e armazenamento, Monad introduz, respectivamente, um protocolo BFT de alto desempenho (MonadBFT) e um sistema de banco de dados especializado (MonadDB), realizando otimização de ponta a ponta.

Pipelining: Mecanismo de execução paralela em múltiplas fases

O Pipelining é o princípio 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. Cada fase é executada em threads ou núcleos independentes, possibilitando 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 Submissão de Bloco (Commit).

Execução Assíncrona: Consenso - Execução Assíncrona Desacoplada

Na cadeia tradicional, o consenso e a execução das transações costumam ser processos síncronos, e esse modelo sequencial limita significativamente a escalabilidade de desempenho. O Monad implementou a assíncrona na camada de consenso, execução assíncrona e armazenamento assíncrono através da «execução assíncrona». Isso reduz significativamente o tempo de bloco (block time) e a latência de confirmação, tornando o sistema mais resiliente, com processos mais segmentados e maior taxa de utilização de recursos.

Design principal:

• O processo de consenso ( camada de consenso ) é responsável apenas pela ordenação de transações, não executa a lógica de contratos.
• 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 aguardar a conclusão da execução.

Execução Paralela Otimista: Execução Paralela Otimista

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 entre si.
• 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 detetado, as transações em conflito serão serializadas e executadas novamente para garantir a correção do estado.

Monad escolheu um caminho compatível: minimizando as alterações nas regras do EVM, realizando a execução através do atraso na escrita de estado e detecção dinâmica de conflitos para alcançar a paralelização, mais parecido com uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade que facilita a migração do ecossistema EVM, é 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 e modular compatível com EVM, podendo atuar tanto como uma blockchain pública L1 independente quanto como uma camada de aprimoramento de execução na Ethereum)Execution Layer### ou como um componente modular. O objetivo central de design é desmembrar a lógica de conta, 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 baixa latência dentro da cadeia. A inovação chave proposta pelo MegaETH consiste na: Arquitetura Micro-VM + DAG de Dependência de Estado(gráficos acíclicos direcionados 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( Máquina Virtual Micro) Arquitetura: Conta é um thread

MegaETH introduziu o modelo de execução "uma micro máquina virtual por conta (Micro-VM)", que "tornada" o ambiente de execução, proporcionando a menor unidade de isolamento para o agendamento paralelo. Estas VMs comunicam-se entre si através de mensagens assíncronas (Asynchronous Messaging), em vez de chamadas síncronas, permitindo que muitas VMs executem de forma independente e armazenem de forma independente, naturalmente em paralelo.

State Dependency DAG: Mecanismo de agendamento baseado em grafo de dependência

MegaETH construiu um sistema de agendamento DAG baseado nas 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 são lidas, tudo como uma relação de dependência. Transações sem conflitos podem ser executadas em paralelo, enquanto transações com relações de dependência serão agendadas e ordenadas em série ou adiadas conforme a ordem topológica. O gráfico de dependência garante a consistência do estado e a não duplicação da escrita 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 estado de thread única do EVM, implementando encapsulamento de micro máquinas virtuais por unidade de conta, realizando o agendamento de transações através de um gráfico de dependência de estado e utilizando um mecanismo de mensagens assíncronas em vez de uma pilha de chamadas síncronas. É uma plataforma de computação paralela redesenhada em todas as dimensões, desde "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", que oferece uma nova abordagem paradigmática para a construção de sistemas de alta performance na cadeia da próxima geração.

MegaETH escolheu um caminho de reconstrução: abstrair completamente contas e contratos como VM independentes, liberando o potencial extremo de paralelismo através da programação de execução assíncrona. Teoricamente, o limite de paralelismo do MegaETH é maior, mas também é mais difícil 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 da fragmentação (Sharding): a fragmentação divide a blockchain horizontalmente em várias subchains independentes (fragmentos Shards), cada subchain é responsável por parte das transações e estados, quebrando a limitação de uma única chain na camada de rede; enquanto Monad e MegaETH mantêm a integridade da chain única, expandindo horizontalmente apenas na camada de execução, otimizando a execução paralela extrema dentro da chain única para superar o desempenho. Ambos representam duas direções na trajetória de expansão da blockchain: o fortalecimento vertical e a expansão horizontal.

Os projetos de computação paralela, como Monad e MegaETH, estão principalmente focados na otimização do throughput, com o objetivo central de aumentar o TPS na cadeia, através da execução atrasada (Deferred Execution) e da arquitetura de micromáquinas virtuais (Micro-VM), permitindo o processamento paralelo a nível de transação ou conta. O Pharos Network, como uma rede blockchain L1 modular e full-stack paralela, tem seu mecanismo de computação paralela central chamado "Rollup Mesh". Esta arquitetura, através do trabalho conjunto da mainnet e de redes de processamento especial (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 paralela Rollup Mesh:

1. Processamento assíncrono de pipeline de ciclo de vida completo (: Pharos desacopla as várias fases da transação ), como consenso, execução e armazenamento (, e adota um método de processamento assíncrono, permitindo que cada fase seja 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 conforme a necessidade. 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. Tratamento especial da rede ( SPNs ): SPNs são componentes-chave na arquitetura Pharos, semelhantes a sub-redes modularizadas, projetadas 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 Restaking(Modular Consensus & Restaking): Phar