Relatório de Pesquisa Profunda sobre Computação Paralela em Web3: O Caminho Definitivo para a Expansão Nativa

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

Desde o nascimento do Bitcoin, os sistemas de blockchain enfrentam o problema central da escalabilidade. A capacidade de processamento de transações do Bitcoin e do Ethereum é limitada, contrastando fortemente com os sistemas Web2 tradicionais. Isso não é algo que pode ser resolvido simplesmente aumentando o hardware, mas sim resulta de limitações sistémicas no design subjacente da blockchain.

Nos últimos dez anos, testemunhamos a ascensão e a queda de diversas soluções de escalabilidade. Desde a disputa pela escalabilidade do Bitcoin até a visão de sharding do Ethereum, passando pelos canais de estado, Rollup, Layer 2 e blockchains modulares, a indústria explorou várias rotas de escalabilidade. O Rollup, como a solução dominante atualmente, aumenta o TPS enquanto preserva a segurança do Ethereum. No entanto, ele não atingiu o verdadeiro limite de "desempenho de cadeia única" da camada base da blockchain, especialmente no que diz respeito à execução.

O cálculo paralelo dentro da cadeia está gradualmente a entrar na visão da indústria. Ele tenta reestruturar completamente o motor de execução, mantendo a atomicidade de uma única cadeia, atualizando a blockchain de "execução de transações em série uma a uma" para um sistema de alta concorrência "multithreading + pipeline + agendamento de dependências". Isso não apenas pode alcançar centenas de vezes de melhoria na capacidade de processamento, mas também pode tornar-se a premissa-chave para a explosão das aplicações de contratos inteligentes.

Na verdade, no campo do Web2, a computação de thread única já foi eliminada. E a blockchain, como um sistema que exige alta determinística, nunca conseguiu aproveitar plenamente a computação paralela. Novas cadeias como Solana, Sui e Aptos introduziram paralelismo a nível de arquitetura, iniciando essa exploração; enquanto projetos como Monad e MegaETH levaram ainda mais a paralelização dentro da cadeia a um nível mais profundo, apresentando características cada vez mais próximas dos sistemas operacionais modernos.

Pode-se dizer que a computação paralela não é apenas um meio de otimização de desempenho, mas também um ponto de viragem no modelo de execução da blockchain. Ela redefine a lógica básica do processamento de transações, proporcionando uma infraestrutura sustentável para aplicações nativas do futuro Web3. Após a convergência na corrida de Rollup, a paralelização dentro da cadeia está se tornando um fator decisivo na nova rodada de competição Layer1. Isso não é apenas uma corrida tecnológica, mas também uma luta de paradigmas. A próxima geração de plataformas de execução soberana no mundo Web3 provavelmente surgirá dessa batalha pela paralelização dentro da cadeia.

II. Panorama dos Paradigmas de Escalabilidade: Cinco Tipos de Rotas, Cada Uma com Seu Foco

A escalabilidade, como um dos tópicos mais importantes na evolução da tecnologia de blockchain pública, gerou o surgimento e a evolução de quase todos os caminhos tecnológicos principais na última década. Desde o início da disputa sobre o tamanho do bloco do Bitcoin, esta competição tecnológica sobre "como fazer a cadeia funcionar mais rápido" acabou por se dividir em cinco rotas básicas, cada uma com sua própria filosofia técnica, dificuldade de implementação, modelo de risco e cenários de aplicação.

A primeira classe é a mais direta de escalabilidade on-chain, como aumentar o tamanho dos blocos, reduzir o tempo de geração de blocos, etc. Esta abordagem é fácil de entender e implementar, mas pode facilmente alcançar riscos de centralização e outros limites sistêmicos, e atualmente já não é a solução central predominante.

A segunda categoria é a expansão fora da cadeia, representada por canais de estado e cadeias laterais. Esse tipo de caminho transfere a maior parte das atividades de transação para fora da cadeia, escrevendo apenas o resultado final na cadeia principal. Embora teoricamente possa expandir a capacidade de processamento indefinidamente, o modelo de confiança das transações fora da cadeia, a segurança dos fundos e outros problemas limitam sua aplicação.

A terceira classe é a rota Layer2 Rollup mais popular atualmente. A expansão é realizada através de um mecanismo de execução fora da cadeia e validação na cadeia. Optimistic Rollup e ZK Rollup têm suas vantagens, mas também apresentam alguns gargalos a médio prazo, como uma forte dependência da disponibilidade de dados e custos ainda elevados.

A quarta categoria é a arquitetura de blockchain modular que surgiu nos últimos anos, como Celestia, Avail, entre outros. Ela desacopla completamente as funções principais da blockchain, sendo realizadas por várias cadeias especializadas que completam diferentes funções. A vantagem nesta direção é a flexibilidade na substituição dos componentes do sistema, mas também enfrenta desafios como sincronização e validação entre os módulos.

