Academia de Crescimento Huobi| Relatório de pesquisa aprofundada de computação paralela Web3: o caminho definitivo para o dimensionamento nativo

1. Introdução: A escala é uma proposta eterna e o paralelismo é o campo de batalha final

Desde o nascimento do Bitcoin, o sistema blockchain sempre enfrentou um problema central inevitável: a escala. O Bitcoin processa menos de 10 transações por segundo, e o Ethereum luta para romper o gargalo de desempenho de dezenas de TPS (transações por segundo), o que é particularmente complicado no mundo tradicional da Web2, que geralmente é de dezenas de milhares de TPS. Mais importante, este não é um problema simples que pode ser resolvido "adicionando servidores", mas uma limitação sistêmica profundamente enraizada no consenso subjacente e no design estrutural do blockchain - ou seja, o triângulo impossível do blockchain onde "descentralização, segurança e escalabilidade" não podem ser combinados.

Na última década, vimos inúmeras tentativas de expansão subirem e caírem. Da guerra de escalonamento do Bitcoin à visão de fragmentação do Ethereum, de canais de estado e plasma a rollups e blockchains modulares, da execução off-chain na Camada 2 à refatoração estrutural da disponibilidade de dados, toda a indústria embarcou em um caminho de escalonamento cheio de imaginação de engenharia. Como o paradigma de dimensionamento mais amplamente aceito, o rollup atingiu o objetivo de aumentar significativamente o TPS, reduzindo a carga de execução da cadeia principal e preservando a segurança do Ethereum. Mas não toca nos limites reais do "desempenho de cadeia única" subjacente do blockchain, especialmente no nível de execução, que é a taxa de transferência do próprio bloco – ainda é limitado pelo antigo paradigma de processamento de computação serial on-chain.

Por causa disso, a computação paralela in-chain entrou gradualmente no campo de visão da indústria. Diferente do dimensionamento off-chain e da distribuição cross-chain, o paralelismo intra-chain tenta reconstruir completamente o mecanismo de execução, mantendo a atomicidade de cadeia única e a estrutura integrada, e atualiza o blockchain de um modo single-threaded de "execução serial de uma transação por uma" para um sistema de computação de alta simultaneidade de "multi-threading + pipeline + agendamento de dependência" sob a orientação do sistema operacional moderno e do design da CPU. Esse caminho pode não apenas alcançar um aumento de cem vezes na taxa de transferência, mas também pode se tornar um pré-requisito fundamental para a explosão de aplicativos de contratos inteligentes.

Na verdade, no paradigma de computação Web2, a computação single-threaded foi eliminada há muito tempo por arquiteturas de hardware modernas e substituída por um fluxo interminável de modelos de otimização, como programação paralela, agendamento assíncrono, pools de threads e microsserviços. Blockchain, como um sistema de computação mais primitivo e conservador com requisitos extremamente altos de certeza e verificabilidade, nunca foi capaz de fazer pleno uso dessas ideias de computação paralela. Isso é uma limitação e uma oportunidade. Novas cadeias como Solana, Sui e Aptos são as primeiras a iniciar essa exploração, introduzindo o paralelismo no nível arquitetônico. Projetos emergentes como Monad e MegaETH elevaram ainda mais o paralelismo on-chain para avanços em mecanismos profundos, como execução de pipeline, simultaneidade otimista e controle assíncrono de mensagens, mostrando características que estão cada vez mais próximas dos sistemas operacionais modernos.

Pode-se dizer que a computação paralela não é apenas um "método de otimização de desempenho", mas também um ponto de virada no paradigma do modelo de execução de blockchain. Ele desafia os padrões fundamentais de execução de contratos inteligentes e redefine a lógica básica de empacotamento de transações, acesso de estado, relacionamentos de chamadas e layout de armazenamento. Se o rollup está "movendo transações para execução off-chain", então o paralelismo on-chain é "construindo núcleos de supercomputação on-chain", e seu objetivo não é simplesmente melhorar a taxa de transferência, mas fornecer suporte de infraestrutura verdadeiramente sustentável para futuros aplicativos nativos da Web3 (negociação de alta frequência, mecanismos de jogos, execução de modelo de IA, social on-chain, etc.).

Depois que a trilha de rollup tende gradualmente a ser homogênea, o paralelismo intra-cadeia está silenciosamente se tornando a variável decisiva do novo ciclo de competição da Camada 1. O desempenho não é mais apenas "mais rápido", mas a possibilidade de ser capaz de suportar todo um mundo de aplicativos heterogêneo. Esta não é apenas uma corrida técnica, mas também uma batalha de paradigma. A próxima geração de plataformas de execução soberana no mundo Web3 provavelmente emergirá dessa luta paralela intra-cadeia.

