Mapa panorâmico do setor de computação paralela Web3: a melhor solução para expansão nativa?
O "triângulo impossível" da blockchain (Blockchain Trilemma) – "segurança", "descentralização" e "escalabilidade" – revela o dilema essencial no design de sistemas de blockchain, ou seja, é difícil para os projetos de blockchain alcançarem simultaneamente "segurança extrema, participação universal e processamento rápido". Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", as soluções de escalonamento de blockchain predominantes no mercado atualmente 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 de isolamento de estado: divisão horizontal de estado / Shard, como fragmentação, UTXO, múltiplas sub-redes
Escalabilidade off-chain do tipo outsourcing: colocar a execução fora da cadeia, por exemplo, Rollup, Coprocessor, DA
Desacoplamento estrutural para escalabilidade: modularidade da arquitetura, operação colaborativa, como cadeias modulares, ordenadores compartilhados, Rollup Mesh
Escalonamento assíncrono e concorrente: modelo Actor, isolamento de processos, orientado a mensagens, por exemplo, agentes, encadeamento assíncrono multithread
As soluções de escalabilidade da blockchain incluem: computação paralela on-chain, Rollup, sharding, módulos DA, estrutura modular, sistema Actor, compressão de provas zk, arquitetura Stateless, entre outros, abrangendo vários níveis de execução, estado, dados e estrutura, constituindo um sistema completo de escalabilidade "multicamadas e combinação modular". Este artigo foca nas soluções de escalabilidade com computação paralela como a principal abordagem.
Computação paralela intra-chain (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 aspirações de desempenho, modelos de desenvolvimento e filosofias de arquitetura, onde a granularidade do paralelismo se torna cada vez mais fina, a intensidade do paralelismo aumenta, a complexidade de agendamento também aumenta, assim como a complexidade de programação e a dificuldade de implementação.
Paralelismo a nível de conta (Account-level): representa o projeto Solana
Paralelismo a nível de objeto (Object-level): representa o projeto Sui
Paralelismo em 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 (Actor Model), que pertence a uma outra paradigma de computação paralela. Como um sistema de mensagens assíncronas entre cadeias (modelo não sincronizado em bloco), cada agente atua como um "processo inteligente independente", utilizando mensagens assíncronas em paralelo, 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 de computação paralela dentro da cadeia. Elas implementam a escalabilidade através da "execução paralela de várias cadeias / domínios de execução", em vez de aumentar a paralelização dentro de um único bloco / máquina virtual. Esse tipo de solução de escalabilidade não é o foco principal deste artigo, mas ainda assim faremos uma comparação das diferenças de conceito de arquitetura.
II. Cadeia Paralela Aumentada EVM: Superando Limites de Desempenho na Compatibilidade
A arquitetura de processamento em série do Ethereum evoluiu até hoje, passando por tentativas de escalonamento como sharding, Rollup e arquitetura modular, mas o gargalo de throughput na camada de execução ainda não foi superado de forma 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. Assim, as cadeias melhoradas em paralelo do EVM estão se tornando um caminho crucial que equilibra a compatibilidade ecológica e a melhoria do desempenho de execução, representando uma direção importante para a próxima rodada de evolução do escalonamento. Monad e MegaETH são os projetos mais representativos nesta 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 da decomposição de estado, respectivamente.
Análise do mecanismo de computação paralela Monad
Monad é uma blockchain 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 na camada de execução (Optimistic Parallel Execution). 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), realizando uma 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 múltiplas fases independentes e processar essas fases em paralelo, formando uma arquitetura de pipeline tridimensional. Cada fase opera em threads ou núcleos independentes, permitindo o processamento concorrente entre blocos, alcançando finalmente um aumento da taxa de transferência e uma redução da latência. Essas fases incluem: Proposta de Transação (Propose), Acordo de Consenso (Consensus), Execução de Transação (Execution) e Submissão de Bloco (Commit).
Execução Assíncrona: Consenso - Execução de Desacoplamento Assíncrono
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 "execução assíncrona" para alcançar a assíncronia na camada de consenso, na camada de execução e na camada de armazenamento. Isso reduz significativamente o tempo de bloco (block time) 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, 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 estritamente sequencial para evitar conflitos de estado. Já o Monad adota uma estratégia de "execução paralela otimista", aumentando significativamente a taxa de processamento de transações.
Mecanismo de execução:
Monad irá executar todas as transações em paralelo de forma otimista, 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: movendo o mínimo possível das regras do EVM, realizando a paralelização através do atraso na gravação de estado e da detecção dinâmica de conflitos, mais parecido com uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade e fácil implementação da migração do ecossistema EVM, sendo um acelerador de paralelização no mundo EVM.
