Relatório de pesquisa profunda sobre computação paralela 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 seu surgimento, os sistemas de blockchain enfrentam o problema central da escalabilidade. Os gargalos de desempenho do Bitcoin e do Ethereum são difíceis de superar, o que contrasta fortemente com o mundo tradicional do Web2. O problema da escalabilidade está profundamente enraizado no design subjacente da blockchain, refletindo o dilema de que "descentralização, segurança e escalabilidade" não podem ser alcançados simultaneamente.

Nos últimos dez anos, a tecnologia de escalabilidade passou por várias iterações. Desde a guerra de escalabilidade do Bitcoin até o sharding do Ethereum, desde canais de estado até Rollup, desde Layer 2 até a reestruturação da disponibilidade de dados, a indústria explorou caminhos de escalabilidade cheios de imaginação. Rollup, como o paradigma de escalabilidade predominante atualmente, melhora o TPS enquanto mantém a segurança do Ethereum. No entanto, não atingiu o verdadeiro limite de "desempenho de cadeia única" da blockchain, especialmente porque o nível de execução ainda é limitado por este antigo paradigma de computação serial dentro da cadeia.

A computação paralela dentro da cadeia está gradualmente entrando na visão da indústria. Ela tenta reestruturar completamente o motor de execução, mantendo a estrutura de cadeia única, elevando a blockchain de "execução sequencial de transações" para um sistema de alta concorrência de "multithreading + pipeline + agendamento de dependências". Isso não apenas pode alcançar uma melhoria de vários centenas de vezes na taxa de transferência, mas também pode se tornar a premissa chave para a explosão das aplicações de contratos inteligentes.

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

Após a homogeneização na corrida dos Rollups, a paralelização dentro da cadeia está se tornando uma variável decisiva na competição Layer1 do novo ciclo. O desempenho não é mais apenas "mais rápido", mas sim a possibilidade de suportar um mundo de aplicações heterogêneas. Isso não é apenas uma competição técnica, mas uma luta por paradigmas. A próxima geração de plataformas 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 temas mais importantes, duradouros e difíceis na evolução da tecnologia de blockchain, gerou o surgimento e a evolução de quase todos os caminhos tecnológicos principais na última década. Desde a 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 grandes rotas básicas, cada uma abordando o gargalo de ângulos diferentes, com suas próprias filosofias técnicas, dificuldades de implementação, modelos de risco e cenários de aplicação.

A primeira classe 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. Esta abordagem tornou-se o foco da disputa de escalabilidade do Bitcoin, gerando forks da "grande bloco", como BCH e BSV, e também influenciou o pensamento de design de blockchains de alto desempenho como EOS e NEO. As vantagens dessa rota são que ela mantém a simplicidade da consistência de uma única cadeia, sendo fácil de entender e implementar, mas também é muito suscetível a riscos de centralização, aumento dos custos de operação dos nós e dificuldade de sincronização, entre outros limites sistêmicos. Portanto, no design atual, já não é mais uma proposta central mainstream, mas tornou-se mais um complemento auxiliar a outros mecanismos.

A segunda categoria de rotas é a escalabilidade off-chain, representada por canais de estado e sidechains. A ideia básica dessas rotas é transferir a maior parte das atividades de transação para fora da cadeia, registrando apenas o resultado final na cadeia principal, que atua como camada final de liquidação. Em termos de filosofia técnica, isso se aproxima da ideia de arquitetura assíncrona do Web2. Embora essa abordagem possa teoricamente escalar indefinidamente 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. Um exemplo típico é a Lightning Network, que embora tenha uma clara localização de cenários financeiros, nunca conseguiu explodir em escala ecológica; enquanto várias designs baseadas em sidechains, como Polygon POS, expuseram as desvantagens de não conseguir herdar a segurança da cadeia principal, ao mesmo tempo que oferecem alta capacidade de throughput.

A terceira rota é a mais popular e amplamente implementada atualmente: a rota Layer2 Rollup. Esse método não altera diretamente a própria cadeia principal, mas implementa a escalabilidade por meio de execução fora da cadeia e um mecanismo de validação na cadeia. O Optimistic Rollup e o ZK Rollup têm suas vantagens: o primeiro é rápido e tem alta compatibilidade, mas enfrenta problemas de atraso no período de desafio e mecanismos de prova de fraude; o segundo é seguro, tem boa capacidade de compressão de dados, mas é complexo de desenvolver e tem compatibilidade insuficiente com EVM. Independentemente do tipo de Rollup, sua essência é terceirizar o poder de execução, mantendo os dados e a validação na cadeia principal, alcançando um equilíbrio relativo entre descentralização e alto desempenho. O rápido crescimento de projetos como Arbitrum, Optimism, zkSync e StarkNet prova a viabilidade desse caminho, mas também expõe limitações de médio prazo, como dependência excessiva da disponibilidade de dados, custos ainda altos e uma experiência de desenvolvimento fragmentada.

