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

I. Contexto de la aplicación de la computación paralela en blockchain

El "triángulo imposible" de la blockchain (Blockchain Trilemma) revela las compensaciones esenciales en el diseño de sistemas blockchain, donde es difícil para los proyectos de blockchain lograr simultáneamente "máxima seguridad, participación universal y procesamiento veloz". En cuanto a la "escalabilidad", este tema eterno, las soluciones de escalado de blockchain predominantes en el mercado se clasifican según paradigmas, incluyendo:

• Ejecución de escalabilidad mejorada: Mejora de la capacidad de ejecución in situ, como la paralelización, GPU y multicore.
• Escalado por aislamiento de estado: división horizontal del estado/Shard, como fragmentos, UTXO, múltiples subredes
• Expansión de tipo de externalización fuera de la cadena: colocar la ejecución fuera de la cadena, por ejemplo, Rollup, Coprocesador, DA
• Escalabilidad mediante desacoplamiento de estructuras: modularidad en la arquitectura, funcionamiento colaborativo, por ejemplo, cadenas modulares, ordenadores compartidos, Rollup Mesh
• Escalado de tipo asíncrono y concurrente: modelo Actor, aislamiento de procesos, impulsado por mensajes, por ejemplo, agentes, cadena asíncrona 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, siendo un sistema completo de escalabilidad "multicapa y modular". Este artículo se centra en las soluciones de escalabilidad con computación paralela como enfoque principal.

Cálculo paralelo dentro de la cadena (intra-chain parallelism), enfocado en la ejecución paralela de transacciones/instrucciones dentro de los bloques. Según el mecanismo de paralelismo, sus métodos de escalabilidad se pueden dividir en cinco grandes categorías, cada una representando diferentes objetivos de rendimiento, modelos de desarrollo y filosofías de arquitectura; a su vez, el grado de paralelismo se vuelve cada vez más fino, la intensidad de paralelismo aumenta, la complejidad de programación también aumenta, y la dificultad de implementación se vuelve cada vez mayor.

• 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 de nivel de llamada / MicroVM: representa el proyecto MegaETH
• Paralelismo a nivel de instrucciones (Instruction-level): representa el proyecto GatlingX

Modelo de concurrencia asíncrona fuera de la cadena, representado por el sistema de entidades Actor (Modelo de Agente/Actor), que pertenece a otro paradigma de cálculo paralelo. Como sistema de mensajes cruzados/asíncronos (modelo de no sincronización de bloques), cada Agente actúa como un "proceso inteligente" que opera de manera independiente, utilizando un enfoque de mensajes asíncronos, impulsado por eventos y sin necesidad de programación de sincronización. Proyectos representativos incluyen AO, ICP, Cartesi, etc.

Las soluciones de escalado que conocemos bien, como Rollup o el sharding, pertenecen a mecanismos de concurrencia a nivel de sistema y no a la computación paralela dentro de la cadena. Estas soluciones logran escalado 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 así las utilizaremos para comparar las diferencias en la concepción de la arquitectura.

II. 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, pasando por múltiples intentos de escalabilidad como el sharding, Rollup y arquitecturas modularizadas, pero el cuello de botella en la capacidad de ejecución sigue sin ser superado de manera fundamental. Sin embargo, EVM y Solidity siguen siendo las plataformas de contratos inteligentes más respaldadas por desarrolladores y con un gran potencial ecológico en la actualidad. Por lo tanto, las cadenas paralelas de EVM se están convirtiendo en una dirección clave para la evolución de la escalabilidad, equilibrando la compatibilidad ecológica y la mejora del rendimiento de ejecución. Monad y MegaETH son los proyectos más representativos en esta dirección, construyendo una arquitectura de procesamiento paralelo de EVM orientada a escenarios de alta concurrencia y alta capacidad de procesamiento, a partir de la ejecución retrasada y la descomposición del estado.

Análisis del mecanismo de cálculo en 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 dedicado (MonadDB), logrando una optimización de extremo a extremo.

Pipelining: Mecanismo de ejecución paralela de múltiples etapas

Pipelining es el concepto fundamental de la ejecución paralela de Monads, cuya idea central es dividir el proceso de ejecución de la cadena de bloques en múltiples etapas independientes y procesar estas etapas en paralelo, formando una arquitectura de tubería tridimensional. Cada etapa se ejecuta en hilos o núcleos independientes, logrando un procesamiento concurrente entre bloques, y finalmente alcanzando el objetivo de aumentar el rendimiento y reducir la latencia. Estas etapas incluyen: propuesta de transacción (Propose), consenso (Consensus), ejecución de transacción (Execution) y compromiso de bloque (Commit).

Ejecución Asincrónica: Desacoplamiento Asíncrono de Consenso y Ejecución

En las cadenas tradicionales, el consenso y la ejecución de las transacciones suelen ser un proceso sincrónico, lo que 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 asíncrona". Esto reduce significativamente el tiempo de bloque 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, no de 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 que se complete el consenso, se pasará 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, con el fin de 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 en serie para garantizar la corrección del estado.

Monad eligió un camino compatible: mueve lo menos posible las reglas de EVM, logrando la paralelización a través de la escritura de estado diferida y la detección dinámica de conflictos durante el proceso de ejecución, pareciendo más una versión de alto rendimiento de Ethereum. Su buena madurez facilita la migración del ecosistema de EVM, siendo un acelerador de paralelización 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 modular de alto rendimiento compatible con EVM, que puede funcionar tanto como una cadena pública L1 independiente, como una capa de ejecución mejorada en Ethereum (Execution Layer) 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 dentro de la cadena y una capacidad de respuesta de baja latencia. La innovación clave que propone MegaETH es: arquitectura Micro-VM + DAG de Dependencia de Estado (Directed Acyclic Graph) y un mecanismo de sincronización modular, que juntos construyen un sistema de ejecución paralela orientado a "hilos dentro de la cadena".

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

MegaETH introduce un modelo de ejecución de "una Micro-Virtual Machine (Micro-VM) por cuenta", "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 un gran número de VM se ejecute de manera independiente y almacene de forma independiente, lo que resulta en una paralelización natural.

Dependencia de Estado DAG: Mecanismo de programación impulsado por grafos 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 modifica y las que lee 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 secuencial 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 en paralelo.

Ejecución asíncrona y mecanismo de callback

B

En resumen, MegaETH rompe el modelo tradicional de máquina de estado de un solo hilo de EVM, implementando un encapsulado de micromáquinas virtuales a nivel de cuentas, 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 en todas las dimensiones desde "estructura de cuentas → arquitectura de programación → flujo de ejecución", que ofrece un nuevo enfoque a nivel de paradigma para la construcción de sistemas en cadena de alto rendimiento de próxima generación.

MegaETH ha elegido un camino de reestructuración: abstraer completamente las cuentas y los contratos en una VM independiente, liberando el 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, 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 (fragmentos Shards), cada una responsable de parte de las transacciones y el estado, rompiendo las limitaciones de una sola cadena en la capa de red; mientras que Monad y MegaETH mantienen la integridad de la cadena única, extendiéndose 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 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 principal de mejorar el TPS en la cadena, logrando el procesamiento paralelo a nivel de transacción o de cuenta a través de la ejecución diferida (Deferred Execution) y la arquitectura de micromáquinas virtuales (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 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 Rollup Mesh:

1. Procesamiento de tuberías asíncronas 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 dos máquinas virtuales (Dual VM Parallel Execution): Pharos admite dos entornos de máquina virtual, EVM y WASM, que permiten 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): Los 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 los SPNs, Pharos puede lograr la asignación dinámica de recursos y el procesamiento paralelo de tareas, mejorando aún más la escalabilidad y el rendimiento del sistema.
4. Consenso Modular y Mecanismo de Reapuesta (Modular Consensus & Restaking): Pharos ha introducido un mecanismo de consenso flexible que admite varios modelos de consenso (como PBFT, PoS, PoA) y a través del protocolo de reapuesta (