2. Panorama do paradigma de expansão:

Como um dos tópicos mais importantes, sustentáveis e difíceis na evolução da tecnologia da cadeia pública, cinco tipos de rotas, cada uma com seu próprio foco na expansão, deram origem ao surgimento e evolução de quase todos os caminhos tecnológicos convencionais na última década. Começando com a batalha sobre o tamanho do bloco do Bitcoin, esta competição técnica sobre "como fazer a cadeia funcionar mais rápido" finalmente se dividiu em cinco rotas básicas, cada uma das quais corta o gargalo de um ângulo diferente, com sua própria filosofia técnica, dificuldade de pouso, modelo de risco e cenários aplicáveis.

a primeira rota é o escalonamento on-chain mais direto, que representa maneiras de aumentar o tamanho do bloco, encurtar o tempo do bloco ou melhorar o poder de processamento otimizando a estrutura de dados e o mecanismo de consenso. Essa abordagem tem sido o foco do debate sobre o dimensionamento do Bitcoin, dando origem a forks de "grande bloco", como BCH e BSV, e também influenciando as ideias de design das primeiras cadeias públicas de alto desempenho, como EOS e NEO. A vantagem desse tipo de rota é que ela mantém a simplicidade da consistência de cadeia única, que é fácil de entender e implantar, mas também é muito fácil tocar o limite superior sistêmico, como risco de centralização, aumento dos custos operacionais do nó e aumento da dificuldade de sincronização, portanto, não é mais a solução principal principal no design atual, mas tornou-se mais uma colocação auxiliar de outros mecanismos.

O segundo tipo de rota é o escalonamento off-chain, que é representado por canais de estado e sidechains. A ideia básica desse tipo de caminho é mover a maior parte da atividade de transação para fora da cadeia e gravar apenas o resultado final na cadeia principal, que atua como a camada de liquidação final. Em termos de filosofia técnica, está próximo da arquitetura assíncrona da Web2 - tente deixar o processamento pesado de transações na periferia, e a cadeia principal faz uma verificação confiável mínima. Embora essa ideia possa teoricamente ser infinitamente escalável, o modelo de confiança, a segurança do fundo e a complexidade de interação das transações off-chain limitam sua aplicação. Por exemplo, embora a Lightning Network tenha um posicionamento claro dos cenários financeiros, a escala do ecossistema nunca explodiu. No entanto, vários designs baseados em sidechain, como o Polygon POS, não apenas têm alta taxa de transferência, mas também expõem as desvantagens da difícil herança da segurança da cadeia principal.

O terceiro tipo de rota é a rota de rollup de Camada 2 mais popular e amplamente implantada. Esse método não altera diretamente a cadeia principal em si, mas é dimensionado por meio do mecanismo de execução off-chain e verificação on-chain. O Optimistic Rollup e o ZK Rollup têm suas próprias vantagens: o primeiro é rápido de implementar e altamente compatível, mas tem os problemas de atraso no período de desafio e mecanismo à prova de fraude; Este último tem forte segurança e bons recursos de compactação de dados, mas é complexo de desenvolver e não possui compatibilidade com EVM. Não importa que tipo de rollup seja, sua essência é terceirizar o poder de execução, mantendo os dados e a verificação na cadeia principal, alcançando um equilíbrio relativo entre descentralização e alto desempenho. O rápido crescimento de projetos como Arbitrum, Optimism, zkSync e StarkNet comprova a viabilidade desse caminho, mas também expõe gargalos de médio prazo, como dependência excessiva de disponibilidade de dados (DA), altos custos e experiência de desenvolvimento fragmentada.

O quarto tipo de rota é a arquitetura modular de blockchain que surgiu nos últimos anos, como Celestia, Avail, EigenLayer, etc. O paradigma modular defende o desacoplamento completo das funções principais do blockchain - execução, consenso, disponibilidade de dados e liquidação - por várias cadeias especializadas para completar diferentes funções e, em seguida, combiná-las em uma rede escalável com um protocolo de cadeia cruzada. Essa direção é fortemente influenciada pela arquitetura modular do sistema operacional e pelo conceito de composição da computação em nuvem, que tem a vantagem de poder substituir de forma flexível os componentes do sistema e melhorar muito a eficiência em áreas específicas, como DA. No entanto, os desafios também são muito óbvios: o custo de sincronização, verificação e confiança mútua entre sistemas após o desacoplamento do módulo é extremamente alto, o ecossistema de desenvolvedores é extremamente fragmentado e os requisitos para padrões de protocolo de médio e longo prazo e segurança entre cadeias são muito maiores do que os do design tradicional da cadeia. Em essência, esse modelo não constrói mais uma "cadeia", mas constrói uma "rede em cadeia", que apresenta um limite sem precedentes para a compreensão, operação e manutenção geral da arquitetura.