A quarta categoria de rotas é a arquitetura de blockchain modular que surgiu nos últimos anos, representada por Celestia, Avail, EigenLayer, entre outros. O paradigma modular defende a desacoplamento completo das funções principais da blockchain, sendo realizadas por várias cadeias especializadas que, em seguida, se combinam em uma rede escalável através de protocolos de cross-chain. Essa direção é profundamente influenciada pela arquitetura modular de sistemas operacionais e pela ideia de computação em nuvem composta, com a vantagem de poder substituir componentes do sistema de forma flexível e aumentar significativamente a eficiência em etapas específicas. No entanto, os desafios também são bastante evidentes: após o desacoplamento modular, os custos de sincronização, verificação e confiança entre sistemas são extremamente altos, o ecossistema de desenvolvedores é extremamente disperso, e os requisitos para padrões de protocolo de médio e longo prazo e segurança de cross-chain são muito mais altos do que no design de cadeias tradicionais. Esse modelo, essencialmente, não constrói mais uma "cadeia", mas sim uma "rede de cadeias", apresentando um novo patamar de entendimento e operação para a arquitetura geral.

A última categoria de rotas, que é o objeto de análise focada deste artigo, é o caminho de otimização de cálculo paralelo dentro da cadeia. Diferente das quatro primeiras categorias que realizam "divisão horizontal" principalmente do ponto de vista estrutural, o cálculo paralelo enfatiza a "atualização vertical", ou seja, dentro de uma única cadeia, ao mudar a arquitetura do mecanismo de execução, é possível realizar o processamento concorrente de transações atômicas. Isso exige a reescrita da lógica de agendamento da VM, introduzindo uma série de mecanismos modernos de agendamento de sistemas computacionais, como análise de dependência de transações, previsão de conflitos de estado, controle de paralelismo e chamadas assíncronas. Solana foi um dos primeiros projetos a implementar o conceito de VM paralela em um sistema a nível de cadeia, realizando a execução paralela multicore através de um julgamento de conflito de transações baseado em modelo de conta. Projetos de nova geração como Monad, Sei, Fuel, MegaETH, entre outros, estão tentando ainda mais introduzir conceitos de execução em pipeline, concorrência otimista, partição de armazenamento e desacoplamento paralelo, construindo um núcleo de execução de alto desempenho semelhante a uma CPU moderna. A principal vantagem nessa direção é que não é necessário depender de uma arquitetura de múltiplas cadeias para alcançar um rompimento 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 Classificatório de Computação Paralela: As Cinco Grandes Rotas de Contas a Instruções

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 nas camadas de estrutura, camada de rede ou camada de disponibilidade de dados, a computação paralela é uma exploração profunda na camada de execução, relacionada à lógica mais básica da eficiência operacional da blockchain, determinando a velocidade de resposta e a capacidade de processamento de um sistema blockchain ao enfrentar alta concorrência e transações complexas de múltiplos tipos. Partindo do modelo de execução, ao rever a evolução desta linhagem tecnológica, podemos traçar um mapa de classificação claro da computação paralela, que pode ser aproximadamente dividido em cinco caminhos tecnológicos: 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. Estes cinco tipos de caminhos vão desde granularidade grossa até granularidade fina, representando não apenas um processo de refinamento contínuo da lógica paralela, mas também um aumento constante na complexidade do sistema e na dificuldade de agendamento.

O primeiro nível de paralelismo a nível de contas é representado pelo paradigma da Solana. Este modelo baseia-se num design desacoplado de contas e estados, analisando estáticamente 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, podem ser executadas em paralelo em múltiplos núcleos. Este mecanismo é particularmente adequado para lidar com transações claramente estruturadas, com entradas e saídas definidas, especialmente em programas de DeFi, onde os caminhos são previsíveis. No entanto, a suposição inerente é que o acesso às contas é previsível e que a dependência do estado pode ser inferida estaticamente, o que pode levar a uma execução conservadora e a uma diminuição do paralelismo quando confrontado com contratos inteligentes complexos. Além disso, a interdependência cruzada entre contas também reduz severamente os ganhos de paralelismo em certos cenários de negociação de alta frequência. O runtime da Solana já implementou uma otimização altamente eficaz neste aspecto, mas a sua estratégia de agendamento central ainda é limitada pela granularidade das contas.

Baseando-se no modelo de contas, refinamos ainda mais ao entrar no nível técnico de paralelismo em nível de objeto. O paralelismo em nível de objeto introduz a abstração semântica de recursos e módulos, realizando o agendamento concorrente com unidades de "objetos de estado" de granularidade mais fina. Aptos e Sui são importantes exploradores 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 controle preciso sobre os conflitos de acesso a recursos em tempo de execução. Este método é mais universal e escalável em comparação com o paralelismo em nível de conta, podendo abranger lógicas de leitura e escrita de estado mais complexas, e serve naturalmente a cenários de alta heterogeneidade, como jogos, redes sociais, IA, entre outros. No entanto, o paralelismo em nível de objeto também introduz uma barreira linguística maior e complexidade de desenvolvimento, sendo que Move não é um substituto direto para Solidity, e o custo de transição ecológica é elevado, limitando a velocidade de difusão de seu paradigma paralelo.

A parallelismo de nível de transação mais avançado é a direção explorada por uma nova geração de cadeias de alto desempenho, representada 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 transação como um todo. Ele vê as transações como unidades de operação atômica, construindo o gráfico de transações através de análises estáticas ou dinâmicas e confiando no agendador para a execução paralela em fluxo. Este design permite que o sistema maximize a extração de paralelismo sem precisar entender completamente a estrutura de estado subjacente. Monad é particularmente notável, pois combina controle de concorrência otimista, agendamento de pipeline paralelo, execução fora de ordem e outras técnicas modernas de motores de banco de dados, aproximando a execução da cadeia do paradigma de "agendador GPU". Na prática, esse mecanismo requer gerenciadores de dependência e detectores de conflito extremamente complexos, e o próprio agendador pode se tornar um gargalo, mas sua capacidade potencial de throughput é muito superior ao modelo de conta ou objeto, tornando-se uma força com o maior teto teórico no atual campo de computação paralela.

A paralelização a nível de máquina virtual integra diretamente a capacidade de execução concorrente na lógica de agendamento de instruções da VM, visando superar completamente as limitações intrínsecas da execução sequencial do EVM. O MegaETH, como um "experimento de supermáquina virtual" dentro do ecossistema Ethereum, está tentando redesenhar o EVM para suportar a execução concorrente de código de contratos inteligentes em múltiplas threads. Sua base utiliza mecanismos como execução segmentada, isolamento de estado e chamadas assíncronas, permitindo que cada contrato funcione de forma independente em diferentes contextos de execução e garantindo a consistência final através de uma camada de sincronização paralela. A maior dificuldade deste método reside no fato de que ele deve ser completamente compatível com a semântica de comportamento do EVM existente, ao mesmo tempo que transforma todo o ambiente de execução e o mecanismo de Gas, permitindo uma migração suave do ecossistema Solidity para a estrutura paralela. O desafio não é apenas a profundidade do stack tecnológico, mas também envolve a aceitação de mudanças significativas no protocolo pela estrutura política do Ethereum L1. Mas, se for bem-sucedido, o MegaETH pode se tornar a "revolução do processador multinúcleo" na área do EVM.

A última categoria de caminhos, ou seja, a mais granular e com o maior nível de complexidade técnica, é a paralelização em nível de instrução. Esta ideia origina-se da execução fora de ordem e do pipeline de instruções no design moderno de CPUs. Este paradigma acredita que, uma vez que cada contrato inteligente é finalmente compilado em instruções de bytecode, é totalmente possível, assim como uma CPU executando o conjunto de instruções x86, realizar análise de agendamento e reordenação paralela para cada operação. A equipe da Fuel já introduziu um modelo de execução com reordenação em nível de instrução em seu FuelVM, e a longo prazo, uma vez que o motor de execução da blockchain implemente a execução preditiva de dependências de instruções e reordenação dinâmica, seu nível de paralelismo atingirá o limite teórico. Esta abordagem pode até elevar a colaboração entre blockchain e hardware a uma nova altura, fazendo da cadeia uma verdadeira "computadora descentralizada", e não apenas um "livro-razão distribuído". Claro, este caminho...