Informe de investigación en profundidad sobre la computación paralela en Web3: la ruta definitiva para la escalabilidad nativa

I. Introducción: La escalabilidad es un tema eterno, y la paralelización es el campo de batalla definitivo

Desde el nacimiento de Bitcoin, el sistema de blockchain ha enfrentado el problema central de la escalabilidad. La capacidad de procesamiento de transacciones de Bitcoin y Ethereum es limitada, en contraste con los sistemas tradicionales de Web2. No se trata de una solución sencilla que implique aumentar el hardware, sino que proviene de las limitaciones sistémicas en el diseño subyacente de la blockchain.

En la última década, hemos sido testigos del auge y la caída de numerosas soluciones de escalabilidad. Desde la disputa de escalabilidad de Bitcoin hasta la visión de fragmentación de Ethereum, desde los canales de estado hasta Rollup, desde Layer 2 hasta blockchain modular, la industria ha explorado diversas rutas de escalabilidad. Rollup, como la solución principal actual, mejora el TPS mientras mantiene la seguridad de Ethereum. Sin embargo, no ha tocado el verdadero límite de "rendimiento de cadena única" en la capa base de blockchain, especialmente en el nivel de ejecución.

El cálculo paralelo dentro de la cadena está entrando gradualmente en la visión de la industria. Intenta reconstruir completamente el motor de ejecución mientras mantiene la atomicidad de una sola cadena, actualizando la cadena de bloques de "ejecución de transacciones en serie una por una" a un sistema de alta concurrencia de "múltiples hilos + canalizaciones + programación de dependencias". Esto no solo podría lograr un aumento en el rendimiento de cientos de veces, sino que también podría convertirse en la clave para la explosión de aplicaciones de contratos inteligentes.

En realidad, en el ámbito de Web2, la computación de un solo hilo ya ha sido eliminada. Y la cadena de bloques, como un sistema que requiere una alta determinación, no ha podido aprovechar completamente la computación paralela. Nuevas cadenas como Solana, Sui y Aptos han introducido la paralelización a nivel de arquitectura, iniciando esta exploración; mientras que proyectos como Monad y MegaETH han llevado la paralelización dentro de la cadena a un nivel más profundo, mostrando características cada vez más cercanas a los sistemas operativos modernos.

Se puede decir que el cálculo paralelo no solo es un medio de optimización del rendimiento, sino que también es un punto de inflexión en el modelo de ejecución de blockchain. Redefine la lógica básica del procesamiento de transacciones, proporcionando un soporte de infraestructura sostenible para las aplicaciones nativas de Web3 en el futuro. A medida que la carrera de Rollup se homogeniza, el paralelismo en la cadena se está convirtiendo en un factor decisivo en la nueva competencia de Layer1. Esto no solo es una competencia técnica, sino también una lucha de paradigmas. La próxima generación de plataformas de ejecución soberanas en el mundo de Web3 probablemente nacerá de esta lucha de paralelismo en la cadena.

Dos, panorámica del paradigma de escalabilidad: cinco tipos de rutas, cada una con su enfoque

La escalabilidad, como uno de los temas más importantes en la evolución de la tecnología de cadenas públicas, ha dado lugar a la aparición y evolución de casi todos los caminos tecnológicos principales en la última década. Desde la disputa sobre el tamaño de los bloques de Bitcoin, esta carrera técnica sobre "cómo hacer que la cadena funcione más rápido" finalmente se ha diversificado en cinco rutas básicas, cada una con su propia filosofía técnica, dificultad de implementación, modelo de riesgo y escenarios de aplicación.

La primera categoría es la expansión en cadena más directa, como aumentar el tamaño del bloque, acortar el tiempo de generación de bloques, etc. Este método es fácil de entender y desplegar, pero puede tocar riesgos de centralización y otros límites sistémicos, por lo que actualmente ya no es una solución central predominante.

La segunda categoría es la expansión fuera de la cadena, representada por canales de estado y cadenas laterales. Este tipo de ruta traslada la mayor parte de la actividad de transacciones fuera de la cadena, escribiendo solo el resultado final en la cadena principal. Aunque teóricamente se puede expandir indefinidamente el rendimiento, los problemas del modelo de confianza en las transacciones fuera de la cadena, la seguridad de los fondos, entre otros, limitan su aplicación.

La tercera categoría es la ruta de Layer2 Rollup más popular en la actualidad. Se logra la escalabilidad a través de un mecanismo de ejecución fuera de la cadena y verificación en la cadena. Optimistic Rollup y ZK Rollup tienen sus propias ventajas, pero también existen algunos cuellos de botella a medio plazo, como la fuerte dependencia de la disponibilidad de datos y los costos que aún son relativamente altos.

La cuarta categoría es la arquitectura de blockchain modular que ha surgido en los últimos años, como Celestia, Avail, entre otros. Desacopla por completo las funciones centrales de la blockchain, siendo completadas por múltiples cadenas especializadas que realizan diferentes funciones. La ventaja de esta dirección es la flexibilidad para reemplazar los componentes del sistema, pero también enfrenta desafíos como la sincronización y la verificación entre módulos.

La quinta categoría es la optimización de rutas para el cálculo paralelo en la cadena, que también es el objeto de análisis principal de este artículo. Se enfatiza el cambio en la arquitectura del motor de ejecución dentro de una sola cadena para lograr el procesamiento concurrente de transacciones atómicas. La ventaja central de esta dirección radica en que no se necesita depender de una arquitectura de múltiples cadenas para lograr una ruptura en los límites de rendimiento, al mismo tiempo que se proporciona suficiente flexibilidad computacional para la ejecución de contratos inteligentes complejos.

A lo largo de estas cinco categorías de rutas de escalado, lo que se refleja detrás de ellas es un equilibrio sistemático entre el rendimiento, la combinabilidad, la seguridad y la complejidad del desarrollo en blockchain. Ninguna de estas rutas puede resolver todos los problemas, pero juntas forman un panorama de la actualización del paradigma de computación Web3. Y la paralelización en cadena podría ser el campo de batalla definitivo en esta larga guerra de escalado.

Tres, Mapa de Clasificación de Cálculo Paralelo: Las Cinco Grandes Rutas desde la Cuenta hasta la Instrucción

En el proceso de evolución continua de la tecnología de escalado de blockchain, la computación paralela se ha convertido gradualmente en la ruta central para romper el rendimiento. A partir del modelo de ejecución, podemos elaborar un mapa de clasificación claro de la computación paralela, que se puede dividir aproximadamente en cinco rutas tecnológicas: paralelismo a nivel de cuenta, paralelismo a nivel de objeto, paralelismo a nivel de transacción, paralelismo a nivel de máquina virtual y paralelismo a nivel de instrucción. Estas cinco rutas van desde un grado de granularidad más grosero hasta uno más fino, siendo un proceso de refinamiento continuo de la lógica paralela y también una ruta en la que la complejidad del sistema y la dificultad de programación siguen aumentando.

El primer nivel de paralelismo a nivel de cuenta, representado por Solana. Este modelo se basa en un diseño desacoplado de cuenta-estado, que a través de un análisis estático del conjunto de cuentas involucradas en la transacción, determina si existen relaciones de conflicto. Este mecanismo es adecuado para manejar transacciones con una estructura clara, pero puede enfrentar problemas de disminución del paralelismo al lidiar con contratos inteligentes complejos.

La paralelización a nivel de objeto se refina aún más, llevando a cabo la programación concurrente en unidades de "objetos de estado" de mayor granularidad. Aptos y Sui son importantes exploradores en esta dirección. Este enfoque es más versátil y escalable en comparación con la paralelización a nivel de cuenta, pero también introduce un mayor umbral de lenguaje y complejidad en el desarrollo.

La paralelización a nivel de transacciones es una dirección explorada por la nueva generación de cadenas de alto rendimiento, representadas por Monad, Sei y Fuel. Considera las transacciones como unidades de operación atómicas, construyendo un gráfico de transacciones a través de análisis estáticos o dinámicos, y depende de un programador para la ejecución concurrente en tuberías. Este mecanismo requiere un gestor de dependencias y un detector de conflictos extremadamente complejos, pero su capacidad de procesamiento potencial es mucho mayor que la de los modelos de cuentas u objetos.

La paralelización a nivel de máquina virtual incorpora directamente la capacidad de ejecución concurrente en la lógica de programación de instrucciones subyacente de la VM. MegaETH, como "experimento de supermáquina virtual" dentro del ecosistema de Ethereum, está intentando rediseñar el EVM para que soporte la ejecución concurrente de código de contratos inteligentes en múltiples hilos. La mayor dificultad de este enfoque radica en que debe ser completamente compatible con la semántica del comportamiento existente del EVM, al mismo tiempo que se transforma todo el entorno de ejecución y el mecanismo de Gas.

La última categoría es la paralelización a nivel de instrucciones, cuyo concepto proviene de la ejecución fuera de orden y la canalización de instrucciones en el diseño moderno de CPU. El equipo de Fuel ha introducido de manera preliminar un modelo de ejecución reordenable a nivel de instrucciones en su FuelVM. Este enfoque incluso podría llevar el diseño colaborativo entre blockchain y hardware a una nueva altura, convirtiendo la cadena en una verdadera "computadora descentralizada".

En resumen, estas cinco grandes rutas constituyen el espectro de desarrollo del cálculo paralelo dentro de la cadena, desde estructuras de datos estáticas hasta mecanismos de programación dinámica, desde la predicción de acceso al estado hasta la reordenación a nivel de instrucciones, cada avance en la tecnología paralela implica un aumento significativo en la complejidad del sistema y en las barreras de desarrollo. La elección de rutas paralelas por diferentes cadenas públicas también determinará el límite de carga de su futuro ecosistema de aplicaciones, así como su competitividad central en escenarios como Agentes de IA, juegos en cadena y comercio de alta frecuencia en la cadena.

Cuatro, análisis profundo de las dos principales pistas: Monad vs MegaETH

En los múltiples caminos de la evolución de la computación paralela, las dos principales rutas tecnológicas en las que se centra actualmente el mercado son la "cadena de computación paralela construida desde cero" representada por Monad, y la "revolución paralela interna del EVM" representada por MegaETH. Ambas son no solo las direcciones de investigación y desarrollo en las que los ingenieros de criptografía están invirtiendo más intensamente, sino también los dos símbolos más definitivos de la competencia de rendimiento de las computadoras Web3 en la actualidad. La divergencia entre ambas no solo radica en el punto de partida y el estilo de la arquitectura técnica, sino también en los objetos ecológicos que sirven, el costo de migración, la filosofía de ejecución y las rutas estratégicas futuras que son radicalmente diferentes.

Monad es un "purista del cálculo" radical, cuya filosofía de diseño no tiene como objetivo la compatibilidad con la EVM existente, sino que se inspira en bases de datos modernas y sistemas multinúcleo de alto rendimiento para redefinir la forma en que opera el motor de ejecución de blockchain. Su sistema tecnológico central se basa en mecanismos como control de concurrencia optimista, programación de transacciones DAG, ejecución fuera de orden y pipeline por lotes, con el objetivo de elevar el rendimiento de procesamiento de transacciones de la cadena a niveles de millones de TPS. En la arquitectura de Monad, la ejecución y el orden de las transacciones están completamente desacoplados; el sistema primero construye un gráfico de dependencias de transacciones y luego lo entrega al programador para su ejecución en paralelo. Todas las transacciones se consideran unidades atómicas de transacción, con conjuntos de lectura/escritura y instantáneas de estado claros, y el programador realiza ejecuciones optimistas basadas en el gráfico de dependencias, retrocediendo y reejecutando en caso de que ocurran conflictos.

Y lo más crucial es que Monad no ha renunciado a la interoperabilidad con EVM. A través de una capa intermedia similar a un "Lenguaje Intermedio Compatible con Solidity", permite a los desarrolladores escribir contratos utilizando la sintaxis de Solidity, al mismo tiempo que optimiza el lenguaje intermedio y programa en paralelo en el motor de ejecución. Esta estrategia de diseño de "compatibilidad superficial y reestructuración subyacente" mantiene la amabilidad hacia los desarrolladores del ecosistema de Ethereum y maximiza el potencial de ejecución subyacente.

A diferencia de la postura de "constructor de un nuevo mundo" de Monad, MegaETH elige partir del mundo existente de Ethereum y lograr una mejora significativa en la eficiencia de ejecución con un costo de cambio mínimo. MegaETH no deroga la norma EVM, sino que intenta incorporar la capacidad de computación paralela en el motor de ejecución del EVM existente, creando una versión futura de "EVM multinúcleo". Su principio básico radica en una reconstrucción completa del modelo de ejecución de instrucciones EVM actual, dotándolo de capacidades como aislamiento a nivel de hilo, ejecución asíncrona a nivel de contrato y detección de conflictos de acceso al estado, permitiendo así que múltiples contratos inteligentes se ejecuten simultáneamente en el mismo bloque y finalmente fusionen los cambios de estado.

El avance central de MegaETH radica en su mecanismo de programación de múltiples hilos de VM. El EVM tradicional adopta un modelo de ejecución de hilo único basado en pila, donde cada instrucción se ejecuta de manera lineal y la actualización del estado debe ocurrir de forma sincrónica. MegaETH rompe este patrón al introducir una pila de llamadas asincrónicas y un mecanismo de aislamiento del contexto de ejecución, logrando así la ejecución simultánea de "contextos EVM concurrentes". Cada contrato puede invocar su propia lógica en un hilo independiente, mientras que todos los hilos realizan la detección de conflictos y la convergencia del estado a través de una capa de sincronización paralela al momento de someter el estado final.

En cierto sentido, las dos rutas de Monad y MegaETH no solo son dos formas de implementación de caminos tecnológicos paralelos, sino que también representan la clásica confrontación entre la "escuela de reconstrucción" y la "escuela de compatibilidad" en el desarrollo de blockchain: la primera busca una ruptura de paradigma, reconstruyendo toda la lógica desde la máquina virtual hasta la gestión del estado subyacente, para lograr un rendimiento extremo y una plasticidad arquitectónica; la segunda busca una optimización gradual, empujando los sistemas tradicionales al límite, respetando las restricciones del ecosistema existente, y así reduciendo al máximo los costos de migración. No hay una superioridad absoluta entre ambos, sino que sirven a diferentes grupos de desarrolladores y visiones ecológicas.

Cinco, oportunidades y desafíos futuros de la computación paralela

A medida que la computación paralela pasa gradualmente del diseño en papel a la implementación en cadena, el potencial que libera se vuelve cada vez más concreto y medible. Por un lado, hemos visto que nuevos paradigmas de desarrollo y modelos de negocio comienzan a redefinirse en torno a "alto rendimiento en cadena": lógicas de juegos en cadena más complejas, ciclos de vida de agentes de IA más reales, protocolos de intercambio de datos más en tiempo real, experiencias de interacción más inmersivas, e incluso sistemas operativos Super App colaborativos en cadena, todos están pasando de "si se puede hacer" a "qué tan bien se puede hacer". Por otro lado, lo que realmente impulsa la transición de la computación paralela no es solo la mejora lineal del rendimiento del sistema, sino también la transformación estructural de los límites cognitivos de los desarrolladores y los costos de migración del ecosistema.

Primero, desde la perspectiva de oportunidades, el beneficio más directo es "la eliminación del techo de aplicación". Actualmente, muchas aplicaciones de DeFi, juegos y redes sociales están limitadas por cuellos de botella en el estado, costos de Gas y problemas de latencia.