Mapa panorámico de la pista de computación paralela en Web3: ¿la mejor solución de escalado nativo?

Uno, el eterno tema de la escalabilidad de blockchain

El "triángulo imposible" de la blockchain (dilema de la blockchain) "seguridad", "descentralización" y "escalabilidad" revela la esencia de los compromisos en el diseño de sistemas de blockchain, es decir, que es difícil para un proyecto de blockchain lograr simultáneamente "máxima seguridad, participación universal y procesamiento rápido". En cuanto a la "escalabilidad", este tema eterno, las soluciones de escalado de blockchain en el mercado actual se clasifican según paradigmas, incluyendo:

• Ejecución de escalabilidad mejorada: Mejora de la capacidad de ejecución en el lugar, como paralelismo, GPU y múltiples núcleos.
• Escalabilidad con aislamiento de estado: partición horizontal del estado/Shard, por ejemplo, fragmentación, UTXO, múltiples subredes
• Escalado fuera de la cadena tipo outsourcing: llevar la ejecución fuera de la cadena, por ejemplo Rollup, Coprocesador, DA
• Expansión de desacoplamiento estructural: modularidad de la arquitectura, funcionamiento colaborativo, como cadenas modulares, ordenadores compartidos, Rollup Mesh
• Escalado asíncrono y concurrente: modelo Actor, aislamiento de procesos, impulsado por mensajes, como agentes, cadenas asíncronas multihilo

Las soluciones de escalado de blockchain incluyen: cálculo paralelo dentro de la cadena, Rollup, fragmentación, módulos DA, estructura modular, sistema Actor, compresión de pruebas zk, arquitectura Stateless, entre otros, abarcando múltiples niveles de ejecución, estado, datos y estructura, siendo un sistema completo de escalado de "colaboración multinivel y combinación modular". Este artículo se centra en el método de escalado basado principalmente en el cálculo paralelo.

El cálculo paralelo dentro de la cadena ( intra-chain parallelism ) se centra en la ejecución paralela de transacciones/instrucciones dentro del bloque. Según el mecanismo de paralelismo, los métodos de escalado se pueden dividir en cinco categorías, cada una de las cuales representa diferentes objetivos de rendimiento, modelos de desarrollo y filosofías de arquitectura. La granularidad del paralelismo se vuelve cada vez más fina, la intensidad de paralelismo aumenta, la complejidad de la programación y la dificultad de implementación 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
• Paralelismo a nivel de llamada / 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 agentes Actor (Modelo de Agente/Actor), que pertenece a otro paradigma de computación paralela. Como un sistema de mensajería asíncrono/cruzada (modelo de no sincronización de bloques), cada Agente actúa como un "proceso inteligente independiente" que opera de manera paralela, utilizando mensajes asíncronos, impulsados por eventos y sin necesidad de programación sincrónica. Proyectos representativos incluyen AO, ICP, Cartesi, entre otros.

Los conocidos Rollup o soluciones de escalado mediante fragmentación pertenecen a mecanismos de concurrencia a nivel de sistema y no a la computación paralela dentro de la cadena. Ellos logran la escalabilidad a través de "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 son el enfoque principal de este artículo, pero aún así las utilizaremos para comparar las similitudes y diferencias en las ideas arquitectónicas.

Dos, cadena de mejora paralela del sistema EVM: rompiendo los límites de rendimiento en la compatibilidad

La arquitectura de procesamiento en serie de Ethereum ha evolucionado hasta ahora, pasando por múltiples intentos de escalabilidad como el sharding, Rollup y arquitecturas modulares, pero el cuello de botella en el rendimiento de la capa de ejecución aún no ha 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 mejoradas en paralelo de EVM, que equilibran la compatibilidad ecológica y la mejora del rendimiento de ejecución, están convirtiéndose en una dirección clave para la evolución de la escalabilidad en esta nueva ronda. Monad y MegaETH son los proyectos más representativos en esta dirección, construyendo arquitecturas de procesamiento en paralelo de EVM orientadas a escenarios de alta concurrencia y alto rendimiento, desde la ejecución con retraso y la descomposición del estado, respectivamente.

Análisis del mecanismo de cálculo paralelo de Monad

Monad es una cadena de bloques Layer1 de alto rendimiento 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 concurrente optimista (Optimistic Parallel Execution) en la capa de ejecución. Además, en la capa de consenso y almacenamiento, Monad introduce un protocolo BFT de alto rendimiento (MonadBFT) y un sistema de base de datos especializado (MonadDB), logrando una optimización de extremo a extremo.

Pipelining: Mecanismo de ejecución paralela de múltiples etapas

Pipelining es el concepto básico de la ejecución paralela de Monads, cuya idea central es descomponer el proceso de ejecución de la blockchain en múltiples etapas independientes y procesar estas etapas de manera paralela, formando una estructura de tuberías tridimensional. Cada etapa opera en hilos o núcleos independientes, logrando un procesamiento concurrente entre bloques, y, en última instancia, alcanzando un aumento en el rendimiento y una reducción en la latencia. Estas etapas incluyen: propuesta de transacciones (Propose), consenso (Consensus), ejecución de transacciones (Execution) y compromiso de bloques (Commit).

Ejecución Asincrónica: desacoplamiento asíncrono de consenso-ejecución

En la cadena tradicional, el consenso y la ejecución de las transacciones suelen ser procesos sincrónicos, y este modelo secuencial 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 (block time) y la latencia de confirmación, haciendo que el sistema sea más resiliente, el proceso más segmentado y la utilización de recursos más eficiente.

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 forma asíncrona después de que se complete el consenso.
• Después de completar el consenso, 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 las transacciones, con el fin de evitar conflictos de estado. En cambio, Monad emplea una estrategia de "ejecución paralela optimista", lo que aumenta significativamente la velocidad de procesamiento de transacciones.

Mecanismo de ejecución:

• Monad ejecutará en paralelo de manera optimista todas las transacciones, 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: modificar las reglas de EVM lo menos posible, logrando la paralelización durante el proceso de ejecución mediante la escritura diferida de estados y la detección dinámica de conflictos, pareciendo más una versión de rendimiento de Ethereum, con una buena madurez que facilita la migración del ecosistema EVM, siendo un acelerador de paralelización en el mundo EVM.

Análisis del mecanismo de cálculo paralelo de MegaETH

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

Arquitectura Micro-VM (máquina virtual micro): la cuenta es un hilo

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

Dependencia del Estado DAG: Mecanismo de programación basado en gráficos de dependencia

MegaETH ha construido un sistema de programación DAG basado en relaciones de acceso al estado de la cuenta, que mantiene en tiempo real un gráfico de dependencias global (Dependency Graph). Cada transacción modela las cuentas que se modifican y las cuentas que se leen como relaciones de dependencia. Las transacciones sin conflictos se pueden ejecutar en paralelo directamente, mientras que las transacciones con relaciones de dependencia se programarán en orden topológico o se retrasarán. El gráfico de dependencias asegura la consistencia del estado y la no escritura duplicada durante el proceso de ejecución en paralelo.

Ejecución asíncrona y mecanismo de callback

B

En resumen, MegaETH rompe con el modelo tradicional de máquina de estados un hilo EVM, logrando un encapsulamiento de micromáquinas virtuales a nivel de cuenta, programando transacciones a través de un gráfico de dependencias de estado y reemplazando la pila de llamadas sincrónicas con un mecanismo de mensajes asíncronos. Es una plataforma de computación paralela rediseñada en todas las dimensiones desde "estructura de cuenta → arquitectura de programación → flujo de ejecución", que proporciona nuevas ideas a nivel de paradigma para construir sistemas de cadena de alto rendimiento de próxima generación.

MegaETH ha elegido un camino de reconstrucción: abstraer completamente las cuentas y contratos en una VM independiente, mediante la programación de ejecución asíncrona para liberar el máximo potencial de paralelismo. En teoría, el límite de paralelismo de MegaETH es más alto, pero también es más difícil controlar la complejidad, pareciendo más un sistema operativo distribuido superado bajo la filosofía de Ethereum.

El concepto de diseño de Monad y MegaETH es bastante diferente al de la fragmentación (Sharding): la fragmentación divide la cadena de bloques horizontalmente en múltiples subcadenas independientes (fragmentos Shards), cada una de las cuales se encarga de parte de las transacciones y el estado, rompiendo las limitaciones de una sola cadena para la escalabilidad en la capa de red; mientras que Monad y MegaETH mantienen la integridad de la cadena única, expandiéndose horizontalmente solo en la capa de ejecución, optimizando la ejecución paralela extrema dentro de la cadena única para superar el rendimiento. Ambos representan dos direcciones en el camino de escalabilidad de la cadena de bloques: 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 principal de mejorar el TPS en la cadena a través de la ejecución diferida (Deferred Execution) y la arquitectura de micromáquina virtual (Micro-VM) para lograr el procesamiento paralelo a nivel de transacción o de cuenta. Por otro lado, Pharos Network es una red de blockchain L1 modular y de pila completa, cuyo mecanismo central de computación paralela se denomina "Rollup Mesh". Esta arquitectura, mediante la colaboración entre la red principal y las redes de procesamiento especializadas (SPNs), admite entornos 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 de Rollup Mesh:

1. Procesamiento asíncrono de canalización de ciclo de vida completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos desacopla las diferentes etapas de la transacción (como consenso, ejecución, almacenamiento) y utiliza un enfoque de procesamiento asíncrono, lo que permite que cada etapa se realice 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 incrementa la capacidad de procesamiento de transacciones a través de la ejecución paralela.
3. Redes de Procesamiento Especial (SPNs): Las SPNs son componentes clave en la arquitectura Pharos, similares a subredes modularizadas, diseñadas específicamente para manejar tipos particulares de tareas o aplicaciones. A través de las SPNs, Pharos puede lograr la asignación dinámica de recursos y el procesamiento paralelo de tareas, lo que mejora aún más la escalabilidad y el rendimiento del sistema.
4. Consenso modular y mecanismo de restaking (Modular Consensus & Restaking): Pharos introduce un mecanismo de consenso flexible que admite múltiples modelos de consenso (como PBFT, PoS, PoA) y logra un intercambio seguro y la integración de recursos entre la mainnet y los SPNs a través de un protocolo de restaking.

Además, Pharos utiliza árboles de Merkle de múltiples versiones, codificación diferencial (Delta Encoding), edición