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

I. Resumen de la computación paralela

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

• Ejecución de escalado mejorado: Mejora de la capacidad de ejecución en el lugar, como paralelismo, GPU y múltiples núcleos.
• Escalado por aislamiento de estado: división horizontal del estado/Shard, por ejemplo, fragmentación, UTXO, múltiples subredes
• Escalabilidad externa tipo outsourcing: ejecutar fuera de la cadena, por ejemplo Rollup, Coprocessor, DA
• Expansión 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: computación paralela dentro de la cadena, Rollup, sharding, módulos 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 de "cooperación en múltiples capas y combinación modular". Este artículo se centra en presentar el método de escalabilidad basado en computación paralela como la corriente principal.

Paralelismo intra-cadena (, 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 una granularidad paralela que se vuelve cada vez más fina, una intensidad paralela cada vez mayor, 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 (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 instrucciones (Instruction-level): representa el proyecto GatlingX

Modelo de concurrencia asíncrona fuera de la cadena, representado por el sistema de agentes Actor (Modelo Agent / Actor), que pertenece a otro paradigma de computación paralela. Como sistema de mensajería cruzada / asíncrona (modelo de no sincronización de bloques), cada agente actúa como un "proceso inteligente" que se ejecuta de forma independiente, con mensajería asíncrona en modo paralelo, impulsado por eventos y sin necesidad de programación de sincronización. Proyectos representativos incluyen AO, ICP, Cartesi, entre otros.

Los conocidos esquemas de Rollup o de fragmentación pertenecen a mecanismos de concurrencia a nivel de sistema y no a la 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. Estos esquemas de escalabilidad no son el enfoque principal de este artículo, pero aún así los utilizaremos para comparar las similitudes y diferencias en los conceptos de arquitectura.

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II. Cadena de mejora paralela EVM: Rompiendo los límites de rendimiento en la compatibilidad

La arquitectura de procesamiento en serie de Ethereum ha evolucionado hasta hoy, pasando por varios intentos de escalado como el sharding, Rollup y arquitecturas modulares, pero el cuello de botella de rendimiento en la capa de ejecución aún no ha sido superado de manera fundamental. Sin embargo, al mismo tiempo, 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, las cadenas paralelas del sistema EVM, que equilibran la compatibilidad ecológica y la mejora del rendimiento de ejecución, están comenzando a convertirse en una dirección importante para la evolución del escalado en esta nueva ronda. 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, desde la ejecución con retraso y la descomposición de estado, respectivamente.

) 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 paralela optimista (Optimistic Parallel Execution) en la capa de ejecución. Además, en la capa 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 ejecución paralela en Monad, cuya idea central es descomponer el proceso de ejecución de la blockchain en múltiples etapas independientes y procesarlas en paralelo, formando una arquitectura de tuberías tridimensional. Cada etapa se ejecuta en hilos o núcleos independientes, logrando un procesamiento concurrente entre bloques, y finalmente alcanzando el efecto de aumentar el rendimiento y reducir la latencia. Estas etapas incluyen: propuesta de transacción (Propose), consenso (Consensus), ejecución de transacciones (Execution) y compromiso de bloques (Commit).

Ejecución Asincrónica: desacoplamiento asíncrono de consenso y ejecución

En las cadenas tradicionales, el consenso y la ejecución de las transacciones suelen ser procesos sincrónicos, y este modelo en serie limita gravemente el escalado del rendimiento. Monad implementa la capa de consenso asíncrona, la capa de ejecución asíncrona y el almacenamiento asíncrono a través de la "ejecución asíncrona". Reduzca significativamente el tiempo de bloqueo y la latencia de confirmación, haciendo que el sistema sea más resistente, el proceso de procesamiento más segmentado y la utilización de recursos mayor.

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 completa el consenso.
• Después de completar el consenso, entra directamente en el 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 todas las transacciones en paralelo, asumiendo que la mayoría de las transacciones no tienen conflictos de estado entre sí.
• Ejecutar simultáneamente un "Detector de Conflictos (Conflict Detector###)" para supervisar 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 asegurar la corrección del estado.

Monad eligió un camino compatible: altera lo menos posible las reglas de EVM, logrando la paralelización durante la ejecución mediante la escritura de estado diferida y la detección dinámica de conflictos, asemejándose 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 EVM.

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) Análisis del mecanismo de cálculo paralelo de MegaETH

A diferencia de la ubicación L1 de Monad, MegaETH se posiciona como una capa de ejecución 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 dentro de la cadena y una capacidad de respuesta de baja latencia. La innovación clave 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".

Micro-VM (máquina virtual ligera) arquitectura: cuenta es hilo

MegaETH introduce un 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 muchas VM se ejecuten de forma independiente y almacenen de manera independiente, lo que facilita la paralelización natural.

Dependencia de 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 la cuenta, que mantiene en tiempo real un gráfico de dependencias (Dependency Graph) global. Cada transacción modela las cuentas que modifica y las que lee 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 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 devolución de llamada

B

En resumen, MegaETH rompe con el modelo tradicional de máquina de estado de un solo hilo de EVM, implementando un encapsulamiento de micromáquinas virtuales a nivel de cuentas, programando transacciones a través de un gráfico de dependencia 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" en todas las dimensiones, proporcionando un nuevo enfoque a nivel de paradigma para la construcción de sistemas de cadena en línea 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 una programación de ejecución asincrónica. En teoría, el límite de paralelismo de MegaETH es más alto, pero también es más difícil de controlar la complejidad, asemejándose más a un sistema operativo superdistribuido bajo la filosofía de Ethereum.

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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 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 el procesamiento paralelo a nivel de transacción o cuenta a través de la ejecución diferida (Deferred Execution) y la arquitectura de micro máquina virtual (Micro-VM). Por otro lado, Pharos Network es una red de blockchain L1 modular y de pila completa, cuya mecánica de computación paralela central se denomina "Rollup Mesh". Esta arquitectura apoya el trabajo conjunto 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 asíncrono de tuberías 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, lo que permite que cada fase se realice de manera independiente y en paralelo, aumentando 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, lo que permite 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 de la arquitectura 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, lo que mejora aún más la escalabilidad y el rendimiento del sistema.
4. Consenso modular y mecanismo de restaking (Modular Consensus & Restaking): Pharos ha introducido un mecanismo de consenso flexible que admite múltiples modelos de consenso (como PBFT, PoS, PoA), y a través del protocolo de restaking (Restaking) logra una compartición segura y una integración de recursos entre la mainnet y los SPNs.

Además, Pharos ha reconstruido el modelo de ejecución desde el fondo del motor de almacenamiento mediante múltiples versiones de árboles de Merkle, codificación diferencial (Delta Encoding), direccionamiento por versiones (Versioned Addressing) y la técnica de ADS Pushdown, lanzando el motor de almacenamiento de alto rendimiento Pharos Store nativo de blockchain, logrando alta capacidad de procesamiento, baja latencia y fuerte disponibilidad.