Relatório de Pesquisa Profunda sobre Cálculo Paralelo em Web3: O Caminho Definitivo para Expansão Nativa

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

Desde o seu surgimento, os sistemas de blockchain enfrentam o problema central da escalabilidade. O número de transações por segundo (TPS) do Bitcoin e do Ethereum é ainda muito baixo em comparação com os sistemas Web2 tradicionais. Isso não é algo que possa ser resolvido simplesmente aumentando os servidores, mas é limitado pelo "dilema da descentralização, segurança e escalabilidade" no design subjacente da blockchain.

Nos últimos dez anos, testemunhamos várias tentativas de escalabilidade, desde a disputa de escalabilidade do Bitcoin até o sharding do Ethereum, desde canais de estado até Rollup e blockchains modularizadas. O Rollup, como a atual solução de escalabilidade predominante, alcançou o objetivo de aumentar significativamente o TPS. No entanto, ele não chegou ao verdadeiro limite de "desempenho de única cadeia" da blockchain, especialmente no nível de execução, que ainda é limitado por este antigo paradigma de computação em série dentro da cadeia.

O cálculo paralelo dentro da cadeia está gradualmente a entrar no radar da indústria. Ele tenta reestruturar completamente o motor de execução, mantendo a atomicidade de uma única cadeia, elevando a blockchain de "execução sequencial de transações uma a uma" para um sistema de alta concorrência de "multithreading + pipeline + agendamento de dependências". Isso não só pode alcançar um aumento de centenas de vezes na capacidade de processamento, como também pode se tornar a condição prévia chave para a explosão de aplicações de contratos inteligentes.

Solana, Sui, Aptos e outras novas cadeias foram as primeiras a introduzir a paralelização ao nível da arquitetura. Projetos como Monad e MegaETH levaram ainda mais a paralelização interna da cadeia a quebras de mecanismos mais profundos, como execução em pipeline, concorrência otimista e mensagens assíncronas, apresentando características cada vez mais próximas de sistemas operativos modernos.

Pode-se dizer que a computação paralela não é apenas uma "técnica de otimização de desempenho", mas também um ponto de virada no paradigma do modelo de execução da blockchain. Ela desafia o modelo fundamental da execução de contratos inteligentes, redefinindo a lógica básica de empacotamento de transações, acesso ao estado, relações de chamadas e layout de armazenamento. Se Rollup é "realizar transações fora da cadeia", então a computação paralela na cadeia é "construir um núcleo de supercomputação na cadeia", cujo objetivo é fornecer um suporte de infraestrutura verdadeiramente sustentável para as aplicações nativas do Web3 no futuro.

Após a homogeneização no espaço Rollup, a paralelização on-chain está se tornando a variável decisiva na competição Layer1 do novo ciclo. A próxima geração de plataformas de execução soberanas no mundo Web3 pode muito bem emergir desse embate de paralelização on-chain.

Dois, Panorama do Paradigma de Escalonamento: Cinco Tipos de Rotações, Cada Uma com Seu Foco

A escalabilidade, como um dos tópicos mais importantes, contínuos e difíceis de abordar 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 dos blocos do Bitcoin, essa competição técnica sobre "como fazer a cadeia funcionar mais rapidamente" acabou se dividindo em cinco grandes rotas básicas, cada uma abordando o gargalo de uma maneira diferente, com suas próprias filosofias tecnológicas, dificuldades de implementação, modelos de risco e cenários de aplicação.

A primeira categoria de rotas é a escalabilidade on-chain mais direta, representando práticas como aumentar o tamanho do bloco, reduzir o tempo de geração de blocos, ou melhorar a capacidade de processamento através da otimização da estrutura de dados e do mecanismo de consenso. Este método tornou-se o foco da disputa de escalabilidade do Bitcoin, gerando bifurcações "de grandes blocos" como BCH e BSV, e também influenciou o pensamento de design de blockchains de alto desempenho como EOS e NEO. Este tipo de rota mantém a simplicidade da consistência de uma única cadeia, é fácil de entender e implementar, mas também é suscetível a riscos de centralização, aumento dos custos de operação dos nós e dificuldades de sincronização, entre outros limites sistêmicos. Portanto, no design atual, já não é uma solução central predominante, mas tornou-se mais um complemento a outros mecanismos.

A segunda categoria de rotas é a escalabilidade off-chain, cujo representante são os canais de estado e as sidechains. A ideia básica dessa abordagem é transferir a maior parte das atividades de transação para fora da cadeia, escrevendo apenas o resultado final na cadeia principal, que atua como camada de liquidação final. Em termos de filosofia técnica, isso se aproxima da ideia de arquitetura assíncrona do Web2. Embora essa abordagem possa teoricamente escalar a capacidade de throughput indefinidamente, problemas como o modelo de confiança em transações off-chain, a segurança dos fundos e a complexidade da interação limitam sua aplicação. Um exemplo típico é a Lightning Network, que, apesar de ter um posicionamento claro de cenário financeiro, nunca conseguiu explodir em escala ecológica; enquanto várias designs baseados em sidechains, como o Polygon POS, expuseram as desvantagens de não conseguir herdar a segurança da cadeia principal, mesmo com alto throughput.

A terceira categoria de rotas é a rota Layer2 Rollup, que atualmente é a mais popular e amplamente implementada. Este método não altera diretamente a própria cadeia principal, mas realiza a escalabilidade por meio 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 desafio e no mecanismo de prova de fraude; o segundo é altamente seguro, com boa capacidade de compressão de dados, mas é complexo de desenvolver e tem baixa compatibilidade com EVM. Independentemente de qual tipo de Rollup, sua essência é terceirizar o poder de execução, mantendo ao mesmo tempo os dados e a verificação na cadeia principal, alcançando um equilíbrio relativo entre descentralização e alta performance. O crescimento rápido de projetos como Arbitrum, Optimism, zkSync e StarkNet prova a viabilidade desse caminho, mas também expõe a forte dependência da disponibilidade de dados, custos ainda elevados e uma experiência de desenvolvimento fragmentada como gargalos de médio prazo.

A quarta categoria de rotas é a arquitetura de blockchain modular que surgiu nos últimos anos, representada por projetos como Celestia, Avail e EigenLayer. O paradigma modular defende a desacoplagem das funções centrais da blockchain, com várias cadeias especializadas realizando diferentes funções, que são então combinadas em uma rede escalável por meio de protocolos de cross-chain. Essa direção é fortemente influenciada pela arquitetura modular de sistemas operacionais e pela ideia de composição na computação em nuvem, com a vantagem de permitir a substituição flexível de componentes do sistema e, em etapas específicas (, como DA), aumentar drasticamente a eficiência. No entanto, seus desafios são bastante evidentes: após o desacoplamento modular, os custos de sincronização, validação e confiança mútua entre os sistemas são extremamente altos, e o ecossistema de desenvolvedores é extremamente disperso, com requisitos para padrões de protocolos de médio e longo prazo e segurança de cross-chain muito superiores aos da design de cadeias tradicionais. Essencialmente, esse modelo não visa construir uma "cadeia", mas sim construir uma "rede de cadeias", o que impõe um patamar sem precedentes em termos de compreensão da arquitetura geral e operações.

A última categoria de rotas, que é o foco da análise posterior deste artigo, é o caminho de otimização de computação paralela dentro da cadeia. Ao contrário das quatro primeiras categorias, que realizam uma "divisão horizontal" principalmente a partir da perspectiva estrutural, a computação paralela enfatiza a "atualização vertical", ou seja, dentro de uma única cadeia, através da mudança da arquitetura do motor de execução, alcançando o processamento concorrente de transações atômicas. Isso requer a reescrita da lógica de agendamento da VM, a introdução de 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 computacionais modernos. Solana foi um dos primeiros projetos a implementar o conceito de VM paralela em sistemas de nível de cadeia, realizando a execução paralela multicore através do julgamento de conflitos de transação baseado em um modelo de conta. Projetos de nova geração como Monad, Sei, Fuel, MegaETH, entre outros, avançam ainda mais ao tentar introduzir execução em pipeline, concorrência otimista, partição de armazenamento, desacoplamento paralelo e outras ideias de ponta, para construir um núcleo de execução de alto desempenho semelhante a uma CPU moderna. A principal vantagem dessa direção é que não requer a dependência de uma arquitetura de múltiplas cadeias para alcançar uma quebra de limite de throughput, ao mesmo tempo em que oferece flexibilidade computacional suficiente para a execução de contratos inteligentes complexos, sendo um pré-requisito técnico importante para cenários de aplicação voltados para futuros Agentes de IA, jogos em grande escala na cadeia e derivados de alta frequência.

Ao considerar os cinco tipos de caminhos de escalabilidade mencionados, a verdadeira divisão por trás deles é, na verdade, o equilíbrio sistêmico entre desempenho, combinabilidade, segurança e complexidade de desenvolvimento no blockchain. Rollup se destaca na terceirização de consenso e herança de segurança, a modularidade enfatiza a flexibilidade estrutural e a reutilização de componentes, a escalabilidade fora da cadeia tenta romper o gargalo da cadeia principal, mas o custo de confiança é elevado, enquanto a paralelização dentro da cadeia foca na atualização fundamental da camada de execução, tentando se aproximar do limite de desempenho dos sistemas distribuídos modernos sem comprometer a consistência interna da cadeia. Cada caminho não pode resolver todos os problemas, mas são essas direções que, juntas, formam o panorama da atualização do paradigma computacional do Web3, fornecendo opções estratégicas extremamente ricas para desenvolvedores, arquitetos e investidores.

Assim como, na história, os sistemas operacionais passaram de núcleo único para múltiplos núcleos, e os bancos de dados evoluíram de índices sequenciais para transações concorrentes, o caminho de escalabilidade do Web3 também acabará por entrar numa era de execução altamente paralela. Nesta era, o desempenho não é mais apenas uma competição de velocidade da cadeia, mas sim uma expressão abrangente da filosofia de design subjacente, da profundidade de compreensão da arquitetura, da colaboração entre hardware e software, e do controle do sistema. E a paralelização dentro da cadeia pode ser o campo de batalha final desta longa guerra.

Três, Mapa de Classificação de Computação Paralela: Cinco principais 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 superação de desempenho. Diferente do desacoplamento horizontal das camadas de estrutura, rede ou disponibilidade de dados, a computação paralela é uma escavação vertical na camada de execução, relacionada à lógica mais fundamental da eficiência operacional da blockchain, que determina a velocidade de resposta e a capacidade de processamento de um sistema de blockchain ao enfrentar alta concorrência e transações complexas de múltiplos tipos. A partir do modelo de execução, ao revisar o desenvolvimento desta linhagem tecnológica, podemos elaborar um mapa de classificação claro da computação paralela, que pode ser aproximadamente dividido em cinco caminhos técnicos: paralelismo em nível de conta, paralelismo em nível de objeto, paralelismo em nível de transação, paralelismo em nível de máquina virtual e paralelismo em nível de instrução. Esses cinco tipos de caminhos, desde o granulado grosso até o granulado fino, representam não apenas um processo de refinamento contínuo da lógica paralela, mas também um caminho em que a complexidade do sistema e a dificuldade de agendamento aumentam continuamente.

A paralelização a nível de contas, que surgiu mais cedo, é representada pelo paradigma do Solana. Este modelo é baseado no design desacoplado de conta-estado, que, através da análise estática do conjunto de contas envolvidas nas transações, determina se existem relações de conflito. Se os conjuntos de contas acessados por duas transações não se sobrepuserem, elas podem ser executadas em paralelo em múltiplos núcleos. Este mecanismo é muito adequado para lidar com transações cuja estrutura é clara e cujas entradas e saídas são definidas, especialmente em programas de DeFi e outros caminhos previsíveis. No entanto, sua 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 diminuição da paralelização quando enfrenta contratos inteligentes complexos. Além disso, a dependência cruzada entre contas também faz com que os benefícios da paralelização sejam severamente reduzidos em certos cenários de negociação de alta frequência. O runtime do Solana já implementou uma otimização significativa nesta área, mas sua estratégia de agendamento central ainda está limitada pela granularidade das contas.

Com base no modelo de contas, refinamos ainda mais e entramos no nível técnico de paralelismo a nível de objeto. O paralelismo a nível de objeto introduz uma abstração semântica de recursos e módulos, realizando agendamento concorrente com unidades de "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 assim um controle preciso de conflitos de acesso a recursos em tempo de execução. Essa abordagem, em comparação com o paralelismo a nível de conta, é mais versátil e escalável, 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. No entanto, o paralelismo a nível de objeto também introduz uma barreira linguística mais alta e complexidade de desenvolvimento, com a Move não sendo uma substituição direta do Solidity, e o custo de transição do ecossistema sendo elevado, limitando a velocidade de difusão de seu paradigma paralelo.

A paralelização em nível de transação mais avançada é uma direção explorada por novas gerações de cadeias de alto desempenho representadas por Monad, Sei e Fuel. Este caminho não considera mais o estado ou a conta como a unidade mínima de paralelismo, mas constrói um gráfico de dependência em torno da própria transação. Ele vê a transação como uma unidade de operação atômica, construindo um gráfico de transações por meio de análise estática ou dinâmica, e depende de um agendador para execução em pipeline concorrente. 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 (OCC), agendamento em pipeline paralelo, execução fora de ordem e outras tecnologias modernas de motores de banco de dados, aproximando a execução da cadeia do paradigma de "agendador de GPU". Na prática, este mecanismo exige gerenciadores de dependência e detectores de conflitos extremamente complexos, e o próprio agendador pode se tornar um gargalo, mas sua capacidade potencial de throughput é muito maior do que a de modelos de conta ou objeto, tornando-se uma força com o maior teto teórico na atual corrida pela computação paralela.

E a paralelização a nível de máquina virtual incorpora diretamente a capacidade de execução concorrente na lógica de agendamento de instruções subjacente à VM, buscando romper as limitações fixas da execução sequencial do EVM. O MegaETH, como um "experimento de super máquina virtual" dentro do ecossistema Ethereum, está tentando, através do redesenho do EVM, suportar a execução concorrente de código de contratos inteligentes em múltiplas threads. Através de mecanismos como execução segmentada, separação de estados e chamadas assíncronas, permite que cada contrato funcione de forma independente em diferentes contextos de execução, e utiliza uma camada de sincronização paralela para garantir.