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

I. O contexto técnico e a motivação para o desenvolvimento da computação paralela

O "triângulo impossível" da blockchain, que envolve "segurança", "descentralização" e "escalabilidade", revela o compromisso essencial no design de sistemas de blockchain, ou seja, é difícil para os projetos de blockchain alcançarem simultaneamente "máxima segurança, participação universal e processamento rápido". Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", as principais soluções de escalabilidade de blockchain disponíveis no mercado são classificadas de acordo com paradigmas, incluindo:

• Execução de escalonamento aprimorado: aumento da capacidade de execução no local, como paralelismo, GPU e multi-core.
• Isolamento de estado para escalabilidade: divisão horizontal de estado / Shard, como fragmentação, UTXO, múltiplas sub-redes
• Expansão do tipo de outsourcing fora da cadeia: colocar a execução fora da cadeia, por exemplo, Rollup, Coprocessor, DA
• Expansão de desacoplamento estrutural: modularidade da arquitetura, operação colaborativa, como cadeias modulares, ordenadores partilhados, Rollup Mesh
• Escalabilidade assíncrona e concorrente: Modelo Actor, isolamento de processos, acionado por mensagens, como agentes, cadeia assíncrona multithread

As soluções de escalabilidade da blockchain incluem: computação paralela na 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, formando um sistema completo de escalabilidade "multicamadas e combinação modular". Este artigo foca na abordagem de escalabilidade com computação paralela como a principal.

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 buscas de desempenho, modelos de desenvolvimento e filosofias arquitetônicas, com granularidade de paralelismo cada vez mais fina, intensidade de paralelismo cada vez maior, complexidade de agendamento também aumentando, e a complexidade de programação e dificuldade de implementação 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 os projetos Monad, Aptos
• Nível de chamada / Micro VM 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 Agente/Ator), que pertence a outro paradigma de computação paralela. Como sistema de mensagens assíncronas / intercadeia (modelo de sincronização não em bloco), cada Agente atua como um "processo inteligente" que opera de forma independente, utilizando mensagens assíncronas em modo paralelo, acionado por eventos, sem necessidade de agendamento de sincronização. Projetos representativos incluem AO, ICP, Cartesi, entre outros.

Os conhecidos Rollup ou soluções de escalabilidade em sharding pertencem a mecanismos de concorrência em nível de sistema e não se enquadram em 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 principal deste artigo, mas ainda assim as utilizaremos para comparar semelhanças e diferenças nos conceitos de arquitetura.

2. Cadeia de Aumento Paralelo EVM: Rompendo 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 arquiteturas modularizadas, mas o gargalo de throughput na camada de execução ainda não foi fundamentalmente superado. Ao mesmo tempo, EVM e Solidity continuam sendo as plataformas de contratos inteligentes com a maior base de desenvolvedores e potencial ecológico atualmente. Assim, as cadeias de增强 EVM, que equilibram a compatibilidade ecológica e a melhoria do desempenho de execução, estão se tornando uma direção importante para a próxima rodada de evolução da escalabilidade. Monad e MegaETH são os projetos mais representativos nessa direção, construindo uma arquitetura de processamento paralelo EVM voltada para cenários de alta concorrência e alto throughput, a partir da execução em atraso e da decomposição de estado, respectivamente.

Análise do mecanismo de computação paralela do Monad

Monad é uma blockchain Layer1 de alto desempenho redesenhada para a Ethereum Virtual Machine (EVM), baseada na ideia 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 protocolos BFT de alto desempenho (MonadBFT) e um sistema de banco de dados dedicado (MonadDB), implementando otimização de ponta a ponta.

Pipelining: Mecanismo de execução em paralelo de múltiplas etapas de pipeline

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 um aumento na capacidade de processamento e uma redução na latência. Essas fases incluem: Proposta de transação (Propose), Alcançar consenso (Consensus), Execução de transação (Execution) e Comprometimento 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 severamente a escalabilidade de desempenho. O Monad realiza a assíncrona na camada de consenso, assíncrona na camada de execução e assíncrona no armazenamento 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 maior taxa de utilização de recursos.

