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

Um. O contexto do desenvolvimento da computação paralela no campo da blockchain

O "triângulo impossível" da blockchain ( "segurança", "descentralização" e "escalabilidade" ) revela o trade-off essencial no design de sistemas de blockchain, ou seja, é difícil para um projeto de blockchain alcançar "segurança extrema, participação universal e processamento rápido" simultaneamente. Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", as principais soluções de escalabilidade de blockchain no mercado atualmente são classificadas por paradigmas, incluindo:

• Executar a escalabilidade aprimorada: aumentar a capacidade de execução no local, por exemplo, paralelismo, GPU, múltiplos núcleos
• Escalabilidade de isolamento de estado: divisão horizontal de estado/Shard, como fragmentos, UTXO, múltiplas sub-redes
• Escalabilidade de outsourcing off-chain: 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
• Escala assíncrona 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, módulos DA, estrutura modular, sistema Actor, compressão de provas zk, arquitetura Stateless, entre outros, abrangendo múltiplos níveis de execução, estado, dados e estrutura, formando um sistema completo de escalabilidade de "colaboração em múltiplas camadas e combinação de módulos". Este artigo foca principalmente nas soluções de escalabilidade baseadas em computação paralela.

Cálculo paralelo intra-chain (intra-chain parallelism), focando na execução paralela de transações/instruções dentro do bloco. Classificada 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 granulado de paralelismo se tornando cada vez mais fino, a intensidade do paralelismo aumentando, a complexidade do agendamento também aumentando, e a complexidade de programação e dificuldade de implementação se tornando cada vez mais altas.

• Conta nível paralelo ( Nível da conta ): 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 / Micro VM paralela ( Chamadas de nível / 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 entidades inteligentes Actor )Agent / Actor Model(, pertencendo a outro paradigma de computação paralela, como um sistema de mensagens entre cadeias / assíncrono )modelo de não sincronização de bloco(, cada Agente atuando como um "processo inteligente" independente, utilizando mensagens assíncronas de forma paralela, acionado por eventos, sem necessidade de agendamento de sincronização, com projetos representativos como 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, não à computação paralela dentro da cadeia. Elas alcançam a escalabilidade através da "execução paralela de múltiplas 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 usaremos para comparar as diferenças na filosofia arquitetônica.

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Dois, EVM Sistema de Cadeia Paralela Aprimorada: Superando Limites de Desempenho na Compatibilidade

A arquitetura de processamento em série do Ethereum evoluiu até hoje, passando por várias tentativas de escalonamento, como sharding, Rollup e arquiteturas modularizadas, mas o gargalo de throughput na camada de execução ainda não foi superado fundamentalmente. No entanto, ao mesmo tempo, EVM e Solidity continuam a ser as plataformas de contratos inteligentes com a maior base de desenvolvedores e potencial ecológico. Assim, a cadeia paralela EVM, que equilibra a compatibilidade ecológica e a melhoria do desempenho de execução, está se tornando um importante caminho na nova rodada de evolução do escalonamento. 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 de atraso e da decomposição de estado.

) Análise do mecanismo de computação paralela do 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(, executando de forma assíncrona na camada de consenso )Asynchronous Execution( e utilizando concorrência otimista )Optimistic Parallel Execution( na camada de execução. Além disso, na camada de consenso e armazenamento, Monad introduziu o 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 processo de execução da blockchain em várias fases independentes e processá-las em paralelo, formando uma arquitetura de pipeline tridimensional, onde cada fase opera em threads ou núcleos independentes, alcançando o processamento concorrente entre blocos, e, finalmente, aumentando a taxa de transferência e reduzindo a 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 Assíncrona Desacoplada

Na cadeia tradicional, o consenso e a execução das transações geralmente são processos síncronos, e esse modelo serial limita severamente a escalabilidade de desempenho. A Monad implementou 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 uma maior 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.
• 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 execução.