A quinta categoria é o caminho de otimização de cálculo paralelo dentro da cadeia, que também é o objeto de análise principal deste artigo. Ela enfatiza a mudança na arquitetura do motor de execução dentro de uma única cadeia, permitindo o processamento concorrente de transações atomizadas. A principal vantagem dessa abordagem é que não depende de uma arquitetura de múltiplas cadeias para alcançar uma quebra nos limites de throughput, ao mesmo tempo que fornece flexibilidade de cálculo suficiente para a execução de contratos inteligentes complexos.

Analisando estas cinco categorias de caminhos de escalabilidade, o que está por trás reflete o equilíbrio sistemático entre desempenho, combinabilidade, segurança e complexidade de desenvolvimento no blockchain. Cada caminho não pode resolver todos os problemas, mas juntos formam um panorama da atualização do paradigma computacional do Web3. E a paralelização dentro da cadeia pode ser o campo de batalha final nesta longa guerra de escalabilidade.

Três, Mapa de Classificação de Cálculo Paralelo: Os Cinco Principais Caminhos da Conta aos Comandos

No processo de evolução contínua das tecnologias de escalabilidade da blockchain, a computação paralela tornou-se gradualmente o caminho central para a superação de desempenho. A partir do modelo de execução, podemos elaborar 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 granulação grossa a granulação fina, sendo tanto um processo de refinamento constante da lógica paralela quanto um caminho em que a complexidade do sistema e a dificuldade de agendamento estão em constante ascensão.

O primeiro nível de paralelismo a nível de conta, representado pelo Solana. Este modelo baseia-se no design desacoplado de conta-estado, analisando estaticamente o conjunto de contas envolvidas nas transações para determinar se existem relações de conflito. Este mecanismo é adequado para lidar com transações com estrutura clara, mas ao enfrentar contratos inteligentes complexos, pode ocorrer uma diminuição do paralelismo.

A paralelização em nível de objeto é refinada ainda mais, realizando a programação concorrente em unidades de "objetos de estado" de granulação mais fina. Aptos e Sui são importantes exploradores nessa direção. Essa abordagem é mais universal e escalável em comparação com a paralelização em nível de conta, mas também introduz uma barreira linguística mais alta e complexidade de desenvolvimento.

A paralelização em nível de transação é uma direção explorada pela nova geração de cadeias de alto desempenho representadas por Monad, Sei e Fuel. Ela considera as transações como unidades de operação atômica, construindo um gráfico de transações por meio de análise estática ou dinâmica, e depende de um agendador para a execução em fluxo concorrente. Este mecanismo requer gerenciadores de dependência e detectores de conflito extremamente complexos, mas sua capacidade de throughput potencial é muito superior à de modelos de conta ou objeto.

A paralelização em nível de máquina virtual incorpora a capacidade de execução concorrente diretamente na lógica de agendamento de instruções da VM. O MegaETH, como um "experimento de super máquina virtual" dentro do ecossistema Ethereum, está tentando redesenhar o EVM para suportar a execução concorrente de código de contratos inteligentes em múltiplas threads. A maior dificuldade desta abordagem é que ela deve ser completamente compatível com a semântica do comportamento existente do EVM, ao mesmo tempo em que reforma todo o ambiente de execução e o mecanismo de Gas.

A última categoria é a paralelização a nível de instrução, cuja ideia se origina na execução fora de ordem e no pipeline de instrução do design moderno de CPUs. A equipe da Fuel já introduziu um modelo de execução reordenável a nível de instrução em seu FuelVM. Este método pode até levar a cooperação entre blockchain e hardware a um novo patamar, tornando a cadeia uma verdadeira "computador descentralizado".

Em suma, esses cinco caminhos constituem o espectro de desenvolvimento da computação paralela dentro da cadeia, desde estruturas de dados estáticas até mecanismos de escalonamento dinâmico, desde previsão de acesso ao estado até reordenação em nível de instrução, cada avanço na tecnologia paralela significa um aumento significativo na complexidade do sistema e na barreira de desenvolvimento. A escolha do caminho paralelo por diferentes blockchains também determinará o limite de capacidade de seu futuro ecossistema de aplicativos, bem como sua competitividade central em cenários como Agentes de IA, jogos em cadeia e negociação de alta frequência em cadeia.

Quatro, Análise Profunda das Duas Principais Pistas: Monad vs MegaETH

No caminho múltiplo da evolução da computação paralela, as duas principais rotas tecnológicas que atualmente atraem mais atenção do mercado são a "construção do cadeado de computação paralela a partir do zero", representada pelo Monad, e a "revolução paralela interna do EVM", representada pelo MegaETH. Ambas não são apenas as direções de pesquisa e desenvolvimento nas quais os engenheiros de criptografia estão mais intensamente envolvidos, mas também são os dois símbolos mais determinados na competição de desempenho dos computadores Web3. A divisão entre as duas não está apenas no ponto de partida e no estilo da arquitetura técnica, mas também na diferença radical nos objetos ecológicos que elas servem, nos custos de migração, na filosofia de execução e nas estratégias futuras.

