Mapa panorâmico do setor de computação paralela Web3: a melhor solução de escalabilidade nativa?
I. Visão Geral das Soluções de Escalabilidade da Blockchain
O "triângulo impossível" da blockchain, que consiste em "segurança", "descentralização" e "escalabilidade", revela o compromisso 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 principais soluções de expansão de blockchain no mercado atualmente são classificadas de acordo com paradigmas, incluindo:
Execução de escalabilidade aprimorada: melhoria da capacidade de execução no local, como paralelismo, GPU e múltiplos núcleos.
Escalabilidade com isolamento de estado: divisão horizontal do estado, como sharding, UTXO, múltiplas sub-redes
Escalabilidade off-chain: colocar a execução 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
Escalabilidade assíncrona e concorrente: modelo Actor, isolamento de processos, orientado a mensagens, como agentes, cadeia assíncrona multithread
As soluções de escalabilidade da blockchain incluem: computação paralela na 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, constituindo um sistema de escalabilidade completo de "cooperação em múltiplas camadas e combinação modular". Este artigo foca principalmente nas formas de escalabilidade com computação paralela como a principal.
Cálculo paralelo dentro da cadeia, focado na execução paralela de transações/instruções dentro dos blocos. 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 a granularidade paralela cada vez mais fina, a intensidade paralela cada vez maior, a complexidade de agendamento também aumentando, assim como a complexidade de programação e a dificuldade de implementação.
Paralelismo a nível de conta: representa o projeto Solana
Paralelismo a nível de objeto: representa o projeto Sui
Paralelismo em nível de transação: representa os projetos Monad, Aptos
Chamadas de nível/micro VM em paralelo: 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 Actor, que pertence a uma outra paradigma de computação paralela. Como sistema de mensagens assíncronas / intercadeias, 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 síncrono. Projetos representativos incluem AO, ICP, Cartesi, entre outros.
Os conhecidos Rollup ou soluções de escalabilidade por sharding pertencem a mecanismos de concorrência a nível de sistema e não a cálculos paralelos dentro da cadeia. Eles alcançam a escalabilidade através da "execução paralela de múltiplas cadeias/dominios de execução", em vez de aumentar o grau de paralelismo dentro de um único bloco/máquina virtual. Este tipo de solução de escalabilidade não é o foco da discussão deste artigo, mas ainda assim iremos utilizá-la para comparações de similaridade e diferença na filosofia de arquitetura.
Dois, EVM Sistema de Cadeia Paralela Aumentada: Rompendo as Fronteiras de Desempenho na Compatibilidade
A arquitetura de processamento em série do Ethereum se desenvolveu até hoje, passando por várias tentativas de escalabilidade, 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 sendo as plataformas de contratos inteligentes com a maior base de desenvolvedores e potencial ecológico. Assim, as cadeias paralelas do EVM, que equilibram a compatibilidade ecológica e a melhoria do desempenho de execução, estão se tornando uma direção importante 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 de execução em atraso e decomposição de estado.
Análise do mecanismo de computação paralela da Monad
Monad é uma blockchain de alto desempenho Layer1 redesenhada para a máquina virtual Ethereum, baseada no conceito fundamental de processamento em pipeline e na execução assíncrona na camada de consenso, além da concorrência otimista na camada de execução. Além disso, na camada de consenso e armazenamento, Monad introduz protocolos BFT de alto desempenho e sistemas de banco de dados dedicados, alcançando 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. Cada fase é executada em threads ou núcleos independentes, permitindo o processamento concorrente entre blocos, com o objetivo final de aumentar a taxa de transferência e reduzir a latência. Essas fases incluem: proposta de transação, consenso, execução da transação e submissão do bloco.
Execução Assíncrona: Desacoplamento Assíncrono de Consenso e Execução
Na cadeia tradicional, o consenso e a execução das transações geralmente são processos síncronos, e esse modelo serial limita severamente a escalabilidade de desempenho. O Monad implementou a camada de consenso assíncrona, a camada de execução assíncrona e o armazenamento assíncrono por meio da "execução assíncrona". Isso reduz significativamente o tempo de bloco e a latência de confirmação, tornando o sistema mais resiliente, com processos mais segmentados e maior eficiência na utilização de recursos.
Design central:
O processo de consenso apenas se responsabiliza pela ordenação das transações, não executa a lógica dos contratos.
O processo de execução é acionado de forma assíncrona após a conclusão do consenso.
Após a conclusão do consenso, entre imediatamente no processo de consenso do próximo bloco, sem necessidade de esperar pela conclusão da execução.
Execução Paralela Otimista：乐观并行执行
O Ethereum tradicional utiliza um modelo de execução estritamente sequencial 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 executará otimisticamente todas as transações em paralelo, assumindo que a maioria das transações não tem conflitos de estado.
Executar simultaneamente um "detetor de conflitos" para monitorizar se as transações acederam ao mesmo estado.
Se um conflito for detectado, as transações em conflito serão serializadas e reexecutadas para garantir a correção do estado.
Monad escolheu um caminho compatível: alterando o mínimo possível as regras do EVM, implementando paralelismo através do adiamento da escrita de estado e da detecção dinâmica de conflitos, assemelhando-se mais a uma versão de desempenho do Ethereum. Sua boa maturidade facilita a migração do ecossistema EVM, sendo um acelerador paralelo no mundo EVM.
Análise do mecanismo de computação paralela do MegaETH
Diferente da localização L1 do Monad, a MegaETH é posicionada 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 ou componente modular na Ethereum. O objetivo central do design é desconstruir a lógica de conta, o ambiente de execução e o estado em unidades mínimas que podem ser agendadas de forma independente, a fim de alcançar uma execução de alta concorrência e capacidade de resposta de baixa latência dentro da cadeia. A inovação chave proposta pela MegaETH é a arquitetura Micro-VM + DAG de Dependência de Estado e o mecanismo de sincronização modular, que juntos constroem um sistema de execução paralela voltado para "threading dentro da cadeia".
Micro-VM Architecture: Account as Thread
MegaETH introduziu o modelo de execução de "uma micro máquina virtual por conta", tornando o ambiente de execução "multithreaded" e fornecendo a unidade mínima de isolamento para o agendamento paralelo. Essas VMs se comunicam por mensagens assíncronas, em vez de chamadas síncronas, permitindo que muitas VMs executem de forma independente e armazenem de forma independente, proporcionando paralelismo natural.
Dependência de Estado 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 dependência global. 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 transações com relações de dependência serão agendadas ou adiadas para execução em ordem topológica. O gráfico de dependência assegura a consistência do estado e a não duplicação de escrita 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 encapsulamento de micro-vm por unidade de conta, agendando 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 todas as dimensões, desde a "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", que oferece uma nova abordagem paradigmática para a construção de sistemas de cadeia on-line 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, assemelhando-se mais a um sistema operacional super distribuído sob a filosofia do Ethereum.
A filosofia de design de Monad e MegaETH difere significativamente da fragmentação: a fragmentação divide a blockchain horizontalmente em várias sub-chains independentes, cada uma responsável por parte das transações e estados, quebrando as limitações de uma única cadeia na expansão 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 única cadeia para superar o desempenho. Ambos representam duas direções no caminho de expansão 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, realizando processamento paralelo em nível de transação ou conta através da execução tardia e da arquitetura de micromáquinas virtuais. O Pharos Network, como uma rede blockchain L1 modular e de pilha completa, possui um mecanismo de computação paralela central chamado "Rollup Mesh". Esta arquitetura suporta um ambiente de múltiplas máquinas virtuais por meio da colaboração entre a rede principal e a rede de processamento especial, integrando tecnologias avançadas como provas de conhecimento zero e ambientes de execução confiáveis.
Análise do mecanismo de computação paralela Rollup Mesh:
Processamento assíncrono de pipeline de ciclo de vida completo: Pharos desacopla as várias fases da transação e utiliza um método de processamento assíncrono, permitindo que cada fase seja realizada de forma independente e em paralelo, aumentando assim a eficiência do processamento geral.
Execução paralela de duas máquinas virtuais: Pharos suporta dois ambientes de máquina virtual, EVM e WASM, permitindo que os desenvolvedores escolham o ambiente de execução adequado de acordo com suas necessidades. Esta arquitetura de dupla VM não só melhora a flexibilidade do sistema, mas também aumenta a capacidade de processamento de transações através da execução paralela.
Rede de Tratamento Especial: 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 alcançar a alocação dinâmica de recursos e o processamento paralelo de tarefas, melhorando ainda mais a escalabilidade e o desempenho do sistema.
Mecanismo de consenso modular e re-staking: Pharos introduziu um mecanismo de consenso flexível, suportando vários modelos de consenso e realizando o compartilhamento seguro e a integração de recursos entre a mainnet e as SPNs através de um protocolo de re-staking.
Além disso, o Pharos reestruturou o modelo de execução a partir do mecanismo de armazenamento de baixo nível, utilizando árvores Merkle de múltiplas versões, codificação diferencial, endereçamento de versões e tecnologia de submersão ADS, lançando o motor de armazenamento de alta performance nativo de blockchain, Pharos Store, que alcança alta taxa de transferência, baixa latência e forte capacidade de processamento on-chain verificável.
No geral, a arquitetura Rollup Mesh da Pharos, através de um design modular e um mecanismo de processamento assíncrono, alcançou uma alta capacidade de computação paralela. A Pharos, como coordenador de agendamento paralelo entre Rollups, não é um otimizador de execução "in-chain", mas suporta tarefas de execução personalizadas heterogêneas através de SPNs.
Além de Monad, MegaETH e Pharos
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Análise panorâmica da computação paralela Web3: O futuro da escalabilidade EVM
Mapa panorâmico do setor de computação paralela Web3: a melhor solução de escalabilidade nativa?
I. Visão Geral das Soluções de Escalabilidade da Blockchain
O "triângulo impossível" da blockchain, que consiste em "segurança", "descentralização" e "escalabilidade", revela o compromisso 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 principais soluções de expansão de blockchain no mercado atualmente são classificadas de acordo com paradigmas, incluindo:
As soluções de escalabilidade da blockchain incluem: computação paralela na 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, constituindo um sistema de escalabilidade completo de "cooperação em múltiplas camadas e combinação modular". Este artigo foca principalmente nas formas de escalabilidade com computação paralela como a principal.
Cálculo paralelo dentro da cadeia, focado na execução paralela de transações/instruções dentro dos blocos. 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 a granularidade paralela cada vez mais fina, a intensidade paralela cada vez maior, a complexidade de agendamento também aumentando, assim como a complexidade de programação e a dificuldade de implementação.
Modelo de concorrência assíncrona fora da cadeia, representado pelo sistema de agentes Actor, que pertence a uma outra paradigma de computação paralela. Como sistema de mensagens assíncronas / intercadeias, 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 síncrono. Projetos representativos incluem AO, ICP, Cartesi, entre outros.
Os conhecidos Rollup ou soluções de escalabilidade por sharding pertencem a mecanismos de concorrência a nível de sistema e não a cálculos paralelos dentro da cadeia. Eles alcançam a escalabilidade através da "execução paralela de múltiplas cadeias/dominios de execução", em vez de aumentar o grau de paralelismo dentro de um único bloco/máquina virtual. Este tipo de solução de escalabilidade não é o foco da discussão deste artigo, mas ainda assim iremos utilizá-la para comparações de similaridade e diferença na filosofia de arquitetura.
Dois, EVM Sistema de Cadeia Paralela Aumentada: Rompendo as Fronteiras de Desempenho na Compatibilidade
A arquitetura de processamento em série do Ethereum se desenvolveu até hoje, passando por várias tentativas de escalabilidade, 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 sendo as plataformas de contratos inteligentes com a maior base de desenvolvedores e potencial ecológico. Assim, as cadeias paralelas do EVM, que equilibram a compatibilidade ecológica e a melhoria do desempenho de execução, estão se tornando uma direção importante 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 de execução em atraso e decomposição de estado.
Análise do mecanismo de computação paralela da Monad
Monad é uma blockchain de alto desempenho Layer1 redesenhada para a máquina virtual Ethereum, baseada no conceito fundamental de processamento em pipeline e na execução assíncrona na camada de consenso, além da concorrência otimista na camada de execução. Além disso, na camada de consenso e armazenamento, Monad introduz protocolos BFT de alto desempenho e sistemas de banco de dados dedicados, alcançando 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. Cada fase é executada em threads ou núcleos independentes, permitindo o processamento concorrente entre blocos, com o objetivo final de aumentar a taxa de transferência e reduzir a latência. Essas fases incluem: proposta de transação, consenso, execução da transação e submissão do bloco.
Execução Assíncrona: Desacoplamento Assíncrono de Consenso e Execução
Na cadeia tradicional, o consenso e a execução das transações geralmente são processos síncronos, e esse modelo serial limita severamente a escalabilidade de desempenho. O Monad implementou a camada de consenso assíncrona, a camada de execução assíncrona e o armazenamento assíncrono por meio da "execução assíncrona". Isso reduz significativamente o tempo de bloco e a latência de confirmação, tornando o sistema mais resiliente, com processos mais segmentados e maior eficiência na utilização de recursos.
Design central:
Execução Paralela Otimista：乐观并行执行
O Ethereum tradicional utiliza um modelo de execução estritamente sequencial 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 escolheu um caminho compatível: alterando o mínimo possível as regras do EVM, implementando paralelismo através do adiamento da escrita de estado e da detecção dinâmica de conflitos, assemelhando-se mais a uma versão de desempenho do Ethereum. Sua boa maturidade facilita a migração do ecossistema EVM, sendo um acelerador paralelo no mundo EVM.
Análise do mecanismo de computação paralela do MegaETH
Diferente da localização L1 do Monad, a MegaETH é posicionada 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 ou componente modular na Ethereum. O objetivo central do design é desconstruir a lógica de conta, o ambiente de execução e o estado em unidades mínimas que podem ser agendadas de forma independente, a fim de alcançar uma execução de alta concorrência e capacidade de resposta de baixa latência dentro da cadeia. A inovação chave proposta pela MegaETH é a arquitetura Micro-VM + DAG de Dependência de Estado e o mecanismo de sincronização modular, que juntos constroem um sistema de execução paralela voltado para "threading dentro da cadeia".
Micro-VM Architecture: Account as Thread
MegaETH introduziu o modelo de execução de "uma micro máquina virtual por conta", tornando o ambiente de execução "multithreaded" e fornecendo a unidade mínima de isolamento para o agendamento paralelo. Essas VMs se comunicam por mensagens assíncronas, em vez de chamadas síncronas, permitindo que muitas VMs executem de forma independente e armazenem de forma independente, proporcionando paralelismo natural.
Dependência de Estado 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 dependência global. 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 transações com relações de dependência serão agendadas ou adiadas para execução em ordem topológica. O gráfico de dependência assegura a consistência do estado e a não duplicação de escrita 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 encapsulamento de micro-vm por unidade de conta, agendando 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 todas as dimensões, desde a "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", que oferece uma nova abordagem paradigmática para a construção de sistemas de cadeia on-line 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, assemelhando-se mais a um sistema operacional super distribuído sob a filosofia do Ethereum.
A filosofia de design de Monad e MegaETH difere significativamente da fragmentação: a fragmentação divide a blockchain horizontalmente em várias sub-chains independentes, cada uma responsável por parte das transações e estados, quebrando as limitações de uma única cadeia na expansão 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 única cadeia para superar o desempenho. Ambos representam duas direções no caminho de expansão 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, realizando processamento paralelo em nível de transação ou conta através da execução tardia e da arquitetura de micromáquinas virtuais. O Pharos Network, como uma rede blockchain L1 modular e de pilha completa, possui um mecanismo de computação paralela central chamado "Rollup Mesh". Esta arquitetura suporta um ambiente de múltiplas máquinas virtuais por meio da colaboração entre a rede principal e a rede de processamento especial, integrando tecnologias avançadas como provas de conhecimento zero e ambientes de execução confiáveis.
Análise do mecanismo de computação paralela Rollup Mesh:
Além disso, o Pharos reestruturou o modelo de execução a partir do mecanismo de armazenamento de baixo nível, utilizando árvores Merkle de múltiplas versões, codificação diferencial, endereçamento de versões e tecnologia de submersão ADS, lançando o motor de armazenamento de alta performance nativo de blockchain, Pharos Store, que alcança alta taxa de transferência, baixa latência e forte capacidade de processamento on-chain verificável.
No geral, a arquitetura Rollup Mesh da Pharos, através de um design modular e um mecanismo de processamento assíncrono, alcançou uma alta capacidade de computação paralela. A Pharos, como coordenador de agendamento paralelo entre Rollups, não é um otimizador de execução "in-chain", mas suporta tarefas de execução personalizadas heterogêneas através de SPNs.
Além de Monad, MegaETH e Pharos