Mapa panorâmico da pista de computação paralela Web3: a melhor solução para escalabilidade nativa?
I. Contexto: O triângulo impossível da blockchain e caminhos de escalabilidade
O "triângulo impossível" da blockchain ( "segurança", "descentralização", "escalabilidade" ) revela os compromissos essenciais no design de sistemas de blockchain, ou seja, é difícil para projetos de blockchain alcançarem simultaneamente "segurança extrema, participação universal, processamento rápido". Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", atualmente as principais soluções de escalonamento de blockchain no mercado são classificadas por paradigmas, incluindo:
Executar expansão aprimorada: aumentar a capacidade de execução no local, como paralelismo, GPU e múltiplos núcleos.
Escalabilidade por isolamento de estado: divisão horizontal de estado/Shard, como fragmentação, UTXO, múltiplas sub-redes
Escalabilidade externa do tipo outsourcing: colocar a execução fora da cadeia, por exemplo, Rollup, Coprocessor, DA
Expansão com desacoplamento estrutural: modularidade da arquitetura, operação colaborativa, por exemplo, cadeia de módulos, ordenadores compartilhados, Rollup Mesh
Escalabilidade assíncrona e concorrente: Modelo Actor, isolamento de processos, impulsionado por mensagens, como agentes, encadeamento assíncrono multithread
As soluções de escalabilidade da blockchain incluem: computação paralela dentro da cadeia, Rollup, sharding, módulos DA, estrutura modular, sistema Actor, compressão de prova 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 principalmente na abordagem de escalabilidade baseada em computação paralela.
Paralelismo intra-chain (, 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 de arquitetura, com a granularidade de paralelismo cada vez mais fina, intensidade de paralelismo cada vez mais alta, complexidade de agendamento também aumentando, e a complexidade de programação e dificuldade de implementação também aumentando.
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
Chamadas de nível / MicroVM paralelas )Call-level / 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 (Agente / Modelo de Ator), pertencendo a outro paradigma de computação paralela, como sistema de mensagens entre cadeias / assíncrono (modelo de sincronização não em bloco), cada Agente funciona como um "processo inteligente" independente, de forma assíncrona, mensagens em 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 por sharding pertencem a mecanismos de concorrência a nível de sistema, 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 desta discussão, mas ainda assim a utilizaremos para comparar as semelhanças e diferenças nas filosofias de arquitetura.
2. EVM Parallel Enhanced Chain: 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 da camada de execução ainda não teve uma ruptura fundamental. No entanto, ao mesmo tempo, EVM e Solidity continuam sendo as plataformas de contratos inteligentes com a maior base de desenvolvedores e potencial ecológico atualmente. Portanto, as cadeias paralelas melhoradas do EVM, como um caminho chave que equilibra a compatibilidade ecológica e o aumento do 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, construindo uma arquitetura de processamento paralelo do EVM voltada para cenários de alta concorrência e alto throughput, a partir da execução com 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 Ethereum Virtual Machine )EVM###, baseada no conceito fundamental de processamento em pipeline (Pipelining). Ela executa assincronamente na camada de consenso (Asynchronous Execution) e realiza 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 dedicado (MonadDB), implementando otimização de ponta a ponta.
Pipelining: Mecanismo de execução paralela em múltiplos estágios
Pipelining é o conceito básico da execução paralela de Monads, cuja ideia central é dividir o fluxo de execução da blockchain em várias etapas independentes e processar essas etapas em paralelo, formando uma arquitetura de pipeline tridimensional, onde cada etapa opera em threads ou núcleos independentes, permitindo o processamento concorrente entre blocos, alcançando assim um aumento da taxa de transferência e uma redução da latência. Essas etapas incluem: Proposta de transação ( Propose ) Acordo de consenso ( Consensus ) Execução de transação ( Execution ) e Submissão de bloco ( Commit ).
Execução Assíncrona: Desacoplamento Assíncrono de Consenso e Execução
Em uma 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 implementa 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 (block time) 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 ( a camada de consenso ) é responsável apenas pela ordenação das transações, não executa a lógica dos contratos.
Execução do processo ( camada de execução ) é acionada 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 conclusão da execução.
O Ethereum tradicional utiliza um modelo de execução de transações 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.