Design Central:

• O processo de consenso (camada de consenso) é responsável apenas pela ordenação das transações, não executando 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, o processo de consenso do próximo bloco inicia-se imediatamente, 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 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, realizando a paralelização através do adiamento da escrita de estados e detecção dinâmica de conflitos, assemelhando-se mais a uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade e facilidade de realização da migração do ecossistema EVM, sendo o acelerador paralelo do 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 modular compatível com EVM, podendo funcionar tanto como uma blockchain pública L1 independente quanto como uma camada de execução aprimorada (Execution Layer) ou componente modular na Ethereum. O principal objetivo 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 concorrência de execução na cadeia e baixa latência de resposta. A inovação chave proposta pelo MegaETH é: Micro-VM arquitetura + 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 na cadeia".

Micro-VM (Máquina Virtual Micro) arquitetura: conta é thread

O MegaETH introduziu o modelo de execução "uma Micro-VM por conta", tornando o ambiente de execução "multithreaded", oferecendo a menor unidade de isolamento para agendamento paralelo. Essas VMs comunicam-se através de mensagens assíncronas, em vez de chamadas síncronas, permitindo que muitas VMs executem de forma independente e armazenem de forma independente, sendo naturalmente paralelas.

Dependência de Estado DAG: Mecanismo de Agendamento Baseado em Gráfico de Dependências

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 conflitos podem ser executadas em paralelo, enquanto transações com relações de dependência serão agendadas em série ou adiadas de acordo com a ordem topológica. O gráfico de dependência garante a consistência do estado e a não duplicação de gravações durante o processo de execução paralela.

Execução assíncrona e mecanismo de callback

B

Em suma, o MegaETH quebra o modelo tradicional de máquina de estado em thread única EVM, implementando encapsulamento de micro-máquina virtual por unidade de conta, agendando transações através de gráficos de dependência de estado e substituindo a pilha de chamadas síncronas por um mecanismo de mensagens assíncronas. É uma plataforma de computação paralela reprojectada em toda a dimensão "estrutura da conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", oferecendo uma nova abordagem de paradigma para a construção de sistemas de alta performance na cadeia da próxima geração.

MegaETH escolheu um caminho de reestruturação: abstrair completamente contas e contratos para uma VM independente, liberando o potencial de paralelismo extremo através do agendamento de execução assíncrona. Teoricamente, o limite de paralelismo do MegaETH é mais alto, 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 à fragmentação (Sharding): a fragmentação divide a blockchain horizontalmente em múltiplas sub-cadeias independentes (fragmentos Shards), com cada sub-cadeia responsável por parte das transações e estados, quebrando as limitações de uma única cadeia na expansão em nível de rede; enquanto Monad e MegaETH mantêm a integridade da cadeia única, expandindo horizontalmente apenas na camada de execução, otimizando a execução paralela interna da cadeia única para superar o desempenho. Ambos representam duas direções diferentes na trajetória de expansão da blockchain: o fortalecimento vertical e a expansão horizontal.

Os projetos de computação paralela, como Monad e MegaETH, concentram-se principalmente em otimizar o throughput, com o objetivo principal de aumentar o TPS dentro da cadeia, realizando processamento paralelo a nível de transação ou conta através da execução diferida (Deferred Execution) e da arquitetura de micromáquinas virtuais (Micro-VM). O Pharos Network, como uma rede de blockchain L1 modular e full-stack paralela, tem como mecanismo central de computação paralela o "Rollup Mesh". Esta arquitetura suporta um ambiente de múltiplas máquinas virtuais (EVM e Wasm) através da colaboração entre a mainnet e redes de processamento especializadas (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 etapas da transação (como consenso, execução, armazenamento) e adota uma abordagem de processamento assíncrono, permitindo que cada etapa 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 conforme 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 Especiais (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 Reestacagem (Modular Consensus & Restaking): Pharos introduziu um mecanismo de consenso flexível, suportando múltiplos modelos de consenso (como PBFT, PoS, PoA