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

I. Visão geral da corrida de escalabilidade da blockchain

O "triângulo impossível" da blockchain (Blockchain Trilemma) - "segurança", "descentralização" e "escalabilidade" - revela a essência do trade-off no design de 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", as principais soluções de escalabilidade de blockchain no mercado atualmente são distinguidas por paradigmas, incluindo:

• Executar a ampliação aprimorada: aumentar a capacidade de execução no local, por exemplo, paralelismo, GPU, múltiplos núcleos
• Isolamento de estado para escalabilidade: divisão horizontal de estado / Shard, como sharding, UTXO, múltiplas sub-redes
• Escalabilidade off-chain: executar fora da cadeia, como Rollup, Coprocessor, DA
• Escalabilidade com desacoplamento estrutural: modularidade da arquitetura, operação colaborativa, como cadeias modulares, ordenadores compartilhados, Rollup Mesh
• Escalabilidade assíncrona e concorrente: Modelo Actor, isolamento de processos, baseado em mensagens, como agentes, cadeia assíncrona multithread.

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 "multinível e modular". Este artigo foca principalmente nas formas de escalabilidade com computação paralela como a principal.

Cálculo paralelo 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 grão de paralelismo cada vez mais fino, a intensidade do paralelismo aumentando, a complexidade de agendamento aumentando 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 os projetos Monad, Aptos
• Nível de chamada / Micro VM 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 Agente / Actor), que pertence a outro paradigma de computação paralela. Como um sistema de mensagens assíncronas / cross-chain (modelo não sincronizado em bloco), cada Agente atua como um "processo inteligente independente" que comunica de forma assíncrona em paralelo, baseado em mensagens e eventos, sem necessidade de agendamento de sincronização. 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 conseguem escalabilidade através da "execução paralela de múltiplas 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 a comparação de semelhanças nas ideias de arquitetura.

Dois, EVM Chain Paralelo Aumentado: Quebrando Limites de Desempenho na Compatibilidade

A arquitetura de processamento em série do Ethereum evoluiu até agora, 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 superação 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 paralelas do sistema EVM, como um caminho chave que equilibra a compatibilidade ecológica e a melhoria do desempenho de execução, estão se tornando uma direção importante para a evolução da escalabilidade na nova rodada. 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 de atraso e decomposição de estado, respectivamente.

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, nas camadas de consenso e armazenamento, Monad introduz, respetivamente, um protocolo BFT de alto desempenho (MonadBFT) e um sistema de banco de dados dedicado (MonadDB), implementando otimização de ponta a ponta.

Pipelining: Mecanismo de execução paralela em múltiplas fases

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. Cada fase opera em threads ou núcleos independentes, permitindo o processamento concorrente entre blocos, com o objetivo final de aumentar a capacidade de processamento e reduzir 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 - Execução Assíncrona Desacoplada

Em cadeias tradicionais, o consenso e a execução das transações geralmente são processos síncronos, e esse modelo serial limita severamente a escalabilidade de desempenho. O Monad implementou "execução assíncrona" para tornar a camada de consenso assíncrona, a camada de execução assíncrona e o armazenamento assíncrono. Isso reduz significativamente o tempo de bloco (block time) 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 do contrato.
• O processo de execução (camada de execução) é desencadeado 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. Em contraste, o Monad adota a 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 possui 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: movendo-se o mínimo possível nas regras do EVM, implementando paralelismo através do atraso na escrita de estado e detecção dinâmica de conflitos durante a execução, mais parecido com uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade e fácil migração do ecossistema EVM, sendo um acelerador de paralelismo no mundo EVM.

Análise do mecanismo de cálculo paralelo do MegaETH

Diferente do posicionamento L1 do Monad, o MegaETH é posicionado como uma camada de execução modular de alto desempenho compatível com EVM, podendo funcionar como uma blockchain pública L1 independente ou como uma camada de aprimoramento de execução (Execution Layer) ou componente modular sobre o Ethereum. Seu objetivo de design central é desconstruir a lógica de contas, o ambiente de execução e o estado em unidades mínimas que podem ser agendadas de forma independente, para alcançar alta concorrência de execução dentro da cadeia e capacidade de resposta de baixa latência. A inovação chave proposta pelo MegaETH reside na arquitetura Micro-VM + DAG de Dependência de Estado (grafo acíclico dirigido 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 a thread

O MegaETH introduz o modelo de execução "uma Micro-VM por conta", que "threadiza" o ambiente de execução, fornecendo 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 sejam executadas de forma independente e armazenem dados de forma independente, sendo naturalmente paralelas.

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 foram modificadas e quais contas foram lidas, tudo como relações de dependência. Transações sem conflitos podem ser executadas em paralelo, enquanto transações com dependências serão agendadas em sequência ou adiadas de acordo com a ordem topológica. O gráfico de dependência garante a consistência de 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 de thread única EVM, implementando encapsulamento de micro-vm por conta, através de um gráfico de dependência de estado para agendamento de transações, e substitui a pilha de chamadas síncronas por um mecanismo de mensagens assíncronas. É uma plataforma de computação paralela redesenhada em todas as dimensões de "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", oferecendo novas ideias paradigmáticas para a construção do próximo sistema de alta performance em cadeia.

MegaETH escolheu um caminho de reestruturação: abstraindo completamente contas e contratos em uma VM independente, liberando o potencial máximo de paralelismo através da programação de execução assíncrona. Em teoria, 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 do sharding: o sharding divide a blockchain em várias sub-chains independentes (shards), cada uma responsável por parte das transações e estados, quebrando as limitações da cadeia única na camada de rede; enquanto Monad e MegaETH mantêm a integridade da cadeia única, expandindo horizontalmente apenas na camada de execução, otimizando a execução paralela dentro da cadeia única para superar o desempenho. Ambos representam as direções de fortalecimento vertical e expansão horizontal no caminho de escalabilidade da blockchain.

Os projetos de computação paralela, como Monad e MegaETH, concentram-se principalmente em otimizar o throughput, com o objetivo central de aumentar o TPS na cadeia, realizando processamento paralelo em nível de transação ou conta por meio de execução diferida (Deferred Execution) e arquitetura de micro-vm (Micro-VM). O Pharos Network, como uma rede blockchain L1 modular e full-stack, tem seu mecanismo de computação paralela central chamado "Rollup Mesh". Esta arquitetura suporta um ambiente de múltiplas máquinas virtuais (EVM e Wasm) através da cooperação entre a rede principal e redes de processamento especial (SPNs), e integra tecnologias avançadas como prova de conhecimento zero (ZK) e ambiente de execução confiável (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 adota uma abordagem 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 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 melhora a flexibilidade do sistema, mas também aumenta a capacidade de processamento de transações através da execução paralela.
3. Redes de Processamento Especial (SPNs): Os SPNs são componentes chave na arquitetura Pharos, semelhantes a sub-redes modularizadas, projetadas especificamente para lidar com tipos específicos de tarefas ou aplicações. Através dos SPNs, o Pharos pode alcançar 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, que suporta vários modelos de consenso (como PBFT, PoS