Mapa panorâmico da pista de computação paralela Web3: qual é a melhor solução de escalabilidade nativa?
O "trilema da blockchain" (Blockchain Trilemma) revela os compromissos essenciais no design de sistemas de blockchain, envolvendo "segurança", "descentralização" e "escalabilidade", ou seja, é difícil para os projetos de blockchain alcançarem simultaneamente "segurança extrema, participação universal e processamento rápido". Em relação ao eterno tópico da "escalabilidade", as principais soluções de escalabilidade de blockchain atualmente no mercado são classificadas de acordo com paradigmas, incluindo:
Execução de escalabilidade aprimorada: aumento da capacidade de execução no local, como paralelismo, GPU e múltiplos núcleos.
Escalabilidade por isolamento de estado: divisão horizontal de estado / Shard, como sharding, UTXO, múltiplas sub-redes
Expansão do tipo outsourcing off-chain: deslocar a execução para fora da cadeia, por exemplo, Rollup, Coprocessor, DA
Expansão de desacoplamento estrutural: modularidade da arquitetura, operação colaborativa, por exemplo, cadeia de módulos, ordenadores compartilhados, Rollup Mesh
Escalonamento assíncrono e concorrente: Modelo Actor, isolamento de processos, acionado por mensagens, por exemplo, agentes, cadeia assíncrona multithread.
As soluções de escalabilidade da blockchain incluem: computação paralela dentro da cadeia, Rollup, sharding, módulo DA, estrutura modular, sistema Actor, compressão de prova zk, arquitetura Stateless, entre outros, abrangendo múltiplos níveis de execução, estado, dados e estrutura, constituindo um sistema completo de escalabilidade "multicamadas e combinação modular". Este artigo foca principalmente na forma de escalabilidade predominante baseada em computação paralela.
Computação paralela intra-cadeia (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 grau de paralelismo se tornando cada vez mais fino, a intensidade de paralelismo cada vez maior, a complexidade de agendamento também aumentando, e a complexidade de programação e dificuldade de implementação se tornando cada vez mais elevadas.
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 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 de Agente / Ator), que pertence a uma outra classe de paradigmas de computação paralela, como um sistema de mensagens assíncronas / intercadeias (modelo de não sincronização de blocos), onde cada Agente atua como um "processo inteligente" operando de forma independente, utilizando mensagens assíncronas em paralelo, acionadas por eventos, sem necessidade de agendamento de sincronização. Projetos representativos incluem AO, ICP, Cartesi, entre outros.
As soluções de escalabilidade que conhecemos bem, como Rollup ou sharding, pertencem a mecanismos de concorrência em nível de sistema e não se enquadram em computação paralela dentro da cadeia. Elas alcançam escalabilidade através da "execução paralela de várias cadeias / domínios de execução", e não aumentando a paralelização dentro de um único bloco / máquina virtual. Este tipo de solução de escalabilidade não é o foco deste artigo, mas ainda assim a usaremos para comparar as diferenças de conceitos de arquitetura.
Dois, EVM e a cadeia de aumento paralelo: rompendo as fronteiras de desempenho na compatibilidade
A arquitetura de processamento em série do Ethereum evoluiu até hoje, passando por várias tentativas de escalabilidade, como sharding, Rollups e arquitetura modular, mas o gargalo de throughput na camada de execução ainda não foi superado fundamentalmente. Ao mesmo tempo, EVM e Solidity continuam a ser as plataformas de contratos inteligentes com a maior base de desenvolvedores e potencial ecológico atualmente. Assim, as cadeias paralelas EVM como um caminho crítico que equilibra a compatibilidade ecológica e a melhoria do desempenho de execução estão se tornando uma importante direção na nova rodada de evolução de 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 atrasada e da decomposição de estado, respectivamente.
Análise do mecanismo de computação paralela Monad
Monad é uma blockchain de Layer1 de alto desempenho 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 execução paralela otimista (Optimistic Parallel Execution) na camada de execução. 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), alcançando otimização de ponta a ponta.
Pipelining: Mecanismo de execução paralela em várias etapas
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, onde cada fase opera 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: Proposição de transações (Propose), Acordo de consenso (Consensus), Execução de transações (Execution) e Compromisso de blocos (Commit).
Execução Assíncrona: Consenso - Desacoplamento Assíncrono da Execução
Na cadeia tradicional, o consenso e a execução das transações geralmente são processos síncronos, e esse modelo em série limita severamente a escalabilidade de desempenho. A Monad implementou o consenso assíncrono, a execução assíncrona e o armazenamento assíncrono através de "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 uma maior utilização de recursos.
Design principal:
O processo de consenso (camada de consenso) é responsável apenas pela ordenação das transações, não pela execução da 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, entra imediatamente no processo de consenso do próximo bloco, sem necessidade de aguardar a conclusão da execução.
O Ethereum tradicional adota um modelo de execução estritamente sequencial para evitar conflitos de estado. Por outro lado, o Monad utiliza 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: minimizando as alterações nas regras do EVM, implementando paralelismo através do adiamento da escrita de estado e da detecção dinâmica de conflitos durante a execução, assemelhando-se mais a uma versão de desempenho do Ethereum, com uma maturidade que facilita a migração do ecossistema EVM, atuando como um acelerador de paralelismo 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 modular compatível com EVM, podendo funcionar tanto como uma blockchain pública L1 independente quanto como uma camada de aprimoramento de execução (Execution Layer) ou componente modular na Ethereum. O objetivo central de seu 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 execução concorrente e capacidade de resposta de baixa latência dentro da cadeia. A inovação chave proposta pelo MegaETH é a combinação da arquitetura Micro-VM + DAG de Dependência de Estado (Directed Acyclic Graph) e um mecanismo de sincronização modular, que juntos constroem um sistema de execução paralela voltado para a "threading dentro da cadeia".
Arquitetura Micro-VM: Conta é a thread
MegaETH introduziu 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 se comunicam entre si através de mensagens assíncronas, em vez de chamadas síncronas, permitindo que muitas VMs possam executar e armazenar de forma independente, naturalmente em paralelo.
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 dependências 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 diretamente, enquanto as transações com relações de dependência serão agendadas em ordem topológica, em série ou adiadas. 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 rompe com o modelo tradicional de máquina de estado EVM de thread única, implementando encapsulamento de micro-máquinas virtuais a nível de conta, através de agendamento de transações com 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 toda a dimensão de "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", oferecendo uma nova abordagem de nível paradigma para a construção de sistemas de cadeia de alto desempenho da próxima geração.
MegaETH escolheu um caminho de reestruturação: abstraindo completamente contas e contratos em uma VM independente, liberando o potencial extremo de paralelismo através de agendamento de execução assíncrona. Teoricamente, o limite de paralelismo do MegaETH é maior, mas também é mais difícil controlar a complexidade, parecendo mais um sistema operacional super distribuído sob a filosofia do Ethereum.
Monad e MegaETH têm conceitos de design bastante diferentes em relação ao sharding: o sharding divide a blockchain horizontalmente em várias sub-chains independentes (shards), cada sub-chain é responsável por parte das transações e do estado, quebrando as limitações de uma única chain em termos de escalabilidade na camada de rede; enquanto Monad e MegaETH mantêm a integridade da single chain, expandindo horizontalmente apenas na camada de execução, otimizando a execução paralela extrema dentro da single chain para superar o desempenho. Ambos representam duas direções diferentes no caminho de escalabilidade 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 central de aumentar o TPS na cadeia, alcançando o processamento paralelo em nível de transação ou de conta por meio da Execução Diferida (Deferred Execution) e da arquitetura de Micro-VM. O Pharos Network, como uma rede de blockchain L1 modular e de pilha completa, 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 rede principal e redes de processamento especial (SPNs), e integra tecnologias avançadas como Provas de Conhecimento Zero (ZK) e Ambiente de Execução Confiável (TEE).
Análise do mecanismo de computação paralela Rollup Mesh:
Processamento Assíncrono de Pipeline em Todo o Ciclo de Vida (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 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 com base em suas necessidades. Esta arquitetura de duas VMs não apenas aumenta a flexibilidade do sistema, mas também melhora a capacidade de processamento de transações através da execução paralela.
Redes de Tratamento Especial (SPNs): SPNs são componentes chave na arquitetura Pharos, semelhantes a sub-redes modularizadas, projetadas para lidar com tipos específicos de tarefas ou aplicações. Através das SPNs, o Pharos pode realizar alocação dinâmica de recursos e processamento paralelo de tarefas, aumentando ainda mais a escalabilidade e desempenho do sistema.
Consenso Modular e Mecanismo de Reestaque (Modular Consensus & Restaking): Pharos introduziu um mecanismo de consenso flexível, suportando vários modelos de consenso (como PBFT, PoS, PoA), e através do protocolo de reestaque (
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Panorama da pista de computação paralela Web3: 5 grandes mecanismos de paralelismo desde o nível da conta até o nível da instrução
Mapa panorâmico da pista de computação paralela Web3: qual é a melhor solução de escalabilidade nativa?
O "trilema da blockchain" (Blockchain Trilemma) revela os compromissos essenciais no design de sistemas de blockchain, envolvendo "segurança", "descentralização" e "escalabilidade", ou seja, é difícil para os projetos de blockchain alcançarem simultaneamente "segurança extrema, participação universal e processamento rápido". Em relação ao eterno tópico da "escalabilidade", as principais soluções de escalabilidade de blockchain atualmente no mercado são classificadas de acordo com paradigmas, incluindo:
As soluções de escalabilidade da blockchain incluem: computação paralela dentro da cadeia, Rollup, sharding, módulo DA, estrutura modular, sistema Actor, compressão de prova zk, arquitetura Stateless, entre outros, abrangendo múltiplos níveis de execução, estado, dados e estrutura, constituindo um sistema completo de escalabilidade "multicamadas e combinação modular". Este artigo foca principalmente na forma de escalabilidade predominante baseada em computação paralela.
Computação paralela intra-cadeia (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 grau de paralelismo se tornando cada vez mais fino, a intensidade de paralelismo cada vez maior, a complexidade de agendamento também aumentando, e a complexidade de programação e dificuldade de implementação se tornando cada vez mais elevadas.
Modelo de concorrência assíncrona fora da cadeia, representado pelo sistema de agentes (Modelo de Agente / Ator), que pertence a uma outra classe de paradigmas de computação paralela, como um sistema de mensagens assíncronas / intercadeias (modelo de não sincronização de blocos), onde cada Agente atua como um "processo inteligente" operando de forma independente, utilizando mensagens assíncronas em paralelo, acionadas por eventos, sem necessidade de agendamento de sincronização. Projetos representativos incluem AO, ICP, Cartesi, entre outros.
As soluções de escalabilidade que conhecemos bem, como Rollup ou sharding, pertencem a mecanismos de concorrência em nível de sistema e não se enquadram em computação paralela dentro da cadeia. Elas alcançam escalabilidade através da "execução paralela de várias cadeias / domínios de execução", e não aumentando a paralelização dentro de um único bloco / máquina virtual. Este tipo de solução de escalabilidade não é o foco deste artigo, mas ainda assim a usaremos para comparar as diferenças de conceitos de arquitetura.
Dois, EVM e a cadeia de aumento paralelo: rompendo as fronteiras de desempenho na compatibilidade
A arquitetura de processamento em série do Ethereum evoluiu até hoje, passando por várias tentativas de escalabilidade, como sharding, Rollups e arquitetura modular, mas o gargalo de throughput na camada de execução ainda não foi superado fundamentalmente. Ao mesmo tempo, EVM e Solidity continuam a ser as plataformas de contratos inteligentes com a maior base de desenvolvedores e potencial ecológico atualmente. Assim, as cadeias paralelas EVM como um caminho crítico que equilibra a compatibilidade ecológica e a melhoria do desempenho de execução estão se tornando uma importante direção na nova rodada de evolução de 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 atrasada e da decomposição de estado, respectivamente.
Análise do mecanismo de computação paralela Monad
Monad é uma blockchain de Layer1 de alto desempenho 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 execução paralela otimista (Optimistic Parallel Execution) na camada de execução. 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), alcançando otimização de ponta a ponta.
