Mapa panorâmico da pista de computação paralela Web3: a melhor solução para escalabilidade nativa?
O "Trilema da Blockchain" revela os compromissos essenciais no design de sistemas blockchain, onde é difícil para os projetos blockchain alcançarem "máxima segurança, participação universal e processamento rápido" ao mesmo tempo. Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", as soluções de escalabilidade de blockchain dominantes no mercado atualmente são classificadas segundo paradigmas, incluindo:
Executar escalonamento aprimorado: aumentar localmente a capacidade de execução, por exemplo, paralelismo, GPU, múltiplos núcleos.
Escalabilidade por isolamento de estado: divisão horizontal de estado / Shard, como sharding, UTXO, múltiplas sub-redes
Escalabilidade do tipo off-chain: colocar a execução fora da cadeia, por exemplo, Rollup, Coprocessor, DA
Expansão de desacoplamento estrutural: modularidade da arquitetura, operação colaborativa, como cadeias modulares, ordenadores compartilhados, Rollup Mesh
Expansão assíncrona e concorrente: Modelo Actor, isolamento de processos, orientado a mensagens, como agentes, cadeia assíncrona multi-thread.
As soluções de escalabilidade da blockchain incluem: computação paralela dentro da 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, constituindo um sistema completo de escalabilidade "multinível colaborativo e combinação modular". Este artigo se concentra na forma de escalabilidade que tem a computação paralela como principal.
Computação paralela intra-chain (intra-chain parallelism), focando na execução paralela de transações / instruções dentro do bloco. Com base no 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 uma granularidade paralela cada vez mais fina, intensidade paralela crescente, complexidade de agendamento também crescente, e complexidade de programação e dificuldade de implementação cada vez maiores.
Paralelismo a nível de conta: representa o projeto Solana
Paralelismo a nível de objeto (Object-level): representa o projeto Sui
Nível de transação (Transaction-level): representa o projeto 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 Agent / Actor), pertencendo a outro paradigma de computação paralela. Como um sistema de mensagens assíncronas / intercadeias (modelo não sincronizado em blocos), cada Agente funciona como um "processo inteligente" independente, utilizando mensagens assíncronas de forma paralela e acionado por eventos, sem necessidade de agendamento sincronizado. 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 a computação paralela dentro da cadeia. Elas realizam a escalabilidade através da "execução paralela de múltiplas cadeias / domínios de execução", em vez de aumentar a paralelidade dentro de um único bloco / máquina virtual. Este tipo de solução de escalabilidade não é o foco desta discussão, mas ainda assim iremos utilizá-las para comparar as semelhanças e diferenças nos conceitos de arquitetura.
Dois, 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, 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, as cadeias paralelas do sistema EVM, que equilibram compatibilidade ecológica e aumento de desempenho de execução, estão se tornando uma direção importante na evolução da nova rodada de escalabilidade. Monad e MegaETH são os projetos mais representativos nessa direção, cada um construindo uma arquitetura de processamento paralelo EVM voltada para cenários de alta concorrência e alto throughput, a partir da execução atrasada e da decomposição de estado.
Análise do mecanismo de computação paralela do Monad
Monad é uma blockchain de alto desempenho Layer1 projetada 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 execução paralela otimista (Optimistic Parallel Execution) na camada de execução. Além disso, nas camadas de consenso e armazenamento, o Monad introduz protocolos BFT de alto desempenho (MonadBFT) e sistemas de banco de dados dedicados (MonadDB), realizando otimização de ponta a ponta.
Pipelining: mecanismo de execução paralela em várias 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 é executada em threads ou núcleos independentes, permitindo o processamento concorrente entre blocos, alcançando assim um aumento na taxa de transferência e uma redução na latência. Essas fases incluem: Proposta de transação (Propose), Acordo de consenso (Consensus), Execução de transação (Execution) e Compromisso de bloco (Commit).
Na cadeia tradicional, o consenso e a execução das transações geralmente são processos síncronos, e esse modelo sequencial limita severamente a escalabilidade de desempenho. O Monad implementou a camada de consenso assíncrona, a camada de 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, 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 acionado de forma assíncrona após a conclusão do consenso.
Após a conclusão do consenso, entre imediatamente no processo de consenso do próximo bloco, sem precisar esperar pela conclusão da execução.
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 das transações.