Execute ao mesmo tempo 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: movendo-se o menos possível nas regras do EVM, implementando paralelismo durante a execução por meio do adiamento da escrita de estado e da detecção dinâmica de conflitos, mais parecido com uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade que facilita a migração para o ecossistema EVM, sendo um acelerador paralelo no mundo EVM.
( Análise do mecanismo de computação em paralelo do MegaETH
Diferente da posição L1 do Monad, o MegaETH é posicionado como uma camada de execução paralela de alto desempenho compatível com EVM, podendo atuar tanto como uma blockchain pública L1 independente, quanto como uma camada de aprimoramento de execução no Ethereum )Execution Layer### ou como um componente modular. O objetivo central de seu design é desmembrar a lógica de contas, o ambiente de execução e o estado em unidades mínimas que possam ser agendadas de forma independente, para alcançar uma execução de alta concorrência e uma baixa latência de resposta na cadeia. A inovação chave proposta pelo MegaETH reside na: arquitetura Micro-VM + DAG de Dependência de Estado (gráfico acíclico dirigido de dependência de estado) e mecanismo de sincronização modular, que juntos constroem um sistema de execução paralela voltado para "threading interno da cadeia".
Micro-VM( micro máquina virtual) arquitetura: conta é um thread
O MegaETH introduz o modelo de execução "uma micro máquina virtual para cada conta (Micro-VM)", que "tenciona" o ambiente de execução, fornecendo a menor unidade de isolamento para agendamento paralelo. Essas VMs se comunicam através de mensagens assíncronas (Asynchronous Messaging), em vez de chamadas síncronas, permitindo que muitas VMs sejam executadas de forma independente e armazenadas de forma independente, naturalmente em paralelo.
Dependência de Estado DAG: Mecanismo de Agendamento Baseado em Gráficos 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 modifica quais contas, lê quais contas, tudo modelado como relações de dependência. Transações sem conflitos podem ser executadas em paralelo diretamente, enquanto transações com relações de dependência serão agendadas em ordem topológica de forma serial ou postergada. O gráfico de dependência garante a consistência do estado e a não escrita duplicada 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 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 reprojectada em todas as dimensões de "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", oferecendo uma nova abordagem paradigmática para a construção do próximo sistema on-chain de alto desempenho.
MegaETH escolheu um caminho de reestruturação: abstrair completamente contas e contratos em uma VM independente, 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, mais parecido com um sistema operacional super distribuído sob a filosofia do Ethereum.
A filosofia de design de Monad e MegaETH é bastante diferente da fragmentação (Sharding): a fragmentação divide a blockchain horizontalmente em várias sub-chains independentes (fragmentos Shards), cada sub-chain é responsável por parte das transações e estados, quebrando as limitações de uma única cadeia na expansão da camada de rede; enquanto Monad e MegaETH mantêm a integridade da única cadeia, apenas expandindo horizontalmente na camada de execução, otimizando a execução paralela extrema dentro da única cadeia para superar o desempenho. Ambos representam os dois direcionamentos de fortalecimento vertical e expansão horizontal no caminho de expansão 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 através da execução atrasada (Deferred Execution) e da arquitetura de micromáquina virtual (Micro-VM). O Pharos Network, como uma rede de blockchain L1 modular e full-stack, possui um mecanismo central de computação paralela chamado "Rollup Mesh". Esta arquitetura suporta um ambiente de múltiplas máquinas virtuais (EVM e Wasm) através da colaboração entre a rede principal e uma rede de processamento especial (SPNs), integrando tecnologias avançadas como provas de zero conhecimento (ZK) e ambientes de execução confiável (TEE).
Análise do mecanismo de computação paralela Rollup Mesh:
Processamento Assíncrono de Pipeline de Ciclo de Vida Completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): O Pharos desacopla as várias fases de uma transação(, como consenso, execução e armazenamento), e adota um método de processamento assíncrono, permitindo que cada fase seja realizada de forma independente e paralela, 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 de acordo com 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.
Tratamento especial da rede )SPNs(: 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, aumentando ainda mais a escalabilidade e o desempenho do sistema.
Consenso Modular e Mecanismo de Re-staking)Modular Consensus & Restaking(: Pharos introduz um mecanismo de consenso flexível, suportando vários modelos de consenso) como PBFT, PoS, PoA(, e realiza a partilha segura e a integração de recursos entre a mainnet e os SPNs através do protocolo de re-staking)Restaking(.
Além disso, o Pharos reconstrói o modelo de execução a partir da camada de armazenamento usando tecnologias como árvores de Merkle de múltiplas versões, codificação delta )Delta Encoding(, endereçamento versionado )Versioned Addressing( e ADS Pushdown )ADS Pushdown(, lançando o mecanismo de armazenamento de alto desempenho nativo de blockchain, Pharos Store, que alcança alta capacidade de processamento, baixa latência e forte verificabilidade on-chain.
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Web3 Computação Paralela em Perspectiva: Cinco Modelos Liderando a Nova Paradigma de Escalabilidade do Blockchain
Mapa panorâmico da pista de computação paralela Web3: a melhor solução para escalabilidade nativa?
I. Contexto: O triângulo impossível da blockchain e caminhos de escalabilidade
O "triângulo impossível" da blockchain ( "segurança", "descentralização", "escalabilidade" ) revela os compromissos essenciais no design de sistemas de blockchain, ou seja, é difícil para projetos de blockchain alcançarem simultaneamente "segurança extrema, participação universal, processamento rápido". Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", atualmente as principais soluções de escalonamento de blockchain no mercado são classificadas por paradigmas, incluindo:
As soluções de escalabilidade da blockchain incluem: computação paralela dentro da cadeia, Rollup, sharding, módulos DA, estrutura modular, sistema Actor, compressão de prova 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 principalmente na abordagem de escalabilidade baseada em computação paralela.
Paralelismo intra-chain (, 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 de arquitetura, com a granularidade de paralelismo cada vez mais fina, intensidade de paralelismo cada vez mais alta, complexidade de agendamento também aumentando, e a complexidade de programação e dificuldade de implementação também aumentando.
Modelo de concorrência assíncrona fora da cadeia, representado pelo sistema de agentes (Agente / Modelo de Ator), pertencendo a outro paradigma de computação paralela, como sistema de mensagens entre cadeias / assíncrono (modelo de sincronização não em bloco), cada Agente funciona como um "processo inteligente" independente, de forma assíncrona, mensagens em 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 por sharding pertencem a mecanismos de concorrência a nível de sistema, 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 desta discussão, mas ainda assim a utilizaremos para comparar as semelhanças e diferenças nas filosofias de arquitetura.
2. EVM Parallel Enhanced Chain: 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 da camada de execução ainda não teve uma ruptura fundamental. No entanto, ao mesmo tempo, EVM e Solidity continuam sendo as plataformas de contratos inteligentes com a maior base de desenvolvedores e potencial ecológico atualmente. Portanto, as cadeias paralelas melhoradas do EVM, como um caminho chave que equilibra a compatibilidade ecológica e o aumento do 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, construindo uma arquitetura de processamento paralelo do EVM voltada para cenários de alta concorrência e alto throughput, a partir da execução com 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 Ethereum Virtual Machine )EVM###, baseada no conceito fundamental de processamento em pipeline (Pipelining). Ela executa assincronamente na camada de consenso (Asynchronous Execution) e realiza 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 dedicado (MonadDB), implementando otimização de ponta a ponta.
Pipelining: Mecanismo de execução paralela em múltiplos estágios
Pipelining é o conceito básico da execução paralela de Monads, cuja ideia central é dividir o fluxo de execução da blockchain em várias etapas independentes e processar essas etapas em paralelo, formando uma arquitetura de pipeline tridimensional, onde cada etapa opera em threads ou núcleos independentes, permitindo o processamento concorrente entre blocos, alcançando assim um aumento da taxa de transferência e uma redução da latência. Essas etapas incluem: Proposta de transação ( Propose ) Acordo de consenso ( Consensus ) Execução de transação ( Execution ) e Submissão de bloco ( Commit ).
Execução Assíncrona: Desacoplamento Assíncrono de Consenso e Execução
Em uma 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 implementa 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 (block time) e a latência de confirmação, tornando o sistema mais resiliente, com processos mais segmentados e maior taxa de utilização de recursos.
