Relatório de pesquisa aprofundada sobre computação paralela em Web3: O caminho definitivo para a escalabilidade nativa

Prefácio: A escalabilidade é um tema eterno, e a paralelização é o campo de batalha definitivo

Desde a sua criação, os sistemas de blockchain enfrentam o problema central da escalabilidade. O gargalo de desempenho do Bitcoin e do Ethereum é muito inferior ao dos sistemas tradicionais Web2. Isso não é algo que possa ser resolvido simplesmente aumentando o número de servidores, mas sim uma limitação sistêmica derivada do design subjacente da blockchain - o dilema das "três dificuldades": descentralização, segurança e escalabilidade.

Nos últimos dez anos, temos testemunhado inúmeras tentativas de escalabilidade, desde a disputa de escalabilidade do Bitcoin até a fragmentação do Ethereum, passando por canais de estado e Rollup e blockchains modularizadas. O Rollup, como a solução de escalabilidade predominante atualmente, embora tenha alcançado um aumento significativo no TPS, ainda não tocou no verdadeiro limite de "desempenho de cadeia única" na camada subjacente da blockchain, especialmente na execução, que ainda é limitada pelo cálculo serial dentro da cadeia.

O cálculo paralelo dentro da cadeia está gradualmente se tornando o foco da indústria. Ele tenta reestruturar completamente o mecanismo de execução, mantendo a atomicidade de uma única cadeia, atualizando a blockchain de "execução de transações uma a uma" para um sistema de alta concorrência de "múltiplas threads + pipeline + agendamento de dependências". Isso não só pode trazer aumentos de throughput de centenas de vezes, como também pode se tornar a base fundamental para a explosão de aplicações de contratos inteligentes.

A computação paralela desafia o modelo fundamental da execução de contratos inteligentes, redefinindo a lógica básica do empacotamento de transações, acesso ao estado, relações de chamada e layout de armazenamento. O seu objetivo não é apenas aumentar a taxa de transferência, mas também fornecer um suporte de infraestrutura verdadeiramente sustentável para as aplicações nativas da Web3 no futuro.

Após a homogeneização na corrida do Rollup, a paralelização dentro da cadeia está se tornando a variável decisiva na competição do Layer1 do novo ciclo. Isto não é apenas uma corrida tecnológica, mas uma luta pelo paradigma. A próxima geração de plataformas de execução soberanas no mundo Web3, muito provavelmente, surgirá dessa luta pela paralelização dentro da cadeia.

Panorama do Paradigma de Escalabilidade: Cinco Tipos de Rotas, Cada Uma com seu Foco

A escalabilidade, como um dos tópicos mais importantes, contínuos e difíceis na evolução da tecnologia de blockchain, gerou o surgimento e a evolução de quase todos os caminhos tecnológicos principais na última década. Começando com a disputa sobre o tamanho do bloco do Bitcoin, essa competição técnica sobre "como fazer a cadeia funcionar mais rápido" resultou na diferenciação de cinco rotas básicas, cada uma abordando o gargalo de diferentes ângulos, com suas próprias filosofias tecnológicas, dificuldades de implementação, modelos de risco e cenários de aplicação.

A primeira categoria de rotas é a expansão on-chain mais direta, representando práticas como o aumento do tamanho dos blocos, a redução do tempo de criação de blocos ou a melhoria da capacidade de processamento através da otimização da estrutura de dados e do mecanismo de consenso. Este método mantém a simplicidade da consistência de uma única cadeia, sendo fácil de entender e implantar, mas também é suscetível a riscos de centralização, aumento dos custos de operação dos nós e dificuldade de sincronização, entre outros limites sistêmicos. Por isso, no design atual, já não é mais uma solução central, mas tornou-se mais uma combinação auxiliar de outros mecanismos.

A segunda categoria de rotas é a expansão off-chain, representada por canais de estado e sidechains. A ideia básica dessa abordagem é transferir a maior parte da atividade de transações para fora da cadeia, escrevendo apenas o resultado final na cadeia principal, que atua como a camada de liquidação final. Embora essa abordagem possa teoricamente escalar infinitamente em termos de throughput, problemas como o modelo de confiança das transações off-chain, a segurança dos fundos e a complexidade das interações limitam sua aplicação.

A terceira rota é a rota Layer2 Rollup atualmente mais popular e amplamente implementada. Este método realiza a escalabilidade através de um mecanismo de execução fora da cadeia e verificação na cadeia. Optimistic Rollup e ZK Rollup têm suas vantagens: o primeiro é rápido e altamente compatível, mas enfrenta problemas de atraso no período de contestação e na mecânica de prova de fraude; o segundo é altamente seguro e possui boa capacidade de compressão de dados, mas é complexo de desenvolver e tem compatibilidade insuficiente com EVM.

A quarta categoria de rotas é a arquitetura de blockchain modular que surgiu nos últimos anos, representada por Celestia, Avail, EigenLayer, entre outros. Esta direção defende a desacoplamento completo das funções principais do blockchain - execução, consenso, disponibilidade de dados, liquidação - sendo realizadas por várias cadeias especializadas que completam diferentes funções, e depois combinadas em uma rede escalável através de protocolos de cross-chain.