Análise do mecanismo de computação paralela do MegaETH
Diferente do posicionamento L1 do Monad, o MegaETH é posicionado como uma camada de execução paralela de alto desempenho modular e compatível com EVM, podendo atuar tanto como uma blockchain pública L1 independente, quanto como uma camada de execução aprimorada na Ethereum (Execution Layer) ou componente modular. O objetivo central de seu design é isolar a lógica de contas, o ambiente de execução e o estado, de modo a desconstruí-los 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 está na: arquitetura Micro-VM + DAG de Dependência de Estado (grafo acíclico direcionado de dependência de estado) e mecanismo de sincronização modular, construindo conjuntamente um sistema de execução paralela voltado para "threading dentro da cadeia".
Arquitetura Micro-VM: Conta é um thread
MegaETH introduziu o modelo de execução "uma Micro-VM por conta", que "threadiza" o ambiente de execução, proporcionando a menor unidade de isolamento para agendamento paralelo. Esses VMs se comunicam entre si por meio de mensagens assíncronas, em vez de chamadas síncronas, permitindo que um grande número de VMs execute de forma independente e armazene de forma independente, de forma naturalmente paralela.
State Dependency DAG: Mecanismo de agendamento baseado em grafo 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 do estado e a não duplicação de gravações durante o processo de execução em paralelo.
Execução assíncrona e mecanismo de callback
B
Em suma, o MegaETH quebra o modelo tradicional de máquina de estados de thread única EVM, implementando encapsulamento de micromáquinas virtuais por unidade de conta, realizando agendamento de 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 toda a dimensão de "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", oferecendo novas ideias de nível de paradigma para a construção do próximo sistema de alta performance em cadeia.
MegaETH escolheu o caminho da reestruturação: abstraindo completamente contas e contratos em uma VM independente, liberando o potencial máximo de paralelismo através do agendamento de execução assíncrona. Em teoria, o limite de paralelismo do MegaETH é maior, mas também mais difícil de controlar a complexidade, assemelhando-se a um super sistema operacional distribuído sob a filosofia do Ethereum.
Monad e MegaETH têm conceitos de design bastante diferentes do sharding: o sharding divide a blockchain em múltiplas sub-blockchains independentes (shards), cada sub-blockchain é responsável por parte das transações e estados, quebrando as limitações de uma única cadeia na escalabilidade da 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 duas 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 em otimizar a taxa de transferência, com o objetivo central de aumentar o TPS dentro da cadeia, realizando processamento paralelo em nível de transação ou conta através da Execução Diferida (Deferred Execution) e da arquitetura de Micro-VM. O Pharos Network, como uma rede blockchain L1 modular e full-stack paralela, tem seu mecanismo de computação paralela central chamado "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 especializadas (SPNs), e integra tecnologias avançadas como provas de conhecimento zero (ZK) e ambientes de execução confiáveis (TEE).
Análise do mecanismo de computação paralela Rollup Mesh:
Processamento Assíncrono em Pipeline de Ciclo de Vida Completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos desacopla as várias fases das transações (como consenso, execução, armazenamento) e adota um método de processamento assíncrono, permitindo que cada fase ocorra 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 apropriado 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.
Redes de Processamento Especial (SPNs): SPNs são componentes-chave da arquitetura Pharos, semelhantes a sub-redes modularizadas, projetadas para lidar com tipos específicos de tarefas ou aplicações. Através das 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 Restaking (Modular Consensus & Restaking): Pharos introduziu um mecanismo de consenso flexível, suportando vários modelos de consenso (como PBFT, PoS, PoA), e implementa a rede principal com SPNs através de um protocolo de restaking.
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Web3 computação paralela panorâmica: quem será a melhor solução nativa de escalabilidade
Mapa panorâmico do setor de computação paralela Web3: a melhor solução para expansão nativa?
O "triângulo impossível" da blockchain (Blockchain Trilemma) – "segurança", "descentralização" e "escalabilidade" – revela o dilema essencial no design de sistemas de blockchain, ou seja, é difícil para os projetos de blockchain alcançarem simultaneamente "segurança extrema, participação universal e processamento rápido". Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", as soluções de escalonamento de blockchain predominantes no mercado atualmente são classificadas de acordo com paradigmas, incluindo:
As soluções de escalabilidade da blockchain incluem: computação paralela on-chain, Rollup, sharding, módulos DA, estrutura modular, sistema Actor, compressão de provas zk, arquitetura Stateless, entre outros, abrangendo vários níveis de execução, estado, dados e estrutura, constituindo um sistema completo de escalabilidade "multicamadas e combinação modular". Este artigo foca nas soluções de escalabilidade com computação paralela como a principal abordagem.
Computação paralela intra-chain (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 aspirações de desempenho, modelos de desenvolvimento e filosofias de arquitetura, onde a granularidade do paralelismo se torna cada vez mais fina, a intensidade do paralelismo aumenta, a complexidade de agendamento também aumenta, assim como a complexidade de programação e a dificuldade de implementação.
Modelo de concorrência assíncrona fora da cadeia, representado pelo sistema de agentes (Actor Model), que pertence a uma outra paradigma de computação paralela. Como um sistema de mensagens assíncronas entre cadeias (modelo não sincronizado em bloco), cada agente atua como um "processo inteligente independente", utilizando mensagens assíncronas em paralelo, 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 de computação paralela dentro da cadeia. Elas implementam a escalabilidade através da "execução paralela de várias cadeias / domínios de execução", em vez de aumentar a paralelização dentro de um único bloco / máquina virtual. Esse tipo de solução de escalabilidade não é o foco principal deste artigo, mas ainda assim faremos uma comparação das diferenças de conceito de arquitetura.