Design central:
Execução Paralela Otimista: Execução Paralela Otimista
O Ethereum tradicional utiliza um modelo de execução de transações 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 escolheu um caminho compatível: movendo-se o menos possível nas regras do EVM, implementando paralelismo durante a execução por meio do adiamento da escrita de estado e da detecção dinâmica de conflitos, mais parecido com uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade que facilita a migração para o ecossistema EVM, sendo um acelerador paralelo no mundo EVM.
( Análise do mecanismo de computação em paralelo do MegaETH
Diferente da posição L1 do Monad, o MegaETH é posicionado como uma camada de execução paralela de alto desempenho compatível com EVM, podendo atuar tanto como uma blockchain pública L1 independente, quanto como uma camada de aprimoramento de execução no Ethereum )Execution Layer### ou como um componente modular. O objetivo central de seu design é desmembrar a lógica de contas, o ambiente de execução e o estado em unidades mínimas que possam ser agendadas de forma independente, para alcançar uma execução de alta concorrência e uma baixa latência de resposta na cadeia. A inovação chave proposta pelo MegaETH reside na: arquitetura Micro-VM + DAG de Dependência de Estado (gráfico acíclico dirigido de dependência de estado) e mecanismo de sincronização modular, que juntos constroem um sistema de execução paralela voltado para "threading interno da cadeia".
Micro-VM( micro máquina virtual) arquitetura: conta é um thread
O MegaETH introduz o modelo de execução "uma micro máquina virtual para cada conta (Micro-VM)", que "tenciona" o ambiente de execução, fornecendo a menor unidade de isolamento para agendamento paralelo. Essas VMs se comunicam através de mensagens assíncronas (Asynchronous Messaging), em vez de chamadas síncronas, permitindo que muitas VMs sejam executadas de forma independente e armazenadas de forma independente, naturalmente em paralelo.
Dependência de Estado DAG: Mecanismo de Agendamento Baseado em Gráficos 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 modifica quais contas, lê quais contas, tudo modelado como relações de dependência. Transações sem conflitos podem ser executadas em paralelo diretamente, enquanto transações com relações de dependência serão agendadas em ordem topológica de forma serial ou postergada. O gráfico de dependência garante a consistência do estado e a não escrita duplicada 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 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 reprojectada em todas as dimensões de "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", oferecendo uma nova abordagem paradigmática para a construção do próximo sistema on-chain de alto desempenho.
MegaETH escolheu um caminho de reestruturação: abstrair completamente contas e contratos em uma VM independente, 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, mais parecido com um sistema operacional super distribuído sob a filosofia do Ethereum.
A filosofia de design de Monad e MegaETH é bastante diferente da fragmentação (Sharding): a fragmentação divide a blockchain horizontalmente em várias sub-chains independentes (fragmentos Shards), cada sub-chain é responsável por parte das transações e estados, quebrando as limitações de uma única cadeia na expansão da camada de rede; enquanto Monad e MegaETH mantêm a integridade da única cadeia, apenas expandindo horizontalmente na camada de execução, otimizando a execução paralela extrema dentro da única cadeia para superar o desempenho. Ambos representam os dois direcionamentos de fortalecimento vertical e expansão horizontal no caminho de expansão 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 através da execução atrasada (Deferred Execution) e da arquitetura de micromáquina virtual (Micro-VM). O Pharos Network, como uma rede de blockchain L1 modular e full-stack, possui um mecanismo central de computação paralela chamado "Rollup Mesh". Esta arquitetura suporta um ambiente de múltiplas máquinas virtuais (EVM e Wasm) através da colaboração entre a rede principal e uma rede de processamento especial (SPNs), integrando tecnologias avançadas como provas de zero conhecimento (ZK) e ambientes de execução confiável (TEE).
Análise do mecanismo de computação paralela Rollup Mesh:
Além disso, o Pharos reconstrói o modelo de execução a partir da camada de armazenamento usando tecnologias como árvores de Merkle de múltiplas versões, codificação delta )Delta Encoding(, endereçamento versionado )Versioned Addressing( e ADS Pushdown )ADS Pushdown(, lançando o mecanismo de armazenamento de alto desempenho nativo de blockchain, Pharos Store, que alcança alta capacidade de processamento, baixa latência e forte verificabilidade on-chain.