O que é a Ethereum Virtual Machine (EVM)?

Introdução

Vitalik Buterin idealizou a Ethereum com o objetivo de expandir os limites da tecnologia blockchain para lá do que o Bitcoin oferecia. Inspirando-se no sistema revolucionário de transações peer-to-peer do Bitcoin, Buterin acreditava, no entanto, que a tecnologia blockchain deveria ter um propósito mais amplo do que o mero processamento de operações financeiras. Esta visão resultou no desenvolvimento da rede blockchain Ethereum, que herdou todas as capacidades do Bitcoin—processamento de transações P2P e respetivo armazenamento de forma imutável e descentralizada—ao mesmo tempo que introduziu funcionalidades inovadoras ausentes no Bitcoin, sobretudo a possibilidade de executar smart contracts.

Coloca-se, portanto, uma questão central: como executa uma rede blockchain smart contracts? A Ethereum responde a este desafio através da Ethereum Virtual Machine (EVM), o motor computacional que está no centro da rede Ethereum. A EVM constitui a infraestrutura fundamental que possibilita aos programadores desenvolver e executar smart contracts, transformando a Ethereum de uma criptomoeda numa plataforma global de computação descentralizada. Neste artigo, analisamos em detalhe o que é a EVM, como funciona, as suas vantagens, aplicações práticas e limitações. Antes de aprofundarmos o tema, vejamos brevemente o conceito de smart contracts, para melhor compreendermos o papel da EVM.

Principais Destaques

• Vitalik Buterin criou a Ethereum para ser pioneira na implementação de smart contracts, contratos autoexecutáveis que operam sobre a Ethereum Virtual Machine (EVM).

• A EVM é uma infraestrutura de software avançada que permite executar e implementar smart contracts na rede Ethereum, funcionando como base computacional de todo o ecossistema.

• A EVM processa transações em dois estados distintos: o estado global (gestão de saldos e smart contracts) e o estado da máquina (execução das etapas individuais de cada transação).

• Os smart contracts são desenvolvidos na linguagem Solidity e compilados em bytecode, que é executado pela EVM. As taxas de gas garantem a segurança da rede e previnem abusos de recursos.

• A influência da EVM manifesta-se em inúmeras inovações blockchain, como tokens ERC-20, exchanges descentralizadas (DEX), tokens não fungíveis (NFT), protocolos DeFi de empréstimo e organizações autónomas descentralizadas (DAO).

O que são Smart Contracts?

Os smart contracts constituem um conceito disruptivo em blockchain: são programas ou aplicações autónomas que funcionam numa rede blockchain sem intervenção humana. Estes contratos digitais reúnem código e dados implementados por programadores para executar instruções pré-definidas. Depois de implementados, os smart contracts operam exclusivamente de acordo com a lógica programada, sem controlo dos utilizadores, pois o seu funcionamento está determinado pelo próprio código.

O conceito de smart contracts foi implementado com sucesso pela primeira vez na rede Ethereum, constituindo um marco na evolução da blockchain. Como resultado desta inovação, milhões de smart contracts foram criados e implementados ao longo dos anos na Ethereum. O papel da EVM foi determinante para a adoção massiva, fornecendo o ambiente computacional necessário para que estes contratos funcionem de forma fiável e segura. Estes contratos autoexecutáveis permitiram o surgimento de inúmeras aplicações e serviços descentralizados, alterando radicalmente a forma como concebemos acordos digitais e transações automatizadas.

O que é a Ethereum Virtual Machine (EVM)?

A Ethereum Virtual Machine é o núcleo do protocolo Ethereum, funcionando como o seu motor computacional. Trata-se de uma máquina virtual—um ambiente de software digital avançado que suporta toda a rede Ethereum. Esta máquina virtual tem capacidade para executar programas, armazenar dados, ligar-se a redes e gerir as operações computacionais essenciais ao funcionamento do ecossistema blockchain.

Mais concretamente, a EVM executa código e implementa smart contracts na blockchain Ethereum. Funciona como um computador descentralizado distribuído por milhares de nós em todo o mundo, assegurando que os smart contracts são executados exatamente conforme programado, sem interrupções, censura, fraude ou interferência de terceiros. A EVM constitui o ambiente de execução de smart contracts, permitindo o desenvolvimento de aplicações descentralizadas (dApps) complexas com interação avançada com a blockchain Ethereum.

