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

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

Desde o nascimento do Bitcoin, os sistemas de blockchain têm enfrentado um problema central inescapável: a escalabilidade. O Bitcoin processa menos de 10 transações por segundo, e o Ethereum também tem dificuldade em ultrapassar a barreira de dezenas de TPS, o que o torna particularmente pesado em comparação com o mundo tradicional do Web2. Mais importante ainda, isso não é algo que pode ser resolvido simplesmente aumentando os servidores, mas está profundamente enraizado em limitações sistêmicas no design subjacente da blockchain.

Nos últimos dez anos, testemunhamos a ascensão e queda de inúmeras tentativas de escalabilidade. Desde a disputa de escalabilidade do Bitcoin até a visão de fragmentação do Ethereum, passando pelos canais de estado, Plasma, Rollup e blockchains modularizadas, até a execução off-chain de Layer 2 e a reestruturação estrutural da disponibilidade de dados, toda a indústria percorreu um caminho de escalabilidade cheio de imaginação. O Rollup, como o paradigma de escalabilidade mais amplamente aceito atualmente, alcançou o objetivo de aumentar significativamente o TPS, aliviando ao mesmo tempo a carga da cadeia principal. No entanto, ele não tocou o verdadeiro limite de "desempenho de cadeia única" no nível da blockchain, especialmente na execução, que ainda está limitada pelo antigo paradigma de cálculo em série dentro da cadeia.

Assim, a computação paralela dentro da cadeia começou a entrar na visão da indústria. Diferente da escalabilidade fora da cadeia e da distribuição entre cadeias, a computação paralela dentro da cadeia tenta, mantendo a atomicidade de uma única cadeia, reestruturar completamente o motor de execução, guiando-se pelos princípios modernos de sistemas operacionais e design de CPUs, atualizando a blockchain do modo "execução de transações uma a uma" em um modelo de thread única para um sistema de computação de alta concorrência "multithreading + pipeline + agendamento de dependências". Isso não só pode possibilitar um aumento de centenas de vezes na taxa de transferência, como também pode se tornar a condição chave para a explosão das aplicações de contratos inteligentes.

Pode-se dizer que a computação paralela não é apenas um "método de otimização de desempenho", mas sim um ponto de viragem no paradigma do modelo de execução da blockchain. Ela desafia o modelo fundamental da execução de contratos inteligentes, redefinindo a lógica básica do empacotamento de transações, acesso ao estado, relações de chamada e disposição de armazenamento. Se Rollup é "levar as transações para serem executadas fora da cadeia", então a paralelização na cadeia é "construir um núcleo de supercomputador na cadeia", cujo objetivo não é apenas aumentar a taxa de transferência, mas sim fornecer um verdadeiro suporte de infraestrutura sustentável para as aplicações nativas do Web3 no futuro.

Após a homogeneização gradual na corrida dos Rollups, a paralelização dentro da cadeia está silenciosamente se tornando uma variável decisiva na competição Layer 1 do novo ciclo. O desempenho não é mais apenas sobre ser "mais rápido", mas sim sobre a possibilidade de sustentar todo um mundo de aplicações heterogêneas. Isto não é apenas uma corrida tecnológica, mas sim uma luta por paradigmas. A próxima geração da plataforma de execução soberana no mundo Web3 pode muito bem nascer dessa luta pela paralelização dentro da cadeia.

Dois, 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 de abordar na evolução da tecnologia de blockchain, deu origem a quase todos os caminhos tecnológicos principais que surgiram e evoluíram na última década. Desde o início da disputa sobre o tamanho do bloco do Bitcoin, esta competição técnica sobre "como fazer a cadeia funcionar mais rápido" acabou por se dividir em cinco rotas básicas, cada uma abordando o gargalo a partir de diferentes ângulos, com suas próprias filosofias tecnológicas, dificuldades de implementação, modelos de risco e cenários de aplicação.

A primeira classe de soluções é a expansão on-chain mais direta, representada por práticas como aumentar o tamanho dos blocos, reduzir o tempo de criação de blocos ou melhorar a capacidade de processamento através da otimização da estrutura de dados e do mecanismo de consenso. Esta abordagem mantém a simplicidade da consistência de uma única cadeia, sendo fácil de entender e implementar, mas também pode facilmente tocar em riscos de centralização, aumento dos custos operacionais dos nós e maior dificuldade de sincronização, entre outros limites sistêmicos. Portanto, no design atual, já não é a solução central predominante, mas sim mais uma combinação auxiliar de outros mecanismos.

A segunda categoria de rotas é a escalabilidade off-chain, representada por canais de estado e sidechains. A ideia fundamental dessa abordagem é transferir a maior parte das atividades de transação para fora da cadeia, escrevendo apenas os resultados finais na cadeia principal, que atua como camada de liquidação final. Embora essa abordagem possa teoricamente escalar indefinidamente em termos de throughput, questões como o modelo de confiança das transações off-chain, a segurança dos fundos e a complexidade das interações limitam sua aplicação.

