Relatório de Pesquisa em Profundidade sobre Cálculo Paralelo 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, contrastando fortemente com o mundo tradicional do Web2. Isso não é algo que pode ser resolvido apenas aumentando servidores, mas sim uma limitação sistêmica no design subjacente da blockchain.

Nos últimos dez anos, testemunhamos inúmeras tentativas de escalabilidade. Desde a controvérsia sobre a escalabilidade do Bitcoin até a visão de fragmentação do Ethereum, passando por canais de estado, Plasma, Rollup e blockchains modularizadas, até Layer 2 e reestruturação da disponibilidade de dados, a indústria trilhou um caminho de escalabilidade repleto de inovações. O Rollup, como a solução de escalabilidade predominante atualmente, aliviou a carga da cadeia principal e preservou a segurança, ao mesmo tempo que aumentou significativamente o TPS. No entanto, ele não atingiu o verdadeiro limite da "performance de uma única cadeia" no nível fundamental da blockchain, especialmente na camada de execução, que ainda é limitada pelo modelo tradicional de computação serial dentro da cadeia.

O cálculo paralelo dentro da cadeia está gradualmente se tornando o novo foco. Diferente de outras soluções de escalabilidade, ele tenta reestruturar completamente o motor de execução enquanto mantém a estrutura de uma única cadeia. Inspirando-se nos sistemas operacionais modernos e no design de CPU, a blockchain é atualizada do modo "monothread" para um sistema de alta concorrência "multithread + pipeline + agendamento de dependências". Isso não só pode trazer um aumento de centenas de vezes na taxa de transferência, mas também pode se tornar a chave para a explosão de aplicações complexas de contratos inteligentes.

Na verdade, a computação de um único fio já foi eliminada no mundo Web2, sendo substituída por modelos de otimização como programação paralela e agendamento assíncrono. A blockchain, como um sistema de computação mais conservador, nunca conseguiu aproveitar plenamente essas ideias paralelas. Isso é tanto uma limitação quanto uma oportunidade. Novas blockchains públicas como Solana, Sui e Aptos introduziram paralelismo a nível de arquitetura, iniciando essa exploração; enquanto projetos como Monad e MegaETH avançaram ainda mais para a execução em pipeline, concorrência otimista e outros mecanismos profundos, apresentando características cada vez mais próximas dos sistemas operacionais modernos.

O cálculo em paralelo não é apenas uma otimização de desempenho, mas também uma mudança de paradigma no modelo de execução de blockchain. Ele desafia o padrão fundamental da execução de contratos inteligentes, redefinindo a lógica básica do processamento de transações. Se o Rollup é "mover transações para fora da cadeia", então o paralelo dentro da cadeia é "construir um núcleo de supercomputador na cadeia", cujo objetivo é fornecer uma infraestrutura verdadeiramente sustentável para aplicações nativas do Web3 no futuro.

Após a convergência na corrida de Rollup, a paralelização na cadeia está se tornando um fator decisivo na nova rodada de competição Layer1. O desempenho não é mais apenas velocidade, mas sim a capacidade de suportar um mundo de aplicações heterogêneas. Esta não é apenas uma corrida tecnológica, mas uma disputa de paradigmas. A próxima geração de plataformas de execução soberanas no mundo Web3 pode muito bem nascer dessa luta pela paralelização na cadeia.

II. Panorama do Paradigma de Escalabilidade: Cinco Tipos de Rotas, Cada Uma com seu Foco

A escalabilidade, como um dos temas mais importantes, contínuos e desafiadores na evolução da tecnologia de blockchain pública, gerou o surgimento e a evolução de quase todos os caminhos tecnológicos mainstream na última década. Começando com a disputa sobre o tamanho do bloco do Bitcoin, essa competição tecnológica sobre "como fazer a cadeia funcionar mais rápido" acabou por se diversificar em cinco rotas básicas, cada uma abordando o gargalo sob diferentes ângulos, apresentando suas próprias filosofias técnicas, dificuldades de implementação, modelos de risco e cenários de aplicação.