Como Funciona

Como a Ethereum vai muito além do simples processamento de transações peer-to-peer, necessitou de um sistema computacional sofisticado para gerir funcionalidades alargadas. Os programadores de Ethereum conceptualizam a rede como uma “máquina de estados ilimitados”, e é desta forma que a EVM opera. A EVM gere operações Ethereum em dois níveis: o estado global e o estado da máquina, ambos essenciais e complementares.

Estado Global

O estado global é onde a Ethereum armazena os saldos das contas e smart contracts. Tal como o registo do Bitcoin, este estado é descentralizado, imutável e acessível publicamente online a qualquer interessado. A EVM atualiza o estado global a cada transação concluída, assegurando que a blockchain reflete sempre a situação mais atual de contas e contratos.

Isto significa que qualquer pessoa pode utilizar um explorador de blocos para aceder em tempo real aos dados da rede Ethereum. O estado global corresponde, assim, a um instantâneo de todas as contas, saldos e contratos ativos num dado momento. Esta transparência é fundamental para o caráter trustless da Ethereum, permitindo a qualquer pessoa verificar de forma independente o estado da rede.

Estado da Máquina

No estado da máquina, a EVM processa as transações passo a passo. Este nível é designado frequentemente como a "sandbox" da Ethereum para programadores, pois proporciona um ambiente isolado para execução de código. A rede processa dois tipos principais de transações, ambos geridos de forma distinta pela EVM.

O primeiro tipo é o message call, que ocorre quando uma conta transfere ETH para outra. Neste caso, a EVM movimenta ETH entre endereços e atualiza o estado global no final. O remetente paga a taxa de gas correspondente aos recursos computacionais consumidos.

O segundo tipo é a criação de contrato, quando um programador pretende executar um smart contract. O remetente fornece a taxa de gas e submete o bytecode do contrato à rede. A EVM processa esse bytecode, executa a lógica do contrato e atualiza o estado global. Este sistema dual garante a consistência do Ethereum ao processar smart contracts complexos.

Linguagem de Programação Solidity

A linguagem mais utilizada para smart contracts Ethereum é a Solidity. Tal como o JavaScript, a Solidity é de alto nível, concebida para ser lida por humanos, mas não interpretável diretamente por máquinas. Isto levanta um desafio: os programadores escrevem em Solidity, mas a EVM só interpreta instruções em linguagem de máquina.

Para superar esta diferença, após a redação em Solidity, o código é convertido em bytecode através de um compilador Ethereum Virtual Machine como o solc. A compilação traduz a lógica do contrato para bytecode, o formato que a EVM compreende e executa. O compilador garante assim a correspondência exata entre a lógica original e o formato processável pela EVM.

Execução de Smart Contracts

A execução de código de smart contract pela EVM reduz o saldo de gas de acordo com o custo computacional de cada operação. Cada instrução tem um custo de gas próprio, refletindo os recursos necessários para a executar. Se o saldo de gas esgotar antes do fim da transação, a EVM interrompe imediatamente a execução.

Se a execução parar por falta de gas, a transação é cancelada e não há alterações ao estado global. Este mecanismo protege a rede contra loops infinitos e operações dispendiosas. Ainda assim, o saldo de ETH do remetente diminui pelo valor do gas consumido até à interrupção. Se a transação for concluída com gas suficiente, a EVM atualiza o estado global em conformidade, registando permanentemente o resultado na blockchain.

O mecanismo de gas serve vários objetivos: compensa os validadores pelos recursos dispendidos, impede spam e ataques de negação de serviço, e incentiva o código eficiente. Ao exigir pagamento pelos recursos computacionais, o Ethereum estimula a eficiência e a utilização responsável da rede.

Taxas de Gas em Ethereum

As taxas de gas são indispensáveis para processar transações na Ethereum, constituindo o combustível económico da rede. Sob o mecanismo Proof of Work (PoW), a execução de operações exigia hardware potente e energia, e os miners tinham de ser recompensados. As taxas de gas asseguravam esses incentivos, garantindo a segurança e o processamento das transações.