A terceira categoria de rotas refere-se à rota Layer2 Rollup, que é atualmente a mais popular e amplamente implantada. Este método realiza a escalabilidade através de um mecanismo de execução fora da cadeia e validação na cadeia. Optimistic Rollup e ZK Rollup têm suas vantagens, mas ambos enfrentam gargalos de médio prazo, como uma dependência excessiva em relação à disponibilidade de dados, custos ainda elevados e uma experiência de desenvolvimento fragmentada.

A quarta categoria de rotas é a arquitetura de blockchain modular que surgiu nos últimos anos. O paradigma modular defende o desacoplamento total das funções principais da blockchain, permitindo que várias cadeias especializadas cumpram diferentes funções, que são então combinadas em uma rede escalável por meio de protocolos de cross-chain. A vantagem dessa abordagem é a capacidade de substituir componentes do sistema de forma flexível e aumentar significativamente a eficiência em etapas específicas. No entanto, seus desafios também são bastante evidentes: após o desacoplamento dos módulos, os custos de sincronização, validação e confiança mútua entre os sistemas são extremamente altos, e o ecossistema de desenvolvedores é extremamente disperso.

A última classe de rotas é o caminho de otimização do cálculo paralelo dentro da cadeia. O cálculo paralelo enfatiza a "atualização vertical", ou seja, dentro de uma única cadeia, através da alteração da arquitetura do motor de execução, para alcançar o processamento concorrente de transações atômicas. Isso requer reescrever a lógica de agendamento da VM, introduzindo uma análise de dependência de transações, previsão de conflitos de estado, controle de paralelismo, chamadas assíncronas e um conjunto completo de mecanismos de agendamento de sistemas modernos de computação. A principal vantagem dessa direção é que não é necessário depender de uma arquitetura de múltiplas cadeias para alcançar uma quebra nos limites de throughput, ao mesmo tempo que fornece flexibilidade computacional suficiente para a execução de contratos inteligentes complexos, sendo um pré-requisito técnico importante para cenários de aplicação futuros, como Agentes de IA, jogos em cadeia de grande escala e derivados de alta frequência.

Três, Mapa de Classificação de Cálculo Paralelo: cinco grandes caminhos desde a conta até a instrução.

No contexto da evolução contínua das tecnologias de escalabilidade da blockchain, a computação paralela tornou-se gradualmente o caminho central para a quebra de desempenho. Partindo do modelo de execução, ao revisitar a linha do tempo de desenvolvimento deste espectro tecnológico, podemos traçar um mapa de classificação claro da computação paralela, que pode ser aproximadamente 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 caminhos variam de grosso a fino, sendo um processo contínuo de refinamento da lógica paralela, assim como um caminho em que a complexidade do sistema e a dificuldade de agendamento aumentam constantemente.

A primeira aparição da paralelização a nível de contas é representada por um paradigma de uma determinada plataforma de negociação. 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. Se o conjunto de contas acessadas por duas transações não se sobrepuser, elas podem ser executadas em paralelo em múltiplos núcleos. Este mecanismo é muito adequado para lidar com transações com estruturas bem definidas e entradas e saídas claras, especialmente programas com caminhos previsíveis, como DeFi. No entanto, a sua suposição inata é que o acesso às contas é previsível e a dependência do estado pode ser inferida estaticamente, o que leva a problemas de execução conservadora e diminuição do grau de paralelismo quando confrontado com contratos inteligentes complexos.

Com base no modelo de contas, refinamos ainda mais e entramos no nível técnico da paralelização em nível de objeto. A paralelização em nível de objeto introduz uma abstração semântica de recursos e módulos, permitindo a programação concorrente com unidades de "objetos de estado" de granularidade mais fina. Alguns projetos, por meio do sistema de tipos lineares da linguagem Move, definem em tempo de compilação a propriedade e a mutabilidade dos recursos, permitindo um controle preciso do acesso a conflitos de recursos em tempo de execução. Esse método é mais universal e escalável em comparação com a paralelização em nível de conta, podendo abranger lógicas de leitura e escrita de estado mais complexas e, por sua natureza, atende a cenários de alta heterogeneidade, como jogos, redes sociais e IA. No entanto, a paralelização em nível de objeto também introduz um maior nível de dificuldade na linguagem e complexidade de desenvolvimento, com altos custos de transição no ecossistema, limitando a velocidade de popularização de seu paradigma paralelo.

A paralelização em nível de transação, mais avançada, é a direção explorada pelas novas cadeias de alto desempenho. Este caminho não considera mais o estado ou a conta como a menor unidade de paralelização, mas sim constrói um gráfico de dependência em torno da própria transação. Ele vê as transações como unidades atômicas de operação, construindo um gráfico de transações através de análise estática ou dinâmica, e depende de um escalonador para executar a execução em fluxo concorrente. Este design permite que o sistema maximize a exploração da paralelização sem a necessidade de entender completamente a estrutura de estado subjacente. Alguns projetos combinam controle de concorrência otimista, escalonamento de pipeline paralelo, execução fora de ordem e outras tecnologias modernas de mecanismos de banco de dados, tornando a execução da cadeia mais próxima do paradigma do "escalonador GPU". Na prática, esse mecanismo requer gerenciadores de dependência e detectores de conflitos extremamente complexos, e o próprio escalonador pode se tornar um gargalo, mas sua capacidade de processamento potencial é muito superior ao modelo de conta ou objeto, tornando-se uma das forças com o maior teto teórico na atual corrida da computação paralela.

A paralelização a nível de máquina virtual insere a capacidade de execução concorrente diretamente na lógica de agendamento de instruções na base da VM, buscando romper totalmente as limitações fixas da execução sequencial do EVM. Alguns projetos, como "experimentos de super máquina virtual" dentro do ecossistema Ethereum, estão tentando redesenhar o EVM para que suporte a execução concorrente de código de contratos inteligentes em múltiplas threads. Através de mecanismos como execução segmentada, separação de estados e chamadas assíncronas, cada contrato pode operar de forma independente em diferentes contextos de execução, utilizando uma camada de sincronização paralela para garantir a consistência final. A maior dificuldade desse método reside na necessidade de ser completamente compatível com a semântica de comportamento do EVM existente, enquanto reforma todo o ambiente de execução e o mecanismo de Gas, permitindo uma migração suave do ecossistema para a estrutura paralela. O desafio não é apenas a profundidade da pilha tecnológica, mas também envolve a aceitação da estrutura política do Ethereum L1 em relação a mudanças significativas nos protocolos. No entanto, se for bem-sucedido, isso pode se tornar a "revolução dos processadores multinúcleo" no campo do EVM.

A última categoria de caminhos, ou seja, a mais granular e com maior barreira técnica, é a paralelização em nível de instrução. Sua ideia se origina na execução fora de ordem e no pipeline de instruções do design moderno de CPUs. Este paradigma acredita que, uma vez que cada contrato inteligente é finalmente compilado em instruções de bytecode, é totalmente possível, como uma CPU executando o conjunto de instruções x86, realizar análise de agendamento e reordenação paralela para cada operação. Alguns projetos já introduziram um modelo de execução reordenável em nível de instrução em suas VMs, e a longo prazo, uma vez que o motor de execução da blockchain implemente a execução preditiva e a reordenação dinâmica das dependências de instrução, seu grau de paralelismo atingirá o limite teórico. Essa abordagem pode até mesmo levar o design colaborativo entre blockchain e hardware a uma nova altura, fazendo da cadeia um verdadeiro "computador descentralizado", e não apenas um "livro razão distribuído". Claro, esse caminho ainda está na fase teórica e experimental, e os agendadores e mecanismos de validação de segurança relevantes ainda não estão maduros, mas ele indica o limite final da computação paralela no futuro.

Quatro, duas grandes áreas principais explicadas: Monad vs MegaETH

No evoluir múltiplo da computação paralela, as duas principais rotas tecnológicas, que atualmente têm mais foco no mercado, maior clamor e narrativa mais completa, são, sem dúvida, a "construção de uma cadeia de computação paralela a partir do zero" representada pelo Monad, e a "revolução da paralelização interna do EVM" representada pelo MegaETH. Ambas não são apenas as direções de pesquisa e desenvolvimento mais intensamente perseguidas pelos engenheiros de criptografia atuais, mas também os símbolos mais determinísticos da competição de desempenho dos computadores Web3. A distinção entre elas não reside apenas no ponto de partida e no estilo da arquitetura técnica, mas também nos objetos ecológicos que servem, nos custos de migração, na filosofia de execução e nas diferentes trajetórias estratégicas futuras. Elas representam, respectivamente, uma competição de paradigma paralelo de "reconstrucionismo" e "compatibilismo", influenciando profundamente a imaginação do mercado sobre a forma final das cadeias de alto desempenho.

Monad é um "purista do cálculo" radical, cuja filosofia de design não visa a compatibilidade com a EVM existente, mas sim se inspira em bancos de dados modernos e sistemas multicore de alto desempenho para redefinir a forma como o motor de execução da blockchain opera em nível fundamental. Seu sistema técnico 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 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 de transações, que é então entregue ao planejador para execução paralela em pipeline. Todas as transações são vistas como unidades atômicas de transação.