II. Cadeia Paralela Aumentada EVM: Superando Limites de Desempenho na Compatibilidade
A arquitetura de processamento em série do Ethereum evoluiu até hoje, passando por tentativas de escalonamento como sharding, Rollup e arquitetura modular, mas o gargalo de throughput na camada de execução ainda não foi superado de forma 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. Assim, as cadeias melhoradas em paralelo do EVM estão se tornando um caminho crucial que equilibra a compatibilidade ecológica e a melhoria do desempenho de execução, representando uma direção importante para a próxima rodada de evolução do escalonamento. Monad e MegaETH são os projetos mais representativos nesta 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 da decomposição de estado, respectivamente.
Análise do mecanismo de computação paralela Monad
Monad é uma blockchain 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 na camada de execução (Optimistic Parallel Execution). 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), realizando uma 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 múltiplas fases independentes e processar essas fases em paralelo, formando uma arquitetura de pipeline tridimensional. Cada fase opera em threads ou núcleos independentes, permitindo o processamento concorrente entre blocos, alcançando finalmente um aumento da taxa de transferência e uma redução da latência. Essas fases incluem: Proposta de Transação (Propose), Acordo de Consenso (Consensus), Execução de Transação (Execution) e Submissão de Bloco (Commit).
Execução Assíncrona: Consenso - Execução de Desacoplamento Assíncrono
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 "execução assíncrona" para alcançar a assíncronia na camada de consenso, na camada de execução e na camada de armazenamento. Isso reduz significativamente o tempo de bloco (block time) 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. Já 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 o mínimo possível das regras do EVM, realizando a paralelização através do atraso na gravação de estado e da detecção dinâmica de conflitos, mais parecido com uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade e fácil implementação da migração do ecossistema EVM, sendo um acelerador de paralelização no mundo EVM.
Análise do mecanismo de computação paralela do MegaETH
Diferente do posicionamento L1 do Monad, o MegaETH é posicionado como uma camada de execução paralela de alto desempenho modular e compatível com EVM, podendo atuar tanto como uma blockchain pública L1 independente, quanto como uma camada de execução aprimorada na Ethereum (Execution Layer) ou componente modular. O objetivo central de seu design é isolar a lógica de contas, o ambiente de execução e o estado, de modo a desconstruí-los 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 está na: arquitetura Micro-VM + DAG de Dependência de Estado (grafo acíclico direcionado de dependência de estado) e mecanismo de sincronização modular, construindo conjuntamente um sistema de execução paralela voltado para "threading dentro da cadeia".
Arquitetura Micro-VM: Conta é um thread
MegaETH introduziu o modelo de execução "uma Micro-VM por conta", que "threadiza" o ambiente de execução, proporcionando a menor unidade de isolamento para agendamento paralelo. Esses VMs se comunicam entre si por meio de mensagens assíncronas, em vez de chamadas síncronas, permitindo que um grande número de VMs execute de forma independente e armazene de forma independente, de forma naturalmente paralela.
State Dependency DAG: Mecanismo de agendamento baseado em grafo 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 do estado e a não duplicação de gravações durante o processo de execução em paralelo.
Execução assíncrona e mecanismo de callback
B
Em suma, o MegaETH quebra o modelo tradicional de máquina de estados de thread única EVM, implementando encapsulamento de micromáquinas virtuais por unidade de conta, realizando agendamento de 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 toda a dimensão de "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", oferecendo novas ideias de nível de paradigma para a construção do próximo sistema de alta performance em cadeia.
MegaETH escolheu o caminho da reestruturação: abstraindo completamente contas e contratos em uma VM independente, liberando o potencial máximo de paralelismo através do agendamento de execução assíncrona. Em teoria, o limite de paralelismo do MegaETH é maior, mas também mais difícil de controlar a complexidade, assemelhando-se a um super sistema operacional distribuído sob a filosofia do Ethereum.
Monad e MegaETH têm conceitos de design bastante diferentes do sharding: o sharding divide a blockchain em múltiplas sub-blockchains independentes (shards), cada sub-blockchain é responsável por parte das transações e estados, quebrando as limitações de uma única cadeia na escalabilidade da 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 duas 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 em otimizar a taxa de transferência, com o objetivo central de aumentar o TPS dentro da cadeia, realizando processamento paralelo em nível de transação ou conta através da Execução Diferida (Deferred Execution) e da arquitetura de Micro-VM. O Pharos Network, como uma rede blockchain L1 modular e full-stack paralela, tem seu mecanismo de computação paralela central chamado "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 especializadas (SPNs), e integra tecnologias avançadas como provas de conhecimento zero (ZK) e ambientes de execução confiáveis (TEE).
Análise do mecanismo de computação paralela Rollup Mesh: