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

El "triángulo imposible" de la blockchain, que incluye "seguridad", "descentralización" y "escalabilidad", revela la esencia de los compromisos en el diseño de sistemas blockchain, es decir, es difícil para un proyecto de blockchain lograr simultáneamente "máxima seguridad, accesibilidad para todos y procesamiento rápido". En cuanto al eterno tema de la "escalabilidad", las soluciones de expansión de blockchain más populares en el mercado se clasifican según paradigmas, incluyendo:

• Ejecutar escalabilidad mejorada: mejorar la capacidad de ejecución en el lugar, como paralelización, GPU, multicore.
• Escalado por aislamiento de estado: división horizontal del estado / Shard, como fragmentos, UTXO, múltiples subredes
• Escalado fuera de la cadena mediante outsourcing: realizar la ejecución fuera de la cadena, por ejemplo, Rollup, Coprocesador, DA
• Escalabilidad desacoplada estructuralmente: 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 escalabilidad de blockchain incluyen: cálculo paralelo en la 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, formando un sistema de escalabilidad completo de "coordinación en múltiples capas y combinación de módulos". Este artículo se centra en las formas de escalabilidad donde el cálculo paralelo es la principal.

Cálculo paralelo intra-cadena (intra-chain parallelism), enfocado en la ejecución paralela de transacciones / instrucciones dentro de un bloque. Según el mecanismo de paralelismo, su forma de escalamiento se puede dividir en cinco grandes categorías, cada una representa diferentes aspiraciones de rendimiento, modelos de desarrollo y filosofías de arquitectura, con un grado de paralelismo cada vez más fino, una intensidad de paralelismo cada vez mayor, una complejidad de programación cada vez más elevada y una dificultad de implementación también creciente.

• 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
• 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 de Agente/Actor), que pertenece a otra paradigma de cálculo paralelo. Como sistema de mensajes asíncronos y cruzados (modelo de no sincronización de bloques), cada Agente actúa como un "proceso inteligente" que opera de manera independiente, enviando mensajes de forma asíncrona y basada en eventos, sin necesidad de programación de sincronización. Los proyectos representativos incluyen AO, ICP, Cartesi, entre otros.

Los conocidos Rollup o soluciones de escalado por fragmentación pertenecen a mecanismos de concurrencia a nivel de sistema y no a la computación paralela dentro de la cadena. Se implementan mediante "la ejecución paralela de múltiples cadenas / dominios de ejecución" para lograr escalabilidad, en lugar de aumentar la paralelización dentro de un solo bloque / máquina virtual. Este tipo de soluciones de escalado no son el foco de discusión de este artículo, pero aún así las utilizaremos para comparar las similitudes en las ideas arquitectónicas.

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

La arquitectura