Relatório de Pesquisa Profunda sobre Cálculo Paralelo em Web3: O Caminho Final para a Expansão Nativa

I. Introdução: A escalabilidade é um tema eterno, e a paralelização é o campo de batalha definitivo

Os sistemas de blockchain enfrentam sempre o problema central da escalabilidade. Os gargalos de desempenho do Bitcoin e do Ethereum são difíceis de superar em relação à capacidade de processamento do mundo Web2 tradicional. Isso não é algo que pode ser resolvido simplesmente aumentando o número de servidores, mas sim é resultado de limitações sistêmicas no design subjacente da blockchain.

Nos últimos dez anos, testemunhámos várias tentativas de escalabilidade, desde a controvérsia sobre a escalabilidade do Bitcoin até a visão de fragmentação do Ethereum, passando por canais de estado, Plasma, Rollup e blockchains modularizadas. O Rollup, como a solução de escalabilidade mais comum atualmente, melhora o TPS enquanto mantém a segurança do Ethereum. No entanto, não atingiu o verdadeiro limite de "desempenho de cadeia única" na base da blockchain, especialmente no que diz respeito à execução.

O cálculo paralelo dentro da cadeia está gradualmente a entrar na visão da indústria. Ao contrário da escalabilidade fora da cadeia, o paralelo dentro da cadeia tenta reestruturar completamente o motor de execução, mantendo a estrutura de uma única cadeia, atualizando a blockchain de "execução serial de transações uma a uma" para um sistema de alta concorrência de "múltiplas threads + pipeline + agendamento de dependências". Isso não só pode alcançar um aumento de throughput de centenas de vezes, mas também pode tornar-se a chave para a explosão das aplicações de contratos inteligentes.

As cadeias novas como Solana introduzem paralelismo a nível de arquitetura, enquanto projetos como Monad e MegaETH elevam ainda mais o paralelismo dentro da cadeia a um nível mais profundo de inovação. Pode-se dizer que o cálculo paralelo não é apenas uma otimização de desempenho, mas sim um ponto de viragem no modelo de execução da blockchain. Isso desafia o modelo fundamental da execução de contratos inteligentes, redefinindo a lógica básica do processamento de transações.

Após a convergência na pista de Rollup, a paralelização dentro da cadeia está se tornando a variável decisiva na competição de Layer1 do novo ciclo. O desempenho não é mais apenas "mais rápido", mas a possibilidade de suportar um mundo de aplicações heterogêneas inteiras. Isso não é apenas uma corrida tecnológica, mas uma batalha pela posse de paradigmas. A próxima geração de plataformas de execução soberana no mundo Web3 pode muito bem surgir desse embate de paralelização dentro da cadeia.

II. Panorama do Paradigma de Escalabilidade: Cinco Tipos de Roteiros, Cada um com seu Foco

A escalabilidade, como um dos temas mais importantes na evolução da tecnologia de blockchain, deu origem a quase todas as principais rotas tecnológicas da última década. A partir da disputa sobre o tamanho dos blocos do Bitcoin, esta competição técnica sobre "como fazer a cadeia correr mais rápido" acabou por se diversificar em cinco grandes rotas básicas:

1. Escalabilidade na cadeia: aumentar o tamanho do bloco, reduzir o tempo de criação do bloco, etc. Embora mantenha a consistência da cadeia única, é suscetível a riscos de centralização e limites do sistema.

2. Escalabilidade fora da cadeia: canais de estado e cadeias laterais. Transferir a maioria das transações para fora da cadeia, escrevendo apenas o resultado final na cadeia principal. Pode escalar a capacidade de forma ilimitada, mas existem problemas de confiança e segurança.

3. Layer2 Rollup: A solução de escalabilidade mais amplamente implementada atualmente. A escalabilidade é alcançada através da execução fora da cadeia e validação na cadeia. Optimistic Rollup e ZK Rollup têm suas vantagens, mas também apresentam gargalos a médio prazo.

4. Blockchain modular: desacoplar as funcionalidades principais da blockchain, permitindo que várias cadeias especializadas realizem diferentes funções. Flexível e substituível, mas os desafios também são evidentes.

5. Cálculo paralelo dentro da cadeia: alterar a arquitetura do motor de execução dentro de uma única cadeia para permitir o processamento concorrente de transações atômicas. É necessário reescrever a lógica de agendamento da VM e introduzir mecanismos de agendamento de sistemas de computação modernos.

Estas cinco categorias de caminhos refletem o equilíbrio entre desempenho, combinabilidade, segurança e complexidade no blockchain. Cada caminho tem suas vantagens e desvantagens, formando um panorama da atualização do paradigma computacional Web3. E a paralelização dentro da cadeia pode ser o campo de batalha final desta guerra prolongada.

Três, Mapa de Classificação de Cálculo Paralelo: As Cinco Grandes Rotas de Conta a Instrução

A computação paralela tornou-se gradualmente o caminho central para a superação do desempenho da blockchain. A partir do modelo de execução, a tecnologia de computação paralela pode ser dividida em cinco caminhos:

1. Paralelismo a nível de conta: representado pelo Solana. Baseado na desacoplamento de conta-estado, determina conflitos de transação através de análise estática. Adequado para transações com estrutura clara, mas em cenários complexos, o paralelismo pode diminuir.

2. Paralelismo a nível de objeto: representado por Aptos e Sui. Introduz "objetos de estado" com granularidade mais fina para agendamento concorrente. Mais versátil, mas aumenta a barreira linguística e a complexidade de desenvolvimento.

3. Paralelismo em nível de transação: representado por Monad, Sei e Fuel. Constrói um gráfico de dependência em torno de toda a transação, realizando execução em fluxo concorrente. A capacidade de throughput potencial é alta, mas requer uma gestão de dependências complexa.

4. Paralelismo a nível de máquina virtual: representado pelo MegaETH. Integrar a capacidade de execução concorrente na lógica de agendamento de instruções subjacente da VM. A dificuldade reside em manter a compatibilidade com a EVM enquanto se remodela todo o ambiente de execução.

5. Paralelismo a nível de instrução: o paralelismo de granularidade mais fina. Semelhante à execução fora de ordem e ao pipeline de instruções dos CPUs modernos. A equipa da Fuel já o introduziu preliminarmente, mas ainda está em fase experimental.

Estas cinco trajetórias vão de granularidade grossa a granularidade fina, representando tanto a refinamento da lógica paralela quanto a ascensão da complexidade do sistema. Elas marcam a transição do modelo de computação em blockchain da execução sequencial tradicional para um ambiente distribuído de alto desempenho.

Quatro, Análise Profunda das Duas Principais Faixas: Monad vs MegaETH

As duas rotas tecnológicas mais discutidas atualmente no campo da computação paralela são a "construção de cadeias de computação paralela do zero" da Monad e a "revolução de paralelismo interno do EVM" da MegaETH. Elas representam dois paradigmas diferentes: "reconstrucionismo" e "compatibilismo".

O Monad adota uma abordagem de reestruturação radical, inspirando-se em bancos de dados modernos e sistemas de alto desempenho. Suas tecnologias principais incluem controle de concorrência otimista, agendamento de DAG de transações e execução fora de ordem, com o objetivo de elevar o desempenho do processamento de transações para o nível de um milhão de TPS. O Monad suporta a compatibilidade com Solidity através de uma camada de linguagem intermediária, adotando a estratégia de "compatibilidade superficial e reestruturação em profundidade".

O MegaETH opta por implementar paralelismo sobre a base existente do EVM. Ele não altera a especificação do EVM, mas reestrutura o modelo de execução de instruções, introduzindo isolamento a nível de threads e mecanismos de execução assíncrona. O MegaETH permite que os desenvolvedores obtenham melhorias de desempenho sem precisar alterar os contratos existentes, sendo mais facilmente aceito pelo ecossistema Ethereum.

Monad é como um trem-bala em uma nova pista, redefinindo desde os trilhos até o corpo do trem. MegaETH é como instalar turbinas em uma autoestrada existente, melhorando a estrutura de agendamento para que os veículos possam correr mais rápido. Ambos podem encontrar suas respectivas posições em uma futura arquitetura modular, construindo juntos um motor de execução de alto desempenho para o Web3.

Cinco, oportunidades e desafios futuros da computação paralela

A computação paralela está passando do design para a implementação, seu potencial está gradualmente se revelando. Ela não só traz melhorias de desempenho, mas também redefine o paradigma de desenvolvimento e o modelo de negócios.

Oportunidades:

1. Remover o teto de aplicação, suportar interações de alta frequência na cadeia, como um verdadeiro motor de jogo em cadeia e agentes de IA com autonomia em tempo real.
2. Criar uma nova geração de ferramentas de desenvolvimento, como estruturas de contratos inteligentes em paralelo, compiladores otimizados, etc.
3. Fornecer módulos de execução de alto desempenho para blockchains modularizadas.

Desafios:

1. Desafio técnico: garantia de consistência da concorrência de estado e tratamento de conflitos de transação.
2. O modelo de segurança ainda não está completamente estabelecido, como o isolamento de threads, novos tipos de ataques e outros problemas.
3. Migração ecológica e limiar de conhecimento dos desenvolvedores.

O futuro da computação paralela é tanto uma vitória da engenharia de sistemas quanto uma prova de design ecológico. Ele redefinirá a essência da cadeia e pode se tornar um ponto de virada para o paradigma de computação Web3.

VI. Conclusão: A computação paralela é o melhor caminho para a escalabilidade nativa do Web3?

Embora a computação paralela não seja a mais fácil de implementar, pode ser a que mais se aproxima da essência da blockchain. Ela tenta reconstruir o modelo de execução na atomicidade da cadeia, indo direto à raiz dos gargalos de desempenho. Essa forma de escalabilidade "nativa da cadeia" preserva o modelo de confiança central, reservando desempenho sustentável para aplicações complexas.

A computação paralela reconfigura a "alma da cadeia". Isso pode não ser um atalho a curto prazo, mas pode ser a única solução sustentável a longo prazo na evolução do Web3. Estamos testemunhando uma transição arquitetônica semelhante à mudança de sistemas operacionais de um único núcleo para múltiplos núcleos, e a forma embrionária de um sistema operacional nativo do Web3 pode estar escondida nisso.