Monad é um "fundamentalista do cálculo" absoluto, cuja filosofia de design não tem como objetivo ser compatível com a EVM existente, mas sim se inspirar em bancos de dados modernos e sistemas multicore de alto desempenho para redefinir a forma de funcionamento do motor de execução da blockchain. Seu sistema tecnológico central baseia-se em controle de concorrência otimista, agendamento de DAG de transações, execução fora de ordem, pipelines de processamento em lote e outros mecanismos, visando elevar o desempenho de processamento de transações da cadeia para a escala 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 de transações e depois entrega ao escalonador para execução paralela em pipeline. Todas as transações são tratadas como unidades atômicas de transação, com conjuntos de leitura e escrita claramente definidos e instantâneas de estado, o escalonador executa de forma otimista com base no gráfico de dependência, e em caso de conflito, realiza rollback e reexecução.

E o mais importante é que o Monad não abriu mão da interoperabilidade com a EVM. Ele suporta desenvolvedores na escrita de contratos usando a sintaxe Solidity através de uma camada intermediária semelhante a "Linguagem Intermediária Compatível com Solidity", enquanto realiza otimizações de linguagem intermediária e agendamento paralelo no motor de execução. Essa estratégia de design de "compatibilidade superficial e reestruturação de fundo" permite que mantenha a amigabilidade para os desenvolvedores do ecossistema Ethereum, ao mesmo tempo que libera ao máximo o potencial de execução de fundo.

Ao contrário da postura de "construtor de um novo mundo" da Monad, o MegaETH opta por partir do mundo existente do Ethereum, buscando uma melhoria significativa na eficiência de execução com um custo de alteração muito baixo. O MegaETH não revoga a norma EVM, mas procura incorporar a capacidade de computação paralela no motor de execução EVM existente, criando uma futura versão de "EVM multicore". Seu princípio básico reside na reestruturação completa do modelo de execução de instruções EVM atual, dotando-o de capacidades como isolamento em nível de thread, execução assíncrona em nível de contrato e detecção de conflitos de acesso ao estado, permitindo assim que múltiplos contratos inteligentes operem simultaneamente dentro do mesmo bloco, e finalmente combinem as alterações no estado.

A principal inovação do MegaETH reside em seu mecanismo de agendamento de múltiplas threads na VM. O EVM tradicional adota um modelo de execução de thread única em pilha, onde cada instrução é executada linearmente e a atualização de estado deve ocorrer de forma síncrona. No entanto, o MegaETH rompe esse padrão, introduzindo uma pilha de chamadas assíncronas e um mecanismo de isolamento do contexto de execução, permitindo assim a execução simultânea de "contextos EVM concorrentes". Cada contrato pode chamar sua lógica em uma thread independente, enquanto todas as threads, ao submeter finalmente o estado, realizam a detecção de conflitos e a convergência do estado por meio de uma camada de sincronização paralela.

De certa forma, as duas abordagens Monad e MegaETH não são apenas duas maneiras de implementar caminhos tecnológicos paralelos, mas sim uma clássica oposição entre os "reconstrutores" e os "compatibilistas" na trajetória do desenvolvimento da blockchain: a primeira busca uma ruptura de paradigma, reconstruindo toda a lógica desde a máquina virtual até a gestão de estado de baixo nível, para alcançar desempenho extremo e plasticidade arquitetônica; a segunda busca uma otimização progressiva, empurrando os sistemas tradicionais ao limite, respeitando as restrições do ecossistema existente, de modo a minimizar ao máximo os custos de migração. Não há uma absoluta superioridade entre os dois, mas eles atendem a diferentes grupos de desenvolvedores e visões ecológicas.

Cinco, Oportunidades e Desafios Futuros da Computação Paralela

À medida que a computação paralela passa gradualmente do design em papel para a implementação na cadeia, seu potencial está se tornando cada vez mais concreto e mensurável. Por um lado, observamos que novos paradigmas de desenvolvimento e modelos de negócios começam a redefinir-se em torno da "alta performance na cadeia": lógicas de jogos em cadeia mais complexas, ciclos de vida de Agentes de IA mais reais, protocolos de troca de dados mais em tempo real, experiências de interação mais imersivas, e até mesmo um sistema operacional Super App colaborativo na cadeia, tudo isso está se transformando de "se pode fazer" para "quão bem se pode fazer". Por outro lado, o que realmente impulsiona a transição da computação paralela não é apenas a melhoria linear do desempenho do sistema, mas sim uma mudança estrutural nos limites de compreensão dos desenvolvedores e nos custos de migração do ecossistema.

Primeiro, do ponto de vista das oportunidades, o benefício mais direto é a "remoção do teto de aplicação". Atualmente, a maioria das aplicações DeFi, jogos e sociais estão limitadas por gargalos de estado, custos de Gas e problemas de latência.