A última categoria de rotas é o caminho de otimização de computação paralela dentro da cadeia. Ao contrário das quatro primeiras categorias que realizam "divisão horizontal" principalmente a partir da camada estrutural, a computação paralela enfatiza "atualização vertical", ou seja, dentro de uma única cadeia, alcançando o processamento concorrente de transações atomizadas através da mudança na arquitetura do mecanismo de execução. Solana foi um dos primeiros projetos a implementar o conceito de VM paralela em sistemas a nível de cadeia. Projetos de nova geração como Monad, Sei, Fuel, MegaETH, entre outros, vão ainda mais longe ao tentar introduzir execução em pipeline, concorrência otimista, partição de armazenamento e desacoplamento paralelo, construindo núcleos de execução de alto desempenho semelhantes a CPUs modernas.

Mapa de Classificação de Computação Paralela: As Cinco Principais Rotas de Conta a Instrução

No contexto da evolução contínua das tecnologias de escalabilidade em blockchain, a computação paralela tornou-se gradualmente o caminho central para a superação de desempenho. A partir do modelo de execução, ao revisitar a trajetória de desenvolvimento deste espectro tecnológico, podemos delinear um mapa de classificação claro da computação paralela, que pode ser dividido em cinco caminhos técnicos: paralelismo a nível de conta, paralelismo a nível de objeto, paralelismo a nível de transação, paralelismo a nível de máquina virtual e paralelismo a nível de instrução. Esses cinco tipos de caminhos vão de grosso a fino, sendo tanto um processo de constante refinamento da lógica paralela quanto um caminho em que a complexidade do sistema e a dificuldade de agendamento continuam a aumentar.

O primeiro nível de paralelismo em nível de conta é representado pelo paradigma do Solana. Este modelo é baseado no design desacoplado entre conta e estado, e avalia, através da análise estática, o conjunto de contas envolvidas nas transações para determinar se existem relações de conflito. Se os conjuntos de contas acessados por duas transações não se sobrepõem, elas podem ser executadas em paralelo em múltiplos núcleos. Este mecanismo é muito adequado para lidar com transações que têm uma estrutura clara e entradas e saídas definidas, especialmente programas com caminhos previsíveis, como DeFi. No entanto, a suposição inerente é que o acesso às contas é previsível e que a dependência de estado pode ser inferida estaticamente, o que leva a problemas de execução conservadora e redução do paralelismo quando se lida com contratos inteligentes complexos.

Com base no modelo de contas, refinamos ainda mais e entramos no nível técnico de paralelismo em nível de objeto. O paralelismo em nível de objeto introduz uma abstração semântica de recursos e módulos, permitindo o agendamento concorrente com base em "objetos de estado" de granularidade mais fina. Aptos e Sui são exploradores importantes nessa direção, especialmente o último, que através do sistema de tipos lineares da linguagem Move, define em tempo de compilação a propriedade e a mutabilidade dos recursos, permitindo um controle preciso sobre os conflitos de acesso a recursos em tempo de execução. Este método é mais versátil e escalável em comparação ao paralelismo em nível de contas, podendo cobrir lógicas de leitura e escrita de estado mais complexas, e serve naturalmente a cenários de alta heterogeneidade como jogos, redes sociais e IA.

A paralelização a nível de transação mais avançada é a direção explorada por novas gerações de blockchains de alto desempenho, representadas por Monad, Sei e Fuel. Este caminho não considera mais o estado ou a conta como a menor unidade de paralelismo, mas sim constrói um gráfico de dependência em torno da própria transação. Ele vê a transação como uma unidade de operação atômica, construindo o gráfico de transações através de análises estáticas ou dinâmicas, e depende do agendador para executar em paralelo. Este design permite que o sistema maximize a exploração do paralelismo sem a necessidade de entender completamente a estrutura de estado subjacente. Monad é especialmente notável, pois combina controle de concorrência otimista, agendamento de pipeline paralelo, execução fora de ordem e outras tecnologias modernas de motores de banco de dados, aproximando a execução da blockchain do paradigma de "agendador GPU".

A paralelização em nível de máquina virtual incorpora a capacidade de execução concorrente diretamente na lógica de agendamento de instruções de baixo nível da VM, buscando romper completamente as limitações intrínsecas da execução sequencial do EVM. O MegaETH, como "experimento de supermáquina virtual" dentro do ecossistema Ethereum, está tentando redesenhar o EVM para suportar a execução concorrente de contratos inteligentes em múltiplas threads. Sua base permite que cada contrato opere de forma independente em diferentes contextos de execução através de mecanismos como execução segmentada, separação de estados e chamadas assíncronas, e utiliza uma camada de sincronização paralela para garantir a consistência final.

A última categoria de caminhos, ou seja, a mais granular e com maior barreira técnica, é a execução paralela a nível de instrução. Essa ideia se origina da execução fora de ordem e do pipeline de instrução no design moderno de CPUs. Este paradigma acredita que, uma vez que cada contrato inteligente é finalmente compilado em instruções de bytecode, é perfeitamente viável, assim como a CPU executando o conjunto de instruções x86, realizar a análise de agendamento e a reorganização paralela de cada operação. A equipe da Fuel já introduziu um modelo de execução reordenável a nível de instrução em seu FuelVM, e a longo prazo, uma vez que o mecanismo de execução da blockchain implemente a execução preditiva e a reorganização dinâmica das dependências de instrução, seu grau de paralelismo atingirá o limite teórico.

Duas grandes vertentes de competição: Monad vs MegaETH

No caminho múltiplo da evolução da computação paralela, as duas principais rotas tecnológicas que atualmente recebem mais atenção, são as mais discutidas e têm a narrativa mais completa, sem dúvida, representam a "cadeia de computação paralela construída do zero" liderada pelo Monad, e a "revolução paralela interna do EVM" representada pelo MegaETH. Ambas não são apenas as direções de pesquisa e desenvolvimento mais intensamente focadas pelos engenheiros de criptografia atuais, mas também simbolizam os dois polos mais definitivos na competição por desempenho computacional do Web3.

Monad é um "purista do computacionalismo" completo, cuja filosofia de design não visa a compatibilidade com o EVM existente, mas sim se inspirar em bancos de dados modernos e sistemas multi-core de alto desempenho para redefinir a maneira como o motor de execução da blockchain opera. Seu sistema tecnológico central baseia-se em mecanismos maduros da área de bancos de dados, como controle de concorrência otimista, agendamento de DAG de transações, execução fora de ordem, e pipelines de processamento em lote, com o objetivo de elevar o desempenho de processamento de transações da cadeia para a ordem de milhões de TPS. Na arquitetura Monad, a execução e a ordenação das transações são completamente desacopladas; o sistema primeiro constrói um gráfico de dependência das transações e, em seguida, entrega ao escalonador para execução paralela em fluxo. Todas as transações são consideradas unidades atômicas de transação, com conjuntos de leitura e gravação claros e um instantâneo de estado, e o escalonador realiza a execução otimista com base no gráfico de dependência, revertendo e reexecutando em caso de conflitos.

E o mais importante é que a Monad não abandonou a interoperabilidade com a EVM. Ela suporta os desenvolvedores na escrita de contratos usando a sintaxe Solidity através de uma camada intermediária semelhante a "Linguagem Intermediária Compatível com Solidity", enquanto realiza otimização da linguagem intermediária e agendamento paralelo no motor de execução. Esta estratégia de design "compatível na superfície, reestruturada na base" permite que mantenha a amizade com os desenvolvedores do ecossistema Ethereum, ao mesmo tempo que libera ao máximo o potencial de execução subjacente, sendo uma estratégia técnica típica de "engolir a EVM e depois desconstruí-la".

Ao contrário da postura de "construtor de um novo mundo" da Monad, o MegaETH é um tipo de projeto completamente oposto, que escolhe partir do mundo existente do Ethereum, alcançando um aumento significativo na eficiência de execução com um custo de mudança muito baixo. O MegaETH não derruba a norma EVM, mas se esforça para incorporar a capacidade de computação paralela no motor de execução da EVM existente, criando uma versão futura de "EVM multi-core". Seu princípio básico reside na reestruturação completa do modelo de execução de instruções da EVM atual, permitindo isolamento em nível de thread, execução assíncrona em nível de contrato, detecção de conflitos de acesso ao estado, entre outras capacidades, permitindo que múltiplos contratos inteligentes sejam executados simultaneamente dentro do mesmo bloco e, finalmente, unifiquem as mudanças de estado. Este modelo exige que os desenvolvedores não precisem alterar os contratos Solidity existentes, nem utilizem novas linguagens ou ferramentas, podendo obter ganhos de desempenho significativos simplesmente ao implantar os mesmos contratos na cadeia MegaETH.

A principal inovação do MegaETH reside no seu mecanismo de agendamento multithread da VM. O EVM tradicional adota um modelo de execução de thread única baseado em pilha, onde cada instrução é executada linearmente e a atualização do estado deve ocorrer de forma sincronizada. O MegaETH rompe com esse padrão, introduzindo a pilha de chamadas assíncronas e um mecanismo de isolamento do contexto de execução, permitindo a execução simultânea de "contextos EVM concorrentes". Cada contrato pode invocar sua própria lógica em uma thread independente, enquanto todas as threads, ao submeter o estado final, realizam a detecção de conflitos e convergência de forma unificada através de uma camada de sincronização paralela. Este mecanismo é muito semelhante ao modelo de multithreading do JavaScript em navegadores modernos, mantendo a determinabilidade do comportamento da thread principal e introduzindo um mecanismo de agendamento de alto desempenho assíncrono em segundo plano.

Mais importante ainda, o MegaETH optou por estar profundamente ligado ao ecossistema Ethereum, e o seu principal ponto de aterragem no futuro provavelmente será em alguma rede EVM L2 Rollup, como Optimism, Base ou