Execução Paralela Otimista

O Ethereum tradicional utiliza um modelo de execução 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 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 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: movendo o mínimo possível as regras do EVM, implementando a paralelização através do adiamento da escrita de estado e detecção dinâmica de conflitos durante a execução, assemelha-se mais a uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade e fácil migração do ecossistema EVM, sendo um acelerador de paralelização 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 paralela de alto desempenho e modular, 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 do design é isolar a lógica de contas, ambiente de execução e estado em unidades mínimas que podem ser agendadas de forma independente, a fim de alcançar alta execução concorrente e baixa latência de resposta na cadeia. A inovação chave proposta pelo MegaETH é: arquitetura Micro-VM + DAG de Dependência de Estado )grafo acíclico direcionado de dependência de estado( e mecanismo de sincronização modular, que juntos constroem um sistema de execução paralela voltado para "threading dentro da cadeia".

Micro-VM) máquina virtual leve( arquitetura: conta é igual a thread

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 agendamento paralelo. Essas VMs comunicam-se entre si por meio de mensagens assíncronas )Asynchronous Messaging(, em vez de chamadas síncronas, permitindo que muitas VMs sejam executadas de forma independente e armazenadas de forma independente, de forma naturalmente paralela.

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, o sistema mantém em tempo real um gráfico de dependência global ) Dependency Graph (, modelando quais contas são modificadas e lidas em cada transação como relações de dependência. Transações sem conflitos podem ser executadas em paralelo diretamente, enquanto transações com relações de dependência serão agendadas e ordenadas em série ou adiadas conforme a ordem topológica. 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 quebra o modelo tradicional de máquina de estado de thread única EVM, implementando a encapsulação de micro-máquinas virtuais por unidade de conta, realizando o 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 redesignada em todas as dimensões de "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", oferecendo novas ideias em nível de paradigma para a construção da próxima geração de sistemas de alta performance em cadeia.

MegaETH escolheu um caminho de reestruturação: abstrair completamente contas e contratos como VM independentes, liberando o potencial máximo de paralelismo através de agendamento de execução assíncrona. Teoricamente, o limite de paralelismo do MegaETH é mais alto, mas também é mais difícil controlar a complexidade, parecendo mais um super sistema operacional distribuído sob a filosofia do Ethereum.

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A filosofia de design tanto do Monad quanto do MegaETH difere bastante 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 da single-chain na expansão da camada de rede; enquanto o Monad e o MegaETH mantêm a integridade da single-chain, apenas expandindo horizontalmente na camada de execução, rompendo a performance com otimizações de execução paralela extrema dentro da single-chain. Ambos representam duas direções na trajetória de expansão da blockchain: fortalecimento vertical e expansão horizontal.

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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 na cadeia, implementando o processamento paralelo em nível de transação ou de conta através da execução adiada )Deferred Execution( e da micro máquina virtual )Micro-VM(. Enquanto isso, a Pharos Network é uma rede de blockchain L1 modular e full-stack paralela, cujo mecanismo central de computação paralela é chamado de "Rollup Mesh". Esta arquitetura suporta múltiplos ambientes de máquinas virtuais )EVM e Wasm(, através da colaboração entre a rede principal e a rede de processamento especial )SPNs(, integrando tecnologias avançadas como provas de conhecimento zero )ZK( e ambientes de execução confiáveis )TEE(.

Análise do mecanismo de computação paralela Rollup Mesh:

1. Processamento Assíncrono de Pipeline de Ciclo de Vida Completo ): Pharos desacopla as várias fases da transação (, como consenso, execução e armazenamento ), e adota um método de processamento assíncrono, permitindo que cada fase ocorra de forma independente e em paralelo, melhorando assim a eficiência geral do processamento.
2. Execução Paralela de Dual VM (: Pharos suporta dois ambientes de máquina virtual, EVM e WASM, permitindo que os desenvolvedores escolham o ambiente de execução apropriado com base nas 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.
3. Tratamento especial da rede )SPNs(: Os SPNs são componentes-chave na arquitetura Pharos, semelhantes a sub-redes modularizadas, projetadas especificamente 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, melhorando ainda mais a escalabilidade e o desempenho do sistema.
4. Consenso Modular e Mecanismo de Re-staking): Pharos introduziu uma flexibilidade de