Pipelining: Mecanismo de execução paralela em várias etapas
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, onde cada fase opera 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: Proposição de transações (Propose), Acordo de consenso (Consensus), Execução de transações (Execution) e Compromisso de blocos (Commit).
Execução Assíncrona: Consenso - Desacoplamento Assíncrono da Execução
Na cadeia tradicional, o consenso e a execução das transações geralmente são processos síncronos, e esse modelo em série limita severamente a escalabilidade de desempenho. A Monad implementou o consenso assíncrono, a execução assíncrona e o armazenamento assíncrono através de "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 uma maior utilização de recursos.
Design principal:
Execução Paralela Otimista: Execução Paralela Otimista
O Ethereum tradicional adota um modelo de execução estritamente sequencial para evitar conflitos de estado. Por outro lado, o Monad utiliza uma estratégia de "execução paralela otimista", aumentando significativamente a taxa de processamento de transações.
Mecanismo de execução:
Monad escolheu um caminho compatível: minimizando as alterações nas regras do EVM, implementando paralelismo através do adiamento da escrita de estado e da detecção dinâmica de conflitos durante a execução, assemelhando-se mais a uma versão de desempenho do Ethereum, com uma maturidade que facilita a migração do ecossistema EVM, atuando como um acelerador de paralelismo 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 modular compatível com EVM, podendo funcionar tanto como uma blockchain pública L1 independente quanto como uma camada de aprimoramento de execução (Execution Layer) ou componente modular na Ethereum. O objetivo central de seu 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 execução concorrente e capacidade de resposta de baixa latência dentro da cadeia. A inovação chave proposta pelo MegaETH é a combinação da arquitetura Micro-VM + DAG de Dependência de Estado (Directed Acyclic Graph) e um mecanismo de sincronização modular, que juntos constroem um sistema de execução paralela voltado para a "threading dentro da cadeia".
Arquitetura Micro-VM: Conta é a thread
MegaETH introduziu 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 se comunicam entre si através de mensagens assíncronas, em vez de chamadas síncronas, permitindo que muitas VMs possam executar e armazenar de forma independente, naturalmente em paralelo.
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 dependências 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 diretamente, enquanto as transações com relações de dependência serão agendadas em ordem topológica, em série ou adiadas. 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 rompe com o modelo tradicional de máquina de estado EVM de thread única, implementando encapsulamento de micro-máquinas virtuais a nível de conta, através de agendamento de transações com 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 toda a dimensão de "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", oferecendo uma nova abordagem de nível paradigma para a construção de sistemas de cadeia de alto desempenho da próxima geração.
MegaETH escolheu um caminho de reestruturação: abstraindo completamente contas e contratos em uma VM independente, liberando o potencial extremo de paralelismo através de agendamento de execução assíncrona. Teoricamente, o limite de paralelismo do MegaETH é maior, mas também é mais difícil controlar a complexidade, parecendo mais um sistema operacional super distribuído sob a filosofia do Ethereum.
Monad e MegaETH têm conceitos de design bastante diferentes em relação ao sharding: o sharding divide a blockchain horizontalmente em várias sub-chains independentes (shards), cada sub-chain é responsável por parte das transações e do estado, quebrando as limitações de uma única chain em termos de escalabilidade na camada de rede; enquanto Monad e MegaETH mantêm a integridade da single chain, expandindo horizontalmente apenas na camada de execução, otimizando a execução paralela extrema dentro da single chain para superar o desempenho. Ambos representam duas direções diferentes no caminho de escalabilidade 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 central de aumentar o TPS na cadeia, alcançando o processamento paralelo em nível de transação ou de conta por meio da Execução Diferida (Deferred Execution) e da arquitetura de Micro-VM. O Pharos Network, como uma rede de blockchain L1 modular e de pilha completa, 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 rede principal e redes de processamento especial (SPNs), e integra tecnologias avançadas como Provas de Conhecimento Zero (ZK) e Ambiente de Execução Confiável (TEE).
Análise do mecanismo de computação paralela Rollup Mesh: