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

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

• Ejecución de escalado mejorado: aumentar la capacidad de ejecución en el lugar, como paralelismo, GPU y múltiples núcleos.
• Escalado por aislamiento de estado: división horizontal del estado/Shard, como fragmentación, UTXO, múltiples subredes
• Escalado fuera de la cadena mediante subcontratación: realizar la ejecución fuera de la cadena, por ejemplo, Rollup, Coprocesador, DA
• Escalado con desacoplamiento estructural: modularidad de la arquitectura, funcionamiento colaborativo, por ejemplo, cadenas modulares, 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 escalado de blockchain incluyen: computación paralela en 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, siendo un sistema completo de escalado de "cooperación multinivel y combinación modular". Este artículo se centra en las soluciones de escalado con computación paralela como enfoque 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 método de expansión se puede dividir en cinco grandes categorías, cada una representando diferentes objetivos de rendimiento, modelos de desarrollo y filosofías de arquitectura, donde la granularidad del paralelismo se vuelve cada vez más fina, la intensidad del paralelismo se incrementa, 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 entidades Actor (Modelo Agente / Actor), pertenece a otro paradigma de cálculo paralelo. Como sistema de mensajería asíncrono / entre cadenas (modelo de no sincronización de bloques), cada Agente actúa como un "proceso inteligente" que funciona de forma independiente, utilizando mensajería asíncrona en paralelo, impulsada por eventos y sin necesidad de programación de sincronización. Proyectos representativos incluyen AO, ICP, Cartesi, entre otros.

Los conocidos Rollup o esquemas de escalado por fragmentación pertenecen a mecanismos de concurrencia a nivel de sistema y no se consideran computación paralela dentro de la cadena. 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 esquemas de escalado no es el enfoque principal de este artículo, pero aún así lo utilizaremos para comparar las similitudes y diferencias en conceptos arquitectónicos.

Dos, Cadena Mejorada Paralela de EVM: Rompiendo los Límites de Rendimiento en la Compatibilidad

La arquitectura de procesamiento en serie de Ethereum ha evolucionado hasta hoy, experimentando múltiples intentos de escalado como el sharding, Rollup y arquitecturas modularizadas, pero el cuello de botella en el rendimiento de la capa de ejecución aún no ha tenido un avance fundamental. Sin embargo, EVM y Solidity siguen siendo las plataformas de contratos inteligentes más sólidas en términos de base de desarrolladores y potencial ecológico. Por lo tanto, la cadena paralela mejorada de EVM, como una ruta clave que equilibra la compatibilidad ecológica y la mejora del rendimiento de ejecución, se está convirtiendo en una dirección importante en la evolución de la próxima ronda de escalado. Monad y MegaETH son los proyectos más representativos en esta dirección, que construyen arquitecturas de procesamiento en paralelo de EVM orientadas a escenarios de alta concurrencia y alto rendimiento, a partir de la ejecución tardía y la descomposición del estado.

Análisis del mecanismo de cálculo paralelo de Monad ###

Monad es una cadena de bloques de alto rendimiento Layer1 rediseñada para la máquina virtual de Ethereum (EVM), basada en el concepto fundamental de procesamiento en paralelo (Pipelining), ejecutando de manera asíncrona en la capa de consenso (Asynchronous Execution) y con concurrencia 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 bases de datos dedicado (MonadDB), logrando una optimización de extremo a extremo.

Pipelining: Mecanismo de ejecución paralela de múltiples etapas

La canalización es el concepto básico de la ejecución paralela de Monad. Su idea central es descomponer el proceso de ejecución de la blockchain en múltiples etapas independientes y procesar estas etapas en paralelo, formando una arquitectura de canalización tridimensional. Cada etapa se ejecuta en hilos o núcleos independientes, logrando un procesamiento concurrente entre bloques, y finalmente alcanzando la mejora del rendimiento y la reducción de la latencia. Estas etapas incluyen: propuesta de transacción (Propose), consenso (Consensus), ejecución de transacciones (Execution) y compromiso de bloques (Commit).

Ejecución Asincrónica: Consenso - Desacoplamiento Asíncrono de Ejecución

En la cadena tradicional, 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 la "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 eficiencia en la 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.
• Después de completar el consenso, ingresa inmediatamente al proceso de consenso del siguiente bloque, sin necesidad de esperar a que se complete la ejecución.

Ejecución Paralela Optimista: Ejecución Paralela Optimista

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 de manera optimista 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 serializarán y volverán a ejecutarse para asegurar la corrección del estado.

Monad eligió un camino compatible: minimizando cambios en las reglas de EVM, logrando paralelismo durante la ejecución mediante la escritura diferida del estado y la detección dinámica de conflictos, pareciendo más una versión de alto rendimiento de Ethereum, con buena madurez que facilita la migración del ecosistema EVM, siendo un acelerador paralelo en el mundo de EVM.

Análisis del mecanismo de cálculo paralelo de MegaETH

A diferencia de la localización L1 de Monad, MegaETH se posiciona como una capa de ejecución 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 sobre Ethereum. 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 innovación clave propuesta por MegaETH radica en: la arquitectura Micro-VM + DAG (grafo acíclico dirigido) de dependencia de estado y el 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 el hilo

MegaETH ha introducido un modelo de ejecución de "máquina virtual micro (Micro-VM) por cada cuenta", que "hila" 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 muchas VM se ejecuten de manera independiente y almacenen de forma independiente, lo que permite la paralelización de manera 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 modifica ciertas cuentas y lee otras, todas modeladas 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 asegura la consistencia del estado y la no escritura duplicada durante el proceso de ejecución en paralelo.

Ejecución asíncrona y mecanismo de retorno de llamada

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En resumen, MegaETH rompe el modelo tradicional de máquina de estado de un solo hilo EVM, implementando un encapsulamiento de micro máquinas 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 síncronas. Es una plataforma de computación paralela rediseñada desde la "estructura de cuentas → arquitectura de programación → flujo de ejecución", que ofrece un nuevo enfoque paradigmático para construir sistemas en cadena de alto rendimiento de próxima generación.

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

Monad y MegaETH tienen conceptos de diseño bastante diferentes de la fragmentación (Sharding): la fragmentación divide la cadena de bloques en múltiples subcadenas independientes (fragmentos Shards), cada una responsable de parte de las transacciones y estados, rompiendo las limitaciones de una sola cadena en la expansión a nivel de red; mientras que Monad y MegaETH mantienen la integridad de la cadena única, solo expandiéndose 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 en la cadena, logrando un procesamiento paralelo a nivel de transacciones o cuentas a través de la ejecución diferida (Deferred Execution) y la arquitectura de micromáquinas virtuales (Micro-VM). Pharos Network, como una red de blockchain L1 modular y de pila completa, tiene su mecanismo de computación paralela central denominado "Rollup Mesh". Esta arquitectura, a través del trabajo conjunto de 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 computación paralelo Rollup Mesh:

1. Procesamiento asíncrono de tuberías de todo el ciclo de vida (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, 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 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, lo que mejora aún más la escalabilidad y el rendimiento del sistema.
4. Consenso modular y mecanismo de reinstalación (Modular Consensus & Restaking): Pharos introduce un mecanismo de consenso flexible, que soporta múltiples modelos de consenso (como PBFT, PoS, PoA), y a través del protocolo de reinstalación (Restaking) se implementa la red principal.