A primeira classe de rotas é a mais direta para a escalabilidade on-chain, representando práticas como aumentar o tamanho do bloco, reduzir o tempo de mineração, ou melhorar a capacidade de processamento através da otimização da estrutura de dados e do mecanismo de consenso. Esta abordagem tornou-se o foco na disputa de escalabilidade do Bitcoin, levando ao surgimento de forks "de grandes blocos" como BCH e BSV, e também influenciou as ideias de design de blockchains de alto desempenho como EOS e NEO. As vantagens dessa rota são a simplicidade da consistência de uma única cadeia, fácil de entender e implantar, mas também pode facilmente tocar em riscos de centralização, aumento dos custos de operação dos nós e dificuldade de sincronização, entre outros limites sistêmicos. Portanto, no design atual, não é mais uma solução central predominante, mas mais uma combinação auxiliar de outros mecanismos.

A segunda categoria de rotas é a escalabilidade off-chain, representada pelos canais de estado e 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 a camada de liquidação final. Em termos de filosofia técnica, isso se aproxima do pensamento de arquitetura assíncrona do Web2. Embora essa ideia possa teoricamente escalar infinitamente em termos de throughput, questões como o modelo de confiança das transações off-chain, segurança dos fundos e complexidade da interação limitam sua aplicação. Um exemplo típico é a Lightning Network, que tem uma clara localização de cenário financeiro, mas sua escala ecológica nunca conseguiu explodir; enquanto várias designs baseadas em sidechains, como o Polygon POS, expuseram a desvantagem de não conseguir herdar a segurança da cadeia principal, apesar de um alto throughput.

A terceira rota é a mais popular e amplamente implementada atualmente, a rota Layer2 Rollup. Este método não altera diretamente a cadeia principal, mas sim realiza a escalabilidade através 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 mecanismos de prova de fraude; o segundo é altamente seguro e possui boa capacidade de compressão de dados, mas é complexo de desenvolver e tem pouca compatibilidade com EVM. Independentemente do tipo de Rollup, sua essência é a externalização do poder de execução, mantendo os dados e a verificação na cadeia principal, alcançando um equilíbrio relativo entre descentralização e alto desempenho. O crescimento rápido de projetos como Arbitrum, Optimism, zkSync e StarkNet prova a viabilidade deste caminho, mas também expõe problemas de dependência excessiva da disponibilidade de dados (DA), custos ainda elevados e uma experiência de desenvolvimento fragmentada, entre outras limitações de médio prazo.

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 das funções principais da blockchain, permitindo que várias cadeias especializadas realizem diferentes funções e, em seguida, se combinem em uma rede escalável por meio de protocolos cross-chain. Essa direção é profundamente influenciada pela arquitetura modular de sistemas operacionais e pela ideia de computação em nuvem combinável, tendo como vantagem a flexibilidade de substituir componentes do sistema e aumentar significativamente a eficiência em etapas específicas (como DA). No entanto, seus desafios também são bastante evidentes: após o desacoplamento modular, os custos de sincronização, verificação e confiança mútua entre os sistemas são extremamente altos, a ecologia dos desenvolvedores é extremamente dispersa, e as exigências em relação a padrões de protocolo de médio e longo prazo e segurança cross-chain são muito superiores às do design de cadeias tradicionais. Essencialmente, esse modelo não constrói mais uma "cadeia", mas sim uma "rede de cadeias", o que impõe um novo e inédito nível de dificuldade na compreensão e operação da arquitetura global.

A última categoria de rotas é a de otimização de caminhos de computação paralela dentro da cadeia. Ao contrário das quatro primeiras categorias, que se concentram na "divisão horizontal" do nível estrutural, a computação paralela enfatiza a "atualização vertical", ou seja, a realização do processamento simultâneo de transações atomizadas dentro de uma única cadeia, alterando a arquitetura do motor de execução. Isso exige reescrever a 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 em nível de cadeia, alcançando execução paralela de múltiplos núcleos através da determinação de conflitos de transação baseada no modelo de contas. Projetos de nova geração como Monad, Sei, Fuel e MegaETH estão indo ainda mais longe, tentando introduzir execução em pipeline, concorrência otimista, partição de armazenamento e desacoplamento paralelo, construindo núcleos de execução de alto desempenho semelhantes a CPUs modernas. A principal vantagem dessa direção é que não é necessário depender de uma arquitetura de múltiplas cadeias para alcançar um limite de throughput, ao mesmo tempo que proporciona a flexibilidade computacional necessária para a execução de contratos inteligentes complexos, sendo um pré-requisito técnico importante para cenários de aplicação voltados para o futuro, como Agentes de IA, jogos em cadeia de grande escala e derivativos de alta frequência.

Ao longo das cinco categorias de caminhos de escalabilidade mencionados, as divisões subjacentes são, na verdade, a ponderação sistemática entre desempenho, combinabilidade, segurança e complexidade de desenvolvimento no blockchain. Rollup destaca-se na externalização de consenso e herança de segurança, a modularidade ressalta a flexibilidade estrutural e a reutilização de componentes, a escalabilidade off-chain tenta superar os gargalos da cadeia principal, mas o custo de confiança é elevado, enquanto a paralelização on-chain foca na atualização fundamental da camada de execução, tentando alcançar o 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 de computação Web3, oferecendo aos desenvolvedores, arquitetos e investidores uma gama extremamente rica de opções estratégicas.

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 rumo a uma era de execução altamente paralela. Nesta era, o desempenho não é apenas uma competição de velocidade da cadeia, mas uma manifestação abrangente da filosofia de design subjacente, profundidade na compreensão da arquitetura, colaboração entre hardware e software, e controle do sistema. E a paralelização dentro da cadeia pode ser o campo de batalha definitivo desta longa guerra.

Três, Mapa de Classificação de Cálculo Paralelo: Os Cinco Principais Caminhos da Conta à Instrução

No contexto da evolução contínua da tecnologia de escalabilidade da blockchain, a computação paralela tornou-se gradualmente o caminho central para a quebra de desempenho. Diferente do desacoplamento horizontal nas camadas estrutural, de rede ou de disponibilidade de dados, a computação paralela é uma escavação profunda na camada de execução, que diz respeito à lógica mais fundamental da eficiência operacional da blockchain, determinando a velocidade de resposta e a capacidade de processamento de um sistema de blockchain ao enfrentar altas concorrências e transações complexas de múltiplos tipos. A partir do modelo de execução, ao revisar o desenvolvimento desta linhagem tecnológica, podemos organizar um mapa de classificação claro da computação paralela, que pode ser 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. Esses cinco tipos de caminhos vão do grosso ao fino, representando não apenas um processo de refinamento contínuo da lógica paralela, mas também uma trajetória de crescente complexidade do sistema e dificuldade de agendamento.

O primeiro nível de paralelismo a nível de conta é representado pelo paradigma do Solana. Este modelo é baseado no design desacoplado de conta-estado, analisando estaticamente o conjunto de contas envolvidas na transação para determinar se existem relações de conflito. Se os conjuntos de contas acessados por duas transações não se sobrepuserem, essas transações podem ser executadas de forma concorrente em múltiplos núcleos. Este mecanismo é muito adequado para lidar com transações com estruturas bem definidas e entradas e saídas claras, especialmente em programas com caminhos previsíveis, como o DeFi. No entanto, sua suposição inerente é que o acesso à conta é previsível e que a dependência do estado pode ser inferida estaticamente, o que pode levar a execuções conservadoras e a uma redução do grau de paralelismo quando confrontado com contratos inteligentes complexos (por exemplo, jogos em cadeia, agentes de IA, etc.), que apresentam comportamentos dinâmicos. Além disso, a dependência cruzada entre contas também diminui severamente os ganhos de paralelismo em certos cenários de negociação de alta frequência. O runtime do Solana já implementou uma otimização elevada neste aspecto, mas sua estratégia de agendamento central ainda é limitada pela granularidade da conta.

Com base no modelo de contas, refinamos ainda mais e entramos no nível técnico de paralelismo em nível de objeto. O paralelismo em nível de objeto introduz a abstração semântica de recursos e módulos, permitindo o agendamento concorrente em unidades de "objetos de estado" de granularidade mais fina. Aptos e Sui são importantes exploradores nessa direção, especialmente este 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 é mais versátil e escalável em comparação ao paralelismo em nível de conta, 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 em nível de objeto também introduz uma barreira linguística mais alta e complexidade de desenvolvimento, sendo o Move não um substituto direto do Solidity; o custo de transição do ecossistema é elevado, limitando a velocidade de difusão de seu paradigma paralelo.

A paralelização em nível de transação, mais avançada, é uma direção explorada pela 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 paralelização, mas sim 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 (Transaction DAG) por meio de análise estática ou dinâmica, e depende de um agendador para execução de fluxo concorrente. Este design permite que o sistema maximize a exploração da paralelização sem a necessidade de entender completamente a estrutura de estado subjacente. Monad é particularmente notável, pois combina controle de concorrência otimista (OCC), agendamento de pipeline paralelo, execução fora de ordem e outras tecnologias modernas de mecanismos de banco de dados, tornando a execução da cadeia mais próxima de "GPU