Mecanismo de execução:
Monad irá executar todas as transações em paralelo de forma otimista, assumindo que a maioria das transações não apresenta 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: alterando o mínimo possível as regras do EVM, realizando a execução por meio do atraso na gravação de estado e da detecção dinâmica de conflitos para permitir a paralelização, sendo mais parecido com uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade e fácil migração do ecossistema EVM, atuando como um acelerador de paralelização 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 e compatível com EVM, podendo atuar tanto como uma blockchain pública L1 independente quanto como uma camada de execução ou componente modular no Ethereum. O objetivo central de seu design é isolar e desconstruir a lógica da conta, o ambiente de execução e o estado em unidades mínimas que podem ser agendadas de forma independente, para alcançar alta concorrência de execução e capacidade de resposta de baixa latência dentro da cadeia. A inovação chave proposta pelo MegaETH é a arquitetura Micro-VM + DAG de Dependência de Estado (Directed Acyclic Graph) e o mecanismo de sincronização modular, que juntos constroem um sistema de execução paralela voltado para a "threading dentro da cadeia".
Micro-VM (máquina virtual leve) arquitetura: a conta é a thread
O MegaETH introduziu o modelo de execução "uma Micro-VM por conta", tornando o ambiente de execução "multithreaded" e proporcionando a menor unidade de isolamento para o agendamento paralelo. Essas VMs comunicam-se entre si através de mensagens assíncronas, em vez de chamadas síncronas, permitindo que muitas VMs executem de forma independente e tenham armazenamento independente, proporcionando paralelismo natural.
State Dependency 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 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 de estado e a não duplicação de escrita durante o processo de execução paralela.
Execução assíncrona e mecanismo de callback
B
Em suma, o MegaETH rompe com o modelo tradicional de máquina de estado de thread único EVM, implementando o encapsulamento de micro máquinas virtuais por unidade de conta, agendando transações através 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 redesenhada em todas as dimensões, desde "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", oferecendo novas ideias paradigmáticas para a construção do próximo sistema de alta performance em blockchain.
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 maior, mas também mais difícil de controlar em termos de complexidade, parecendo mais 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, rompendo as limitações de uma única cadeia 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 extrema 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 na otimização do throughput, com o objetivo central de aumentar o TPS na cadeia, realizando processamento paralelo a nível de transação ou de conta através da execução diferida (Deferred Execution) e da arquitetura de micromáquina virtual (Micro-VM). A Pharos Network, como uma rede blockchain L1 modular e de pilha completa, tem seu mecanismo central de computação paralela chamado de "Rollup Mesh". Esta arquitetura suporta múltiplos ambientes de máquina virtual (EVM e Wasm) por meio da colaboração entre a rede principal e redes de processamento especializadas (SPNs), integrando tecnologias avançadas como provas de conhecimento zero (ZK) e ambientes de execução confiáveis (TEE).
Análise do mecanismo de computação paralela Rollup Mesh:
Processamento de Pipeline Assíncrono de Ciclo de Vida Completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): A Pharos desacopla as várias fases da transação (como consenso, execução, 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.
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 dupla VM não só aumenta a flexibilidade do sistema, mas também melhora a capacidade de processamento de transações através da execução paralela.
Redes de Processamento Especiais (SPNs): Os SPNs são componentes chave da arquitetura Pharos, semelhantes a sub-redes modularizadas, dedicados ao tratamento de tipos específicos de tarefas ou aplicações. Através do SPN
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Panorama da pista de computação paralela Web3: da compatibilidade EVM à inovação de escalabilidade Rollup Mesh
Mapa panorâmico da pista de computação paralela Web3: a melhor solução para escalabilidade nativa?
O "Trilema da Blockchain" revela os compromissos essenciais no design de sistemas blockchain, onde é difícil para os projetos blockchain alcançarem "máxima segurança, participação universal e processamento rápido" ao mesmo tempo. Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", as soluções de escalabilidade de blockchain dominantes no mercado atualmente são classificadas segundo paradigmas, incluindo:
As soluções de escalabilidade da blockchain incluem: computação paralela dentro da 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, constituindo um sistema completo de escalabilidade "multinível colaborativo e combinação modular". Este artigo se concentra na forma de escalabilidade que tem a computação paralela como principal.
Computação paralela intra-chain (intra-chain parallelism), focando na execução paralela de transações / instruções dentro do bloco. Com base no 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 uma granularidade paralela cada vez mais fina, intensidade paralela crescente, complexidade de agendamento também crescente, e complexidade de programação e dificuldade de implementação cada vez maiores.
