Mapa panorámico de la pista de computación paralela Web3: ¿la mejor solución para la escalabilidad nativa?

El "trilema de la blockchain" (Blockchain Trilemma) de la "seguridad", "descentralización" y "escabilidad" revela el compromiso esencial en el diseño de sistemas de blockchain, es decir, que es difícil para los proyectos de blockchain lograr simultáneamente "seguridad extrema, participación de todos, y procesamiento rápido". En cuanto al tema eterno de la "escabilidad", las principales soluciones de escalado de blockchain en el mercado se clasifican según paradigmas, incluyendo:

• Ejecutar una expansión mejorada: mejorar la capacidad de ejecución en el lugar, como la paralelización, GPU y múltiples núcleos.
• Aislamiento de estado en la expansión: división horizontal del estado / Shard, por ejemplo, fragmentos, UTXO, múltiples subredes.
• Escalado de tipo externalizado fuera de la cadena: realizar la ejecución fuera de la cadena, por ejemplo, Rollup, Coprocessor, DA
• Escalabilidad con desacoplamiento estructural: modularidad en la arquitectura y funcionamiento colaborativo, como cadenas de módulos, ordenadores compartidos, Rollup Mesh.
• Escalado asíncrono y concurrente: modelo Actor, aislamiento de procesos, impulsado por mensajes, por ejemplo, agentes, cadenas asíncronas multihilo

Las soluciones de escalabilidad de blockchain incluyen: computación paralela dentro de la cadena, Rollup, fragmentación, módulo DA, estructura modular, sistema Actor, compresión de pruebas zk, arquitectura Stateless, etc., abarcando múltiples niveles de ejecución, estado, datos y estructura, formando un sistema completo de escalabilidad "multicapa colaborativa y combinación modular". Este artículo se centra en presentar el método de escalabilidad basado en computación paralela como la principal.

Cálculo paralelo dentro de la cadena (intra-chain parallelism), enfocado en la ejecución paralela de transacciones / instrucciones dentro del bloque. Según el mecanismo de paralelismo, su forma de escalabilidad se puede dividir en cinco grandes categorías, cada una de las cuales representa diferentes objetivos de rendimiento, modelos de desarrollo y filosofías arquitectónicas, con un grado de paralelismo cada vez más fino, una intensidad de paralelismo cada vez mayor, así como una complejidad de programación y dificultad de implementación que también aumentan.

• Paralelismo a nivel de cuenta (Account-level): representa el proyecto Solana
• Paralelismo a nivel de objeto (Object-level): representa el proyecto Sui
• Paralelismo a nivel de transacción (Transaction-level): representa el proyecto Monad, Aptos
• Nivel de llamada / MicroVM en paralelo (Call-level / MicroVM): representa el proyecto MegaETH
• Paralelismo a nivel de instrucción (Instruction-level): representa el proyecto GatlingX

Modelo de concurrencia asíncrona fuera de la cadena, representado por el sistema de entidades Actor (Modelo Agente / Actor), que pertenece a otro paradigma de cálculo paralelo. Como sistema de mensajes asíncronos / entre cadenas (modelo de sincronización de bloques no), cada Agente actúa como un "proceso inteligente" que se ejecuta de forma independiente. Mensajes asíncronos en forma paralela, impulsados por eventos, sin necesidad de programación sincronizada. Proyectos representativos incluyen AO, ICP, Cartesi, entre otros.

Los conocidos Rollup o soluciones de escalado por fragmentación pertenecen a mecanismos de concurrencia a nivel de sistema y no se consideran cálculos paralelos dentro de la cadena. Estos logran la escalabilidad mediante "la ejecución paralela de múltiples cadenas / dominios de ejecución", en lugar de aumentar la paralelización dentro de un solo bloque / máquina virtual. Este tipo de soluciones de escalado no es el enfoque principal de este artículo, pero aún las utilizaremos para comparar las similitudes y diferencias en los conceptos arquitectónicos.

II. EVM Sistema de Cadena Aumentada en Paralelo: Rompiendo los Límites de Rendimiento en la Compatibilidad

La arquitectura de procesamiento en serie de Ethereum ha evolucionado hasta hoy, pasando por múltiples intentos de escalado como sharding, Rollup y arquitecturas modularizadas, pero el cuello de botella en el rendimiento de la capa de ejecución sigue sin haber tenido un avance fundamental. Sin embargo, al mismo tiempo, EVM y Solidity siguen siendo las plataformas de contratos inteligentes con la base de desarrolladores y el potencial ecológico más fuertes en la actualidad. Por lo tanto, las cadenas paralelas del sistema EVM, que equilibran la compatibilidad ecológica y la mejora del rendimiento de ejecución, están convirtiéndose en una dirección clave para la evolución en esta nueva ronda de escalado. Monad y MegaETH son los proyectos más representativos en esta dirección, construyendo arquitecturas de procesamiento paralelo de EVM orientadas a escenarios de alta concurrencia y alto rendimiento a partir de la ejecución retrasada y la descomposición del estado.

Análisis del mecanismo de computación paralela de Monad ###

Monad es una blockchain de alto rendimiento Layer1 rediseñada para la máquina virtual de Ethereum (EVM), basada en el concepto fundamental de procesamiento en paralelo (Pipelining), con ejecución asíncrona en la capa de consenso (Asynchronous Execution) y ejecución paralela optimista en la capa de ejecución (Optimistic Parallel Execution). Además, en la capa de consenso y almacenamiento, Monad introduce un protocolo BFT de alto rendimiento (MonadBFT) y un sistema de base de datos dedicado (MonadDB), logrando una optimización de extremo a extremo.

Pipelining: Mecanismo de ejecución paralela en múltiples etapas

Pipelining es el concepto básico de la ejecución paralela de Monad, cuya idea central es descomponer el proceso de ejecución de la cadena de bloques en múltiples etapas independientes y procesar estas etapas en paralelo, formando una arquitectura de tuberías tridimensional. Cada etapa se ejecuta en hilos o núcleos independientes, logrando un procesamiento concurrente entre bloques y, en última instancia, mejorando el rendimiento y reduciendo la latencia. Estas etapas incluyen: Propuesta de transacción (Propose), Aceptación de consenso (Consensus), Ejecución de transacciones (Execution) y Compromiso de bloques (Commit).

Ejecución Asincrónica: Consenso - Desacoplamiento Asíncrono de Ejecución

En las cadenas tradicionales, el consenso y la ejecución de las transacciones suelen ser procesos sincronizados, y este modelo en serie limita gravemente la escalabilidad del rendimiento. Monad logra la asincronía en la capa de consenso, la capa de ejecución y el almacenamiento a través de "ejecución asincrónica". Esto reduce significativamente el tiempo de bloque y la latencia de confirmación, haciendo que el sistema sea más resiliente, con procesos más segmentados y una mayor utilización de recursos.

Diseño central:

• El proceso de consenso (capa de consenso) solo se encarga de ordenar las transacciones, no de ejecutar la lógica de los contratos.
• El proceso de ejecución (capa de ejecución) se activa de manera asíncrona después de que se complete el consenso.
• Una vez completado el consenso, se entra inmediatamente en el proceso de consenso del siguiente bloque, sin necesidad de esperar a que se complete la ejecución.

Ejecución Paralela Optimista：乐观并行执行

Ethereum tradicional utiliza un modelo de ejecución estrictamente secuencial para evitar conflictos de estado. En cambio, Monad adopta una estrategia de "ejecución paralela optimista", lo que aumenta significativamente la velocidad de procesamiento de transacciones.

Mecanismo de ejecución:

• Monad ejecutará optimistamente todas las transacciones en paralelo, asumiendo que la mayoría de las transacciones no tienen conflictos de estado.
• Ejecutar simultáneamente un "Detector de Conflictos (Conflict Detector))" para monitorear si las transacciones acceden al mismo estado (como conflictos de lectura/escritura).
• Si se detecta un conflicto, las transacciones en conflicto se volverán a ejecutar de forma serializada para garantizar la corrección del estado.

Monad eligió un camino compatible: mueve lo menos posible las reglas de EVM, logrando la paralelización durante la ejecución al posponer la escritura de estados y detectar conflictos de manera dinámica, pareciendo más una versión de rendimiento de Ethereum, con buena madurez y fácil de implementar la migración del ecosistema EVM, siendo un acelerador de paralelización en el mundo EVM.

Análisis del mecanismo de computación paralela de MegaETH

A diferencia de la localización L1 de Monad, MegaETH se posiciona como una capa de ejecución paralela de alto rendimiento modular y compatible con EVM, que puede funcionar tanto como una cadena pública L1 independiente como una capa de mejora de ejecución (Execution Layer) o componente modular en Ethereum. Su objetivo de diseño central es descomponer y aislar la lógica de cuentas, el entorno de ejecución y el estado en unidades mínimas que se pueden programar de forma independiente, para lograr una alta ejecución concurrente y una capacidad de respuesta de baja latencia dentro de la cadena. La clave de la innovación propuesta por MegaETH radica en: la arquitectura Micro-VM + State Dependency DAG (gráfico acíclico dirigido de dependencia de estado) y un mecanismo de sincronización modular, que juntos construyen un sistema de ejecución paralela orientado a "hilos dentro de la cadena".

Micro-VM (micro máquina virtual) arquitectura: cuenta es hilo

MegaETH introduce un modelo de ejecución de "una micro máquina virtual (Micro-VM) por cuenta", que "hilo" el entorno de ejecución, proporcionando la unidad de aislamiento mínima para la programación paralela. Estas VM se comunican entre sí mediante mensajes asíncronos (Asynchronous Messaging), en lugar de llamadas síncronas, permitiendo que numerosas VM se ejecuten de forma independiente y almacenen de manera independiente, lo que resulta en una paralelización natural.

Dependencia del Estado DAG: mecánica de programación impulsada por gráficos de dependencia

MegaETH ha construido un sistema de programación DAG basado en relaciones de acceso al estado de cuentas, que mantiene en tiempo real un gráfico de dependencias global (Dependency Graph). Cada vez que una transacción modifica qué cuentas, y lee qué cuentas, todo se modela como relaciones de dependencia. Las transacciones sin conflictos pueden ejecutarse en paralelo directamente, mientras que las transacciones con relaciones de dependencia se programarán y ordenarán en serie o se retrasarán según el orden topológico. El gráfico de dependencias garantiza la consistencia del estado y la no escritura duplicada durante el proceso de ejecución paralela.

Ejecución asíncrona y mecanismo de callback

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En resumen, MegaETH rompe el modelo tradicional de máquina de estado de hilo único de EVM, implementando un encapsulamiento de micromáquinas virtuales a nivel de cuenta, programando transacciones a través de un gráfico de dependencias de estado, y utilizando un mecanismo de mensajes asíncronos en lugar de una pila de llamadas sincrónicas. Es una plataforma de computación paralela rediseñada en todas las dimensiones desde "estructura de cuenta → arquitectura de programación → flujo de ejecución", que ofrece un nuevo enfoque de nivel de paradigma para construir sistemas de cadena en línea de alto rendimiento de próxima generación.

MegaETH ha elegido un camino de reconstrucción: abstraer completamente las cuentas y los contratos en una VM independiente, liberando un potencial de paralelismo extremo a través de la programación de ejecución asíncrona. Teóricamente, el límite de paralelismo de MegaETH es más alto, pero también es más difícil controlar la complejidad, asemejándose más a un sistema operativo superdistribuido bajo la filosofía de Ethereum.

Monad y MegaETH tienen conceptos de diseño bastante diferentes a los de sharding: el sharding divide la blockchain en múltiples subcadenas independientes (shards), cada subcadena es responsable de parte de las transacciones y estados, rompiendo las limitaciones de una sola cadena para la escalabilidad en la capa de red; mientras que Monad y MegaETH mantienen la integridad de una sola cadena, expandiéndose horizontalmente solo en la capa de ejecución, optimizando la ejecución paralela extrema dentro de la única cadena para superar el rendimiento. Ambos representan dos direcciones en la ruta de escalabilidad de la blockchain: el refuerzo vertical y la expansión horizontal.

Los proyectos de computación paralela como Monad y MegaETH se centran principalmente en la optimización del rendimiento, con el objetivo central de mejorar el TPS en la cadena, logrando el procesamiento paralelo a nivel de transacciones o cuentas a través de la ejecución diferida (Deferred Execution) y la arquitectura de micro máquina virtual (Micro-VM). Por otro lado, Pharos Network es una red de blockchain L1 modular y de pila completa, cuyo mecanismo central de computación paralela se llama "Rollup Mesh". Esta arquitectura, mediante la colaboración entre la red principal y las redes de procesamiento especializadas (SPNs), soporta un entorno de múltiples máquinas virtuales (EVM y Wasm) e integra tecnologías avanzadas como pruebas de conocimiento cero (ZK) y entornos de ejecución confiables (TEE).

Análisis del mecanismo de cálculo paralelo Rollup Mesh:

1. Procesamiento de tuberías asíncronas de ciclo de vida completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos desacopla las distintas etapas de las transacciones (como consenso, ejecución, almacenamiento) y utiliza un enfoque de procesamiento asíncrono, lo que permite que cada etapa pueda llevarse a cabo de manera independiente y en paralelo, mejorando así la eficiencia general del procesamiento.
2. Ejecución Paralela de Doble Máquina Virtual (Dual VM Parallel Execution): Pharos admite dos entornos de máquina virtual, EVM y WASM, lo que permite a los desarrolladores elegir el entorno de ejecución adecuado según sus necesidades. Esta arquitectura de doble VM no solo mejora la flexibilidad del sistema, sino que también aumenta la capacidad de procesamiento de transacciones mediante la ejecución paralela.
3. Redes de Procesamiento Especial (SPNs): Las SPNs son componentes clave en la arquitectura de Pharos, similares a subredes modularizadas, diseñadas específicamente para manejar tipos específicos de tareas o aplicaciones. A través de las SPNs, Pharos puede lograr una asignación dinámica de recursos y un procesamiento paralelo de tareas, mejorando aún más la escalabilidad y el rendimiento del sistema.
4. Consenso modular y pesado