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

1. Computação Paralela: Uma Nova Paradigma para a Escalabilidade da Blockchain

O "triângulo impossível" da blockchain "(" segurança", "descentralização" e "escalabilidade" ") revela a essência do compromisso no design de sistemas de blockchain, ou seja, é difícil para projetos de blockchain alcançarem simultaneamente "segurança extrema, participação universal e processamento rápido". Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", as principais soluções de escalonamento de blockchain no mercado atualmente são classificadas de acordo com paradigmas, incluindo:

• Executar escalabilidade aprimorada: aumentar a capacidade de execução no local, como paralelismo, GPU, multi-core
• Isolamento de estado para escalabilidade: divisão horizontal de estado/Shard, como partição, UTXO, múltiplas sub-redes
• Expansão de tipo off-chain: colocar a execução fora da cadeia, por exemplo, Rollup, Coprocessor, DA
• Expansão de desacoplamento estrutural: modularidade da arquitetura, operação colaborativa, por exemplo, cadeias de módulos, ordenadores compartilhados, Rollup Mesh
• Expansão assíncrona e concorrente: Modelo Actor, isolamento de processos, impulsionado por mensagens, como agentes, cadeia assíncrona multithreaded

As soluções de escalabilidade de blockchain incluem: computação paralela on-chain, 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 de "colaboração em múltiplas camadas e combinação de módulos". Este artigo foca principalmente nas soluções de escalabilidade com base na computação paralela.

Cálculo paralelo intra-chain (intra-chain parallelism), foca na execução paralela de transações/instruções dentro do bloco. Classificado pelo 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 aumentando, a complexidade de agendamento também aumentando, e a complexidade de programação e dificuldade de implementação crescendo.

• Nível de conta paralelo ( Nível de conta ): representa o projeto Solana
• Paralelismo a nível de objeto ( Nível de objeto ): representa o projeto Sui
• Nível de transação (Transaction-level): representa o projeto Monad, Aptos
• Chamadas de nível/ Micro VM em paralelo (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 inteligentes )Agent / Actor Model(, que pertence a outro paradigma de computação paralela, como um sistema de mensagens assíncronas entre cadeias )modelo não sincronizado de bloco(, onde cada agente atua como um "processo inteligente" que opera de forma independente, com mensagens assíncronas em modo paralelo, acionadas por eventos, sem necessidade de agendamento sincronizado. Projetos representativos incluem AO, ICP, Cartesi, entre outros.

As soluções de escalabilidade que conhecemos bem, como Rollup ou fragmentação, pertencem a mecanismos de concorrência em nível de sistema e não à computação paralela dentro da cadeia. Elas 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. Essas soluções de escalabilidade não são o foco deste artigo, mas ainda assim as utilizaremos para comparar as semelhanças nas ideias de arquitetura.

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Dois, EVM Series de Cadeia Paralela Aprimorada: Rompendo Fronteiras de Desempenho na Compatibilidade

A arquitetura de processamento em série do Ethereum evoluiu até hoje, passando por várias tentativas de escalabilidade, incluindo sharding, Rollup e arquitetura modular, mas o gargalo de throughput na camada de execução ainda não teve uma ruptura fundamental. No entanto, ao mesmo tempo, o EVM e o Solidity continuam a ser as plataformas de contratos inteligentes com a maior base de desenvolvedores e potencial ecológico. Portanto, as cadeias paralelas do EVM estão se tornando o caminho chave para melhorar a compatibilidade ecológica e o desempenho de execução, e 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 de execução atrasada e decomposição de estado, respectivamente.

) Análise do mecanismo de computação paralela Monad

Monad é uma blockchain Layer1 de alto desempenho 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 concorrência otimista na camada de execução )Optimistic Parallel Execution(. Além disso, nas camadas de consenso e armazenamento, Monad introduz, respectivamente, um protocolo BFT de alto desempenho )MonadBFT( e um sistema de banco de dados dedicado )MonadDB(, realizando otimização de ponta a ponta.

Pipelining: Mecanismo de execução paralela em múltiplas 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, com cada fase operando em threads ou núcleos independentes, permitindo o processamento concorrente entre blocos, e, por fim, alcançando 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 serial limita seriamente a escalabilidade de desempenho. A Monad implementou a "execução assíncrona" para permitir a assíncronia na camada de consenso, na camada de execução e no armazenamento. 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.

Desenho central:

• O processo de consenso ) camada de consenso ( é responsável apenas pela ordenação das transações, não executa a lógica de 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 esperar pela execução.

Execução Paralela Otimista

O Ethereum tradicional utiliza um modelo estritamente serial para a execução de transações, a fim de 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 optimisticamente todas as transações em paralelo, assumindo que a maioria das transações não tem conflitos de estado.
• Executar simultaneamente um "Detetor de Conflitos)Conflict Detector(" para monitorizar se as transações acederam 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: minimizando alterações nas regras do EVM, realizando a execução através do atraso na escrita de estado e detecção dinâmica de conflitos para alcançar paralelismo, assemelhando-se mais a uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade que facilita a migração do ecossistema EVM, sendo um acelerador paralelo no mundo EVM.

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) Análise do mecanismo de computação paralela 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 atuar tanto como uma blockchain L1 independente quanto como uma camada de aprimoramento de execução na Ethereum###Execution Layer( ou como um componente modular. O objetivo central do design é desconstruir a lógica de contas, o ambiente de execução e o estado, isolando-os em unidades mínimas que podem ser agendadas de forma independente, para alcançar uma execução de alta concorrência e baixa latência dentro da cadeia. A inovação chave proposta pelo MegaETH está na: Arquitetura Micro-VM + DAG de Dependência de Estado)grafo de dependência de estado acíclico direcionado( 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 um thread

O MegaETH introduziu o modelo de execução "uma micro máquina virtual por conta )Micro-VM(", tornando o ambiente de execução "multithreaded" e fornecendo a menor unidade de isolamento para o agendamento paralelo. Essas VMs comunicam-se entre si através de mensagens assíncronas )Asynchronous Messaging(, ao invés de chamadas síncronas, permitindo que várias VMs executem de forma independente e armazenem de forma independente, proporcionando paralelismo natural.

Estado de Dependência 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 modifica quais contas, lê quais contas, e tudo é modelado como relações de dependência. Transações sem conflitos podem ser executadas em paralelo, enquanto transações com relações de dependência serão agendadas em ordem topológica ou adiadas. O gráfico de dependência garante a consistência do 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 o encapsulamento de micro máquinas virtuais em unidades de conta, realizando o agendamento de transações através de gráficos 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 todos os ângulos de "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", proporcionando novas ideias em nível de paradigma para a construção de sistemas de alta performance na próxima geração.

MegaETH escolheu um caminho de reestruturação: abstrair completamente contas e contratos em uma VM independente, liberando o potencial máximo 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, assemelhando-se a um sistema operacional super distribuído sob a filosofia do Ethereum.

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A filosofia de design tanto do Monad quanto do MegaETH difere significativamente da fragmentação )Sharding(: a fragmentação divide a blockchain horizontalmente em várias sub-redes independentes )fragmentos Shards(, onde cada sub-rede é responsável por parte das transações e estados, rompendo as limitações de uma única cadeia para escalar na camada de rede; enquanto o Monad e o MegaETH mantêm a integridade da única cadeia, expandindo horizontalmente apenas na camada de execução, otimizando a execução paralela dentro da única cadeia para superar o desempenho. Ambos representam as duas direções de fortalecimento vertical e expansão horizontal no caminho de escalabilidade da blockchain.

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Os projetos de computação paralela, como Monad e MegaETH, concentram-se principalmente em otimizar o caminho de throughput, com o objetivo central de aumentar o TPS dentro da cadeia, implementando o )Deferred Execution( e a arquitetura de micro-vm )Micro-VM( para processamento paralelo em nível de transação ou conta. O Pharos Network, como uma rede blockchain L1 modular e full-stack, tem seu mecanismo de computação paralela central conhecido como "Rollup Mesh". Esta arquitetura, através da colaboração entre a rede principal e a rede de processamento especial )SPNs(, suporta ambientes de múltiplas máquinas virtuais )EVM e Wasm(, 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 do Pipeline de Todo o Ciclo de Vida )Full Lifecycle Asynchronous Pipelining(: O Pharos desacopla as várias fases da transação), como consenso, execução e 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 Dual VM ): Pharos suporta dois ambientes de máquina virtual, EVM e WASM, permitindo aos desenvolvedores escolher o ambiente de execução adequado de acordo com as suas necessidades. Esta arquitetura de dupla VM não só aumenta a flexibilidade do sistema, como também melhora a capacidade de processamento de transações através da execução paralela.
3. Processamento especial da rede (SPNs): SPNs são componentes chave na arquitetura Pharos, semelhantes a sub-redes modularizadas, projetadas para lidar com 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.
4. Consenso Modular e Mecanismo de Re-staking(: Pharos introduziu um flexível