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

El «trilema de blockchain» revela el compromiso esencial en el diseño de sistemas de blockchain, que son «seguridad», «descentralización» y «escalabilidad», es decir, es difícil para los proyectos de blockchain lograr simultáneamente «máxima seguridad, participación universal y procesamiento rápido». En cuanto al eterno tema de la «escalabilidad», las soluciones de escalado de blockchain en el mercado actual se clasifican según paradigmas, incluyendo:

• Ejecución de escalado mejorado: Mejora de la capacidad de ejecución en el lugar, como la paralelización, GPU y múltiples núcleos.
• Escalado por aislamiento de estado: particionamiento horizontal del estado / Shard, por ejemplo, fragmentación, UTXO, múltiples subredes
• Escalado externo por outsourcing: realiza la ejecución fuera de la cadena, por ejemplo, Rollup, Coprocesador, DA
• Escalabilidad de desacoplamiento estructural: modularidad de la arquitectura, operación colaborativa, por ejemplo, cadenas de módulos, ordenadores compartidos, Rollup Mesh
• Escalado asíncrono y concurrente: modelo Actor, aislamiento de procesos, impulsado por mensajes, como agentes, cadenas asíncronas multihilo.

Las soluciones de escalabilidad de blockchain incluyen: cálculo paralelo en la cadena, Rollup, fragmentación, módulos DA, estructuras modular, sistemas Actor, compresión de pruebas zk, arquitecturas Stateless, etc., abarcando múltiples niveles de ejecución, estado, datos y estructura, formando un sistema completo de escalabilidad de "coordinación multicapa y combinación modular". Este artículo se centra en el método de escalabilidad basado en el cálculo paralelo como la forma principal.

Cálculo paralelo dentro de la cadena (intra-chain parallelism), enfocado en la ejecución paralela de transacciones / instrucciones dentro de un 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 filosofía de arquitectura, con un grado de paralelismo que se vuelve cada vez más fino, una intensidad de paralelismo que aumenta, 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: representa el proyecto Sui
• Paralelismo a nivel de transacción (Transaction-level): representa el proyecto Monad, Aptos
• Nivel de llamada / Micro VM 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 agentes Actor (Agent / Actor Model), que pertenece a otro paradigma de cálculo paralelo. Como sistema de mensajes asíncronos / cruzados (modelo de no sincronización de bloques), cada Agente actúa como un "proceso inteligente" que funciona de manera independiente, con mensajes asíncronos en paralelo, impulsado por eventos y sin necesidad de programación sincronizada. Los proyectos representativos incluyen AO, ICP, Cartesi, entre otros.

Los conocidos Rollup o soluciones de escalabilidad por fragmentación pertenecen a mecanismos de concurrencia a nivel de sistema y no a cálculos paralelos dentro de la cadena. Estas soluciones 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 escalabilidad no es el enfoque principal de este artículo, pero aún así las utilizaremos para comparar las similitudes y diferencias en la concepción arquitectónica.

2. EVM Serie de Cadenas Paralelas Mejoradas: 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 el sharding, Rollup y la arquitectura modular, pero el cuello de botella en la capacidad de ejecución sigue sin romperse fundamentalmente. Sin embargo, EVM y Solidity siguen siendo las plataformas de contratos inteligentes con la base de desarrolladores y el potencial ecológico más significativos actualmente. Por lo tanto, las cadenas paralelas de la serie EVM, que equilibran la compatibilidad ecológica y la mejora del rendimiento de ejecución, están convirtiéndose en una dirección clave en la evolución de la 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 con retraso y la descomposición del estado.

Análisis del mecanismo de cálculo paralelo 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 concurrente optimista (Optimistic Parallel Execution) en la capa de ejecución. Además, en las capas 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. Su idea central es descomponer el flujo de ejecución de la blockchain en múltiples etapas independientes y procesar estas etapas de manera paralela, formando una arquitectura de tubería 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 transacciones (Propose), Consenso (Consensus), Ejecución de transacciones (Execution) y Compromiso de bloques (Commit).

Ejecución Asincrónica: Consenso - Desacoplamiento Asíncrono de la Ejecución

En la cadena tradicional, el consenso y la ejecución de las transacciones suelen ser procesos síncronos, y este modelo en serie limita seriamente la escalabilidad del rendimiento. Monad logra la ejecución asíncrona en la capa de consenso, la capa de ejecución y el almacenamiento a través de "ejecución asíncrona". Esto reduce significativamente el tiempo de bloque (block time) y la latencia de confirmación, haciendo que el sistema sea más resiliente, el proceso de manejo 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, sin ejecutar la lógica del contrato.
• El proceso de ejecución (capa de ejecución) se activa de forma asíncrona después de que se complete el consenso.
• Una vez completado el consenso, se pasa inmediatamente al 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, a fin de evitar conflictos de estado. En cambio, Monad adopta una estrategia de "ejecución paralela optimista", lo que mejora significativamente la velocidad de procesamiento de transacciones.

Mecanismo de ejecución:

• Monad ejecutará de manera optimista y en paralelo todas las transacciones, asumiendo que la mayoría de las transacciones no tienen conflictos de estado entre sí.
• 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 en serie para garantizar la corrección del estado.

Monad eligió una ruta compatible: altera lo menos posible las reglas de EVM, implementando la paralelización a través de la escritura diferida de estados y la detección dinámica de conflictos durante la ejecución, pareciendo más una versión de alto rendimiento de Ethereum. Su buena madurez facilita 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 ubicación L1 de Monad, MegaETH se posiciona como una capa de ejecución paralela de alto rendimiento modular compatible con EVM, que puede funcionar tanto como una cadena pública L1 independiente 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 manera independiente, para lograr una ejecución de alta concurrencia 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 + el DAG de dependencia de estado (grafo acíclico dirigido de dependencia de estado) y un mecanismo de sincronización modular, que en conjunto construyen un sistema de ejecución paralela orientado a "hilos dentro de la cadena".

Arquitectura Micro-VM: la cuenta es un hilo

MegaETH introduce el 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 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 resulta en un paralelismo natural.

Dependencia del Estado DAG: mecanismo de programación impulsado 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 transacción modela las cuentas que modifica y las cuentas que lee como relaciones de dependencia. Las transacciones sin conflictos pueden ejecutarse directamente en paralelo, mientras que las transacciones con relaciones de dependencia se programarán y ordenarán secuencialmente 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

B

En resumen, MegaETH rompe con el modelo tradicional de máquina de estado de un solo hilo EVM, implementando 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 cuentas → arquitectura de programación → flujo de ejecución", que ofrece un nuevo enfoque a nivel de paradigma para construir sistemas en cadena de alto rendimiento de próxima generación.

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

La filosofía de diseño de Monad y MegaETH es bastante diferente de la fragmentación (Sharding): la fragmentación divide la cadena de bloques horizontalmente en múltiples subcadenas independientes (Shards), cada subcadena es responsable de parte de las transacciones y el estado, rompiendo las limitaciones de una sola cadena en la expansión a nivel de red; mientras que Monad y MegaETH mantienen la integridad de una sola cadena, solo expandiendo horizontalmente 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 expansión 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 central de mejorar el TPS dentro de la cadena, logrando procesamiento paralelo a nivel de transacción o cuenta a través de la Ejecución Diferida y la arquitectura de Micro-VM. Pharos Network, como una red de blockchain L1 modular y de pila completa, tiene un mecanismo de cálculo paralelo central conocido como "Rollup Mesh". Esta arquitectura trabaja en colaboración con la red principal y redes de procesamiento especiales (SPNs), soportando entornos de múltiples máquinas virtuales (EVM y Wasm), e integrando tecnologías avanzadas como las pruebas de conocimiento cero (ZK) y entornos de ejecución confiables (TEE).

Análisis del mecanismo de computación paralela Rollup Mesh:

1. Procesamiento de tuberías asíncronas de ciclo de vida completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos desacopla las diferentes fases de la transacción (como consenso, ejecución, almacenamiento) y utiliza un enfoque de procesamiento asíncrono, permitiendo que cada fase se realice de manera independiente y en paralelo, lo que mejora la eficiencia general del procesamiento.
2. Ejecución paralela de doble máquina virtual (Dual VM Parallel Execution): Pharos soporta dos entornos de máquina virtual, EVM y WASM, permitiendo 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 a través de 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 particulares 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 mecanismo de re-staking (Modular Consensus & Restaking): Pharos introduce un mecanismo de consenso flexible que soporta múltiples modelos de consenso (como PBFT, PoS, PoA), y a través de un protocolo de re-staking (