Modelo de concorrência assíncrona fora da cadeia, representado pelo sistema de agentes (Modelo Agent / Actor), pertencendo a outro paradigma de computação paralela. Como um sistema de mensagens assíncronas / intercadeias (modelo não sincronizado em blocos), cada Agente funciona como um "processo inteligente" independente, utilizando mensagens assíncronas de forma paralela e acionado por eventos, sem necessidade de agendamento sincronizado. 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 a computação paralela dentro da cadeia. Elas realizam a escalabilidade através da "execução paralela de múltiplas cadeias / domínios de execução", em vez de aumentar a paralelidade dentro de um único bloco / máquina virtual. Este tipo de solução de escalabilidade não é o foco desta discussão, mas ainda assim iremos utilizá-las para comparar as semelhanças e diferenças nos conceitos de arquitetura.
Dois, 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, 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, as cadeias paralelas do sistema EVM, que equilibram compatibilidade ecológica e aumento de desempenho de execução, estão se tornando uma direção importante na evolução da nova rodada de escalabilidade. Monad e MegaETH são os projetos mais representativos nessa direção, cada um construindo uma arquitetura de processamento paralelo EVM voltada para cenários de alta concorrência e alto throughput, a partir da execução atrasada e da decomposição de estado.
Análise do mecanismo de computação paralela do Monad
Monad é uma blockchain de alto desempenho Layer1 projetada 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 execução paralela otimista (Optimistic Parallel Execution) na camada de execução. Além disso, nas camadas de consenso e armazenamento, o Monad introduz protocolos BFT de alto desempenho (MonadBFT) e sistemas de banco de dados dedicados (MonadDB), realizando otimização de ponta a ponta.
Pipelining: mecanismo de execução paralela em várias 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 é executada em threads ou núcleos independentes, permitindo o processamento concorrente entre blocos, alcançando assim um aumento na taxa de transferência e uma redução na 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 sequencial limita severamente a escalabilidade de desempenho. O Monad implementou a camada de consenso assíncrona, a camada de 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, os processos mais segmentados e a utilização de recursos mais eficiente.
Design central:
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 das transações.
Mecanismo de execução:
Monad escolheu um caminho compatível: alterando o mínimo possível as regras do EVM, realizando a execução por meio do atraso na gravação de estado e da detecção dinâmica de conflitos para permitir a paralelização, sendo mais parecido com uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade e fácil migração do ecossistema EVM, atuando como um acelerador de paralelização 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 e compatível com EVM, podendo atuar tanto como uma blockchain pública L1 independente quanto como uma camada de execução ou componente modular no Ethereum. O objetivo central de seu design é isolar e desconstruir a lógica da conta, o ambiente de execução e o estado em unidades mínimas que podem ser agendadas de forma independente, para alcançar alta concorrência de execução e capacidade de resposta de baixa latência dentro da cadeia. A inovação chave proposta pelo MegaETH é a arquitetura Micro-VM + DAG de Dependência de Estado (Directed Acyclic Graph) e o mecanismo de sincronização modular, que juntos constroem um sistema de execução paralela voltado para a "threading dentro da cadeia".
Micro-VM (máquina virtual leve) arquitetura: a conta é a thread
O MegaETH introduziu o modelo de execução "uma Micro-VM por conta", tornando o ambiente de execução "multithreaded" e proporcionando a menor unidade de isolamento para o agendamento paralelo. Essas VMs comunicam-se entre si através de mensagens assíncronas, em vez de chamadas síncronas, permitindo que muitas VMs executem de forma independente e tenham armazenamento independente, proporcionando paralelismo natural.
State Dependency 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 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 de estado e a não duplicação de escrita durante o processo de execução paralela.
Execução assíncrona e mecanismo de callback
B
Em suma, o MegaETH rompe com o modelo tradicional de máquina de estado de thread único EVM, implementando o encapsulamento de micro máquinas virtuais por unidade de conta, agendando transações através 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 redesenhada em todas as dimensões, desde "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", oferecendo novas ideias paradigmáticas para a construção do próximo sistema de alta performance em blockchain.
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 maior, mas também mais difícil de controlar em termos de complexidade, parecendo mais 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, rompendo as limitações de uma única cadeia 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 extrema 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 na otimização do throughput, com o objetivo central de aumentar o TPS na cadeia, realizando processamento paralelo a nível de transação ou de conta através da execução diferida (Deferred Execution) e da arquitetura de micromáquina virtual (Micro-VM). A Pharos Network, como uma rede blockchain L1 modular e de pilha completa, tem seu mecanismo central de computação paralela chamado de "Rollup Mesh". Esta arquitetura suporta múltiplos ambientes de máquina virtual (EVM e Wasm) por meio da colaboração entre a rede principal e redes de processamento especializadas (SPNs), integrando tecnologias avançadas como provas de conhecimento zero (ZK) e ambientes de execução confiáveis (TEE).
Análise do mecanismo de computação paralela Rollup Mesh: