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

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

• Ejecución de escalabilidad mejorada: mejorar la capacidad de ejecución en el lugar, como paralelización, GPU, múltiples núcleos
• Escalabilidad de aislamiento de estado: división horizontal del estado / Shard, como fragmentos, UTXO, subredes múltiples
• Escalado de tipo subcontratación fuera de la cadena: realizar la ejecución fuera de la cadena, como Rollup, Coprocessor, DA
• Escalado desacoplado por estructura: modularidad de la arquitectura, funcionamiento colaborativo, por ejemplo, cadenas modulares, ordenadores compartidos, Rollup Mesh
• Escalado asincrónico y concurrente: Modelo Actor, aislamiento de procesos, impulsado por mensajes, por ejemplo, agentes, cadenas asíncronas multihilo

Las soluciones de escalabilidad de blockchain incluyen: computación paralela en cadena, Rollup, fragmentación, módulo DA, estructura modular, sistema Actor, compresión de pruebas zk, arquitectura Stateless, entre otros, abarcando múltiples niveles de ejecución, estado, datos y estructura, constituyendo un sistema completo de escalabilidad "multicapa y modular". Este artículo se centra en presentar el método de escalabilidad basado en computación paralela como el más común.

Paralelismo intra-cadena (intra-chain parallelism), enfocado en la ejecución paralela de transacciones / instrucciones dentro del bloque. Según el mecanismo de paralelismo, sus métodos de escalado se pueden dividir en cinco grandes categorías, cada una representando diferentes objetivos de rendimiento, modelos de desarrollo y filosofías de arquitectura, con un grado de paralelismo cada vez más fino, una intensidad paralela cada vez mayor, así como una complejidad de programación y dificultad de implementación también crecientes.

• 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 entidades Actor (Modelo Agent / Actor), que pertenece a otro paradigma de cálculo paralelo. Como un sistema de mensajes asíncronos entre cadenas (modelo de sincronización no blockchain), cada Agent actúa como un "proceso inteligente" que se ejecuta de forma independiente, utilizando un enfoque paralelo de mensajes asíncronos, 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 mediante fragmentación pertenecen a mecanismos de concurrencia a nivel de sistema y no a la computación paralela dentro de la cadena. Logran escalabilidad a través de "la ejecución en paralelo 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 una comparación de similitudes y diferencias en términos de arquitectura.

Dos, Cadena de mejora paralela EVM: superando los límites de rendimiento en la compatibilidad

La arquitectura de procesamiento en serie de Ethereum ha evolucionado hasta hoy, pasando por intentos de escalado como sharding, Rollup y arquitecturas modularizadas, pero el cuello de botella en el rendimiento de la capa de ejecución aún no ha tenido una ruptura fundamental. Sin embargo, 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, la cadena de mejora paralela de EVM se está convirtiendo en una dirección clave para una nueva ronda de evolución en el escalado, equilibrando la compatibilidad ecológica y la mejora del rendimiento de ejecución. 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 diferida y la descomposición del estado.

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 básico de procesamiento en paralelo (Pipelining), con ejecución asíncrona en la capa de consenso (Asynchronous Execution) y concurrencia optimista en la capa de ejecución (Optimistic Parallel Execution). 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 de tubería

Pipelining es la idea básica de la ejecución paralela de Monads, cuyo núcleo es descomponer 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, con el objetivo final de aumentar el rendimiento y reducir la latencia. Estas etapas incluyen: Propuesta de transacción (Propose), logro de consenso (Consensus), ejecución de transacciones (Execution) y compromiso de bloques (Commit).

Ejecución Asincrónica: Consenso - Desacoplamiento de Ejecución Asincrónica

En la cadena tradicional, el consenso y la ejecución de las transacciones suelen ser procesos síncronos, y este modelo en serie limita gravemente la escalabilidad del rendimiento. Monad logra el consenso asíncrono, la ejecución asíncrona y el almacenamiento asíncrono 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, los procesos más segmentados y la utilización de recursos más alta.

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.
• 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: Optimistic Parallel Execution

Ethereum tradicional utiliza un modelo estricto de ejecución secuencial para evitar conflictos de estado. En cambio, Monad utiliza una estrategia de "ejecución paralela optimista" que mejora 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 secuencial para asegurar la corrección del estado.

Monad eligió un camino compatible: mueve lo menos posible las reglas de EVM, implementa la paralelización mediante la escritura de estado diferida y la detección dinámica de conflictos, se asemeja más a una versión de alto rendimiento de Ethereum, con buena madurez que facilita la migración del ecosistema 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 paralela de alto rendimiento y modular compatible con EVM, que puede funcionar tanto como una cadena pública L1 independiente como una capa de ejecución mejorada 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 dentro de la cadena. La clave de la innovación propuesta por MegaETH radica en la arquitectura Micro-VM + 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 de Micro-VM (micro máquina virtual): la cuenta es un hilo

MegaETH introduce el modelo de ejecución de "una micro máquina virtual (Micro-VM) por cuenta", lo que "hila" el entorno de ejecución y proporciona la unidad de aislamiento mínima para la programación paralela. Estas VM se comunican entre sí mediante mensajería asíncrona (Asynchronous Messaging), en lugar de llamadas sincrónicas, lo que permite que muchas VM se ejecuten y almacenen de forma independiente, de manera natural en paralelo.

State Dependency DAG: mecanismo de programación basado en un gráfico de dependencias

MegaETH ha construido un sistema de programación DAG basado en relaciones de acceso al estado de las cuentas, que mantiene en tiempo real un gráfico de dependencia global (Dependency Graph). Cada transacción modela qué cuentas se modifican y qué cuentas se leen, todo como relaciones de dependencia. Las transacciones sin conflictos pueden ejecutarse en paralelo directamente, mientras que las transacciones con relaciones de dependencia se programarán en orden topológico de forma secuencial o se retrasarán. El gráfico de dependencia 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 el modelo tradicional de máquina de estado de un solo hilo EVM, implementando encapsulación de micromáquinas virtuales a nivel de cuentas, programando transacciones a través de un gráfico de dependencia de estado, y reemplazando la pila de llamadas síncronas 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 proporciona 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 el máximo potencial de paralelismo 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.

La filosofía de diseño de Monad y MegaETH es bastante diferente de la fragmentación (Sharding): la fragmentación divide la blockchain horizontalmente en múltiples subcadenas independientes (fragmentos Shards), donde cada subcadena se encarga de parte de las transacciones y el estado, rompiendo la limitación de una sola cadena para escalar a nivel de red; mientras que Monad y MegaETH mantienen la integridad de la cadena única, ampliando 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 escalamiento 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 dentro de la cadena, logrando un procesamiento paralelo a nivel de transacciones o cuentas mediante la Ejecución Diferida y la arquitectura de Micro-VM. Por otro lado, Pharos Network es una red blockchain L1 modular y de pila completa, cuyo mecanismo central de computación paralela se denomina "Rollup Mesh". Esta arquitectura soporta un entorno de múltiples máquinas virtuales (EVM y Wasm) mediante la colaboración entre la red principal y las Redes de Procesamiento Especial (SPNs), 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 adopta un enfoque de procesamiento asíncrono, lo que permite que cada etapa se realice de manera independiente y en paralelo, mejorando así la eficiencia del procesamiento general.
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 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 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 a través del protocolo de restaking (Restaking) logra la conexión entre la mainnet y los SPNs.