O último tipo de rota, que é o foco da análise subsequente neste artigo, é o caminho de otimização da computação paralela intra-cadeia. Ao contrário dos quatro primeiros tipos de "divisão horizontal", que realizam principalmente a "divisão horizontal" a partir do nível estrutural, a computação paralela enfatiza a "atualização vertical", ou seja, o processamento simultâneo de transações atômicas é realizado alterando a arquitetura do mecanismo de execução dentro de uma única cadeia. Isso requer reescrever a lógica de agendamento de VM e introduzir um conjunto completo de mecanismos modernos de agendamento de sistemas de computador, como análise de dependência de transação, previsão de conflito de estado, controle de paralelismo e chamada assíncrona. Solana é o primeiro projeto a implementar o conceito de VM paralela em um sistema de nível de cadeia, que realiza a execução paralela de vários núcleos por meio do julgamento de conflitos de transação com base no modelo de conta. A nova geração de projetos, como Monad, Sei, Fuel, MegaETH, etc., tenta introduzir ideias de ponta, como execução de pipeline, simultaneidade otimista, particionamento de armazenamento e desacoplamento paralelo para construir núcleos de execução de alto desempenho semelhantes às CPUs modernas. A principal vantagem dessa direção é que ela não precisa depender da arquitetura multi-chain para alcançar um avanço no limite de taxa de transferência e, ao mesmo tempo, fornece flexibilidade de computação suficiente para a execução de contratos inteligentes complexos, o que é um pré-requisito técnico importante para cenários de aplicação futuros, como AI Agent, jogos em cadeia em grande escala e derivados de alta frequência.

Olhando para os cinco tipos de caminhos de dimensionamento acima, a divisão por trás deles é, na verdade, a troca sistemática entre desempenho, capacidade de composição, segurança e complexidade de desenvolvimento do blockchain. O rollup é forte em terceirização de consenso e herança segura, a modularidade destaca a flexibilidade estrutural e a reutilização de componentes, o dimensionamento off-chain tenta romper o gargalo da cadeia principal, mas o custo de confiança é alto, e o paralelismo intra-cadeia se concentra na atualização fundamental da camada de execução, tentando se aproximar do limite de desempenho dos sistemas distribuídos modernos sem destruir a consistência da cadeia. É impossível que cada caminho resolva todos os problemas, mas são essas direções que, juntas, formam um panorama da atualização do paradigma da computação Web3 e também fornecem aos desenvolvedores, arquitetos e investidores opções estratégicas extremamente ricas.

Assim como o sistema operacional mudou de single-core para multi-core e os bancos de dados evoluíram de índices sequenciais para transações simultâneas, a expansão da Web3 acabará se movendo em direção a uma era de execução altamente paralela. Nesta era, o desempenho não é mais apenas uma corrida de velocidade em cadeia, mas uma personificação abrangente da filosofia de design subjacente, profundidade de compreensão da arquitetura, colaboração de software e hardware e controle do sistema. E o paralelismo intra-cadeia pode ser o campo de batalha final desta guerra de longo prazo.

3. Gráfico de classificação de computação paralela: cinco caminhos da conta à instruçãoNo

contexto da evolução contínua da tecnologia de escalonamento de blockchain, a computação paralela tornou-se gradualmente o caminho central para avanços de desempenho. Diferente do desacoplamento horizontal da camada de estrutura, camada de rede ou camada de disponibilidade de dados, a computação paralela é uma mineração profunda na camada de execução, que está relacionada à lógica mais baixa da eficiência de operação do blockchain, e determina a velocidade de resposta e a capacidade de processamento de um sistema blockchain em face de transações complexas de alta simultaneidade e multi-tipo. Começando com o modelo de execução e revisando o desenvolvimento dessa linhagem de tecnologia, podemos classificar um mapa de classificação claro da computação paralela, que pode ser 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, de granulação grossa a granulação fina, não são apenas o processo de refinamento contínuo da lógica paralela, mas também o caminho do aumento da complexidade do sistema e da dificuldade de escalonamento.