Nas transferências simples de ETH, o valor do gas varia consoante a congestão do pool de transações. Se muitos utilizadores transacionam em simultâneo, o preço do gas sobe devido à competição pela prioridade. Em períodos de menor atividade, as taxas baixam e as operações tornam-se mais acessíveis.

Na execução de smart contracts, as taxas de gas assumem um papel ainda mais relevante na segurança e gestão de recursos. O bytecode é decomposto em opcodes, instruções base que a EVM utiliza nos cálculos. Cada opcode tem um custo de gas: quanto mais complexa a operação, maior o custo. Esta granularidade é essencial para proteger a rede de ataques.

Por exemplo, durante um ataque DDoS, a EVM executa o smart contract malicioso, mas cobra gas por cada operação. Quando o saldo de gas do atacante se esgota, a transação é rejeitada antes de causar dano. Este mecanismo económico torna os ataques demasiado caros, ao mesmo tempo que permite a interação eficiente de utilizadores legítimos com smart contracts.

Vantagens da EVM

Como referido, a EVM protege a rede de ataques através do sistema de taxas de gas e do ambiente de execução isolado. Esta segurança garante uma plataforma fiável para smart contracts e outros serviços automatizados, transmitindo confiança de que as operações se realizarão como previsto.

A Ethereum tornou-se, ao longo dos anos, o maior ecossistema de criptomoedas. É considerada o padrão de referência para aplicações descentralizadas e smart contracts. A arquitetura robusta da EVM e a sua adoção inspiraram outros projetos a criarem sidechains e ambientes compatíveis, permitindo aos programadores migrar aplicações sem modificar o código. Esta compatibilidade criou um ecossistema vasto de blockchains compatíveis com EVM, alargando o impacto das aplicações baseadas em Ethereum.

A natureza descentralizada da EVM permite a qualquer pessoa criar smart contracts na Ethereum sem autorização central. Esta inovação democratizou o acesso à tecnologia blockchain, permitindo contribuições globais. Paralelamente, a EVM suporta o desenvolvimento de serviços e aplicações descentralizadas, com impacto crescente nos setores financeiro, dos videojogos, redes sociais, entre outros.

A execução determinista da EVM garante resultados idênticos em qualquer local ou momento, desde que os inputs sejam os mesmos. Esta previsibilidade é essencial para aplicações fiáveis, tornando a EVM a fundação de inúmeros projetos inovadores em blockchain.

Casos de Utilização da EVM

A Ethereum Virtual Machine permitiu o surgimento de soluções inovadoras na blockchain, transformando a relação com ativos e serviços digitais. Eis cinco casos de utilização mais relevantes:

Tokens ERC-20

Os smart contracts criam tokens ERC-20 com estruturas de dados predefinidas para nomeação, distribuição e rastreio. Estes contratos padronizados asseguram comportamentos consistentes em todo o ecossistema Ethereum, facilitando a interoperabilidade com carteiras, exchanges e aplicações. Durante o boom das ICO em 2017, muitos tokens foram lançados com este padrão, ilustrando o potencial dos smart contracts padronizados.

Mais recentemente, os tokens ERC-20 têm tido destaque nas stablecoins como USDT (Tether), USDC (USD Coin) e DAI. Estes ativos garantem estabilidade de preço ao serem indexados a moedas fiduciárias, proporcionando um meio de troca e reserva de valor fiável no universo cripto. A simplicidade e suporte generalizado tornaram o ERC-20 o padrão para tokens fungíveis na Ethereum.

Exchanges Descentralizadas (DEX)

As exchanges descentralizadas permitem aos utilizadores comprar, vender ou trocar criptomoedas através de smart contracts, eliminando intermediários centralizados. Plataformas como Uniswap e SushiSwap utilizam modelos Automated Market Maker (AMM), permitindo acesso a pools de liquidez sem intervenção de terceiros.

Estas DEX operam exclusivamente por smart contracts, que gerem pools, executam transações e distribuem comissões. Os utilizadores mantêm a custódia dos ativos, reduzindo o risco de contraparte. A transparência dos contratos assegura regras estáveis e inalteráveis, reforçando a confiança na plataforma.

Tokens Não Fungíveis (NFT)

Os Tokens Não Fungíveis são ativos digitais únicos registados em blockchain que atestam a propriedade e não podem ser replicados. Os smart contracts permitem criar coleções de NFT, cada um representando um objeto digital distinto, como arte, música ou terrenos virtuais.

Entre as coleções mais valiosas estão Bored Ape Yacht Club (BAYC) e CryptoPunks, que alcançaram enorme relevância cultural e financeira. Os proprietários podem negociar NFTs em plataformas como OpenSea e Rarible, com os smart contracts a assegurarem transferências, pagamentos de royalties e transações automáticas. A EVM tornou possível o crescimento exponencial deste mercado.

Empréstimos DeFi

As plataformas de empréstimo DeFi permitem conceder e obter empréstimos de criptomoedas sem intermediários como os bancos. Os smart contracts regulam todo o processo, da gestão de colateral à distribuição de juros.

Os mutuários obtêm crédito imediato mediante colateral, enquanto os credores recebem juros, muitas vezes diariamente, criando mercados de capitais eficientes 24/7 sem barreiras geográficas. Exemplos como Aave, Compound e MakerDAO demonstram como o smart contract lending gere bilhões em ativos e facilita o acesso a serviços financeiros a escala global.

Organizações Autónomas Descentralizadas (DAO)

Uma Organização Autónoma Descentralizada é uma entidade sem autoridade central, onde a governação é decidida coletivamente. Os membros estabelecem regras, implementadas por smart contracts.

Estes contratos regulam votações, gestão de tesouraria, propostas e adesão. As DAO representam um novo paradigma organizacional, promovendo colaboração global e decisões descentralizadas. Existem DAO de investimento, de governação de protocolos e DAO sociais, todas apoiadas na EVM para garantir transparência e automatismo.

Limitações da EVM

A EVM apresenta duas limitações principais. Em primeiro lugar, a criação e interação com smart contracts exige domínio de Solidity e competências técnicas, o que constitui barreira de entrada e restringe o acesso a utilizadores sem formação específica.

Em segundo lugar, as taxas de gas para criar contratos ou lançar aplicações em Ethereum podem ser muito elevadas em períodos de congestionamento, tornando certas soluções economicamente inviáveis. Este desafio impulsionou o aparecimento de soluções layer-2 e blockchains compatíveis com EVM, que reduzem custos mantendo a compatibilidade com o ecossistema Ethereum.

Criptomoedas Compatíveis com EVM

As blockchains compatíveis com EVM contornam o problema das taxas de gas elevadas, oferecendo ambientes de execução alternativos para smart contracts Ethereum. Ao reutilizarem componentes da arquitetura Ethereum, os programadores conseguem criar DApps que facilitam transferências rápidas entre redes EVM. Esta interoperabilidade fomentou um ecossistema multichain, onde aplicações podem ser implementadas em várias redes sem reescrever o código.

Entre as blockchains compatíveis com EVM destacam-se:

• BNB Smart Chain: custos de transação mais baixos e blocos mais rápidos, mantendo compatibilidade com Ethereum
• Avalanche: elevada capacidade de processamento e finalização quase instantânea com suporte EVM
• Fantom: arquitetura DAG para maior escalabilidade
• Cardano: compatibilidade EVM por sidechains, ligando ecossistemas
• Polygon: solução layer-2 destinada a escalar Ethereum
• Tron: plataforma alternativa com compatibilidade EVM para aplicações descentralizadas

Estas redes permitem implementar smart contracts Ethereum com alterações mínimas, alargando o alcance das aplicações e oferecendo alternativas quando o custo em Ethereum é proibitivo.

O Futuro da EVM

Vitalik Buterin procurou criar um supercomputador descentralizado acessível a todos. A Ethereum Virtual Machine foi essencial para concretizar esta visão, transformando o blockchain de mero registo de transações numa plataforma global de computação. Desde então, a EVM tem sido alvo de sucessivas atualizações e evolução para responder às exigências crescentes do ecossistema.

A atualização Dencun introduziu a EIP-4844, que trouxe o proto-danksharding. Esta inovação reduz drasticamente as taxas de gas ao otimizar o processamento de dados de layer-2. O proto-danksharding utiliza blobs — dados que, ao contrário do registo tradicional, são eliminados da blockchain, reduzindo o armazenamento a longo prazo. A EIP-4788, também da atualização Dencun, melhora a compatibilidade e dá à EVM acesso direto ao estado da Beacon Chain, essencial para staking líquido e interações cross-chain. A atualização Dencun ficou concluída no início de 2024, marcando um avanço significativo na evolução da Ethereum.

O plano para a Ethereum aposta na escalabilidade via rollups, com as Ethereum Virtual Machines de zero-knowledge (zkEVM) a desempenharem um papel fundamental. As zkEVM permitem processar transações fora da cadeia com eficiência, mantendo compatibilidade e segurança, graças a provas de zero-knowledge que validam milhares de operações off-chain e as confirmam on-chain sem sobrecarga computacional.

No futuro, prevê-se que a EVM continue a evoluir com ganhos de eficiência, mais segurança e integração melhorada com soluções layer-2. Investigações em clientes stateless, modelos de armazenamento avançados e criptografia prometem tornar a EVM ainda mais poderosa e acessível nos próximos anos.

Conclusão

A Ethereum Virtual Machine é um pilar essencial da infraestrutura da Ethereum, constituindo o motor computacional do ecossistema. É indispensável para a execução de smart contracts e assegura, através do seu software avançado, o funcionamento fiável e seguro das aplicações descentralizadas.

A EVM também protege a rede graças ao sistema de taxas de gas e ambiente de execução isolado, prevenindo ataques e garantindo a segurança, resiliência e descentralização da plataforma. Ao oferecer um ambiente de execução determinista, a EVM tornou possível o desenvolvimento de milhares de aplicações descentralizadas em áreas como finanças, gaming, redes sociais, logística e muitos outros setores.

Com a evolução contínua da Ethereum, nomeadamente com atualizações como Dencun e novas soluções layer-2, a EVM mantém-se no centro do ecossistema, adaptando-se às necessidades de utilizadores e programadores. A sua influência estende-se a inúmeras blockchains compatíveis, criando um ecossistema multichain dinâmico. O desenvolvimento contínuo e a adoção global da EVM asseguram que continuará a ser uma referência da tecnologia blockchain, fomentando a inovação e novas formas de colaboração e atividade económica descentralizada.

FAQ

O que é a Ethereum Virtual Machine (EVM)? Qual é a sua função principal?

A EVM é o núcleo computacional da Ethereum, responsável pela execução de smart contracts em ambiente isolado. A sua principal função é processar e validar código de contratos na rede, garantindo segurança, descentralização e a possibilidade de aplicações blockchain programáveis.

Como executa a EVM o código de smart contracts?

A EVM executa código de smart contracts ao interpretar bytecode compilado em opcodes, recorrendo a um modelo baseado em stack para processar instruções sequenciais e mantendo alterações de estado e memória isoladas num ambiente sandbox.

Qual a diferença entre a EVM e outras máquinas virtuais de blockchain como Solana VM e Cosmos VM?

A EVM foi desenhada para Ethereum, suportando smart contracts com modelo baseado em contas. A Solana VM aposta no processamento paralelo para alta performance, enquanto a Cosmos VM privilegia a interoperabilidade. Cada uma tem arquitetura, consenso e linguagens próprios.

Porque é apelidada a EVM de 'Computador Mundial'?

A EVM é denominada 'Computador Mundial' porque opera como rede descentralizada distribuída globalmente, executando smart contracts. Esta arquitetura permite computação sem fronteiras e sem permissões, acessível a qualquer utilizador no mundo.

O que é a taxa de gas? Qual a relação com o funcionamento da EVM?

A taxa de gas corresponde ao custo de executar transações e smart contracts na Ethereum. Cada operação da EVM consome gas, protegendo a rede e evitando abusos e spam.

Como é que os programadores implementam e executam smart contracts na EVM?

Os programadores desenvolvem smart contracts em Solidity, compilando-os e implementando-os em blockchains compatíveis com EVM através de ferramentas como Truffle ou Hardhat. Após a implementação, os contratos são executados automaticamente na rede, de acordo com a lógica definida e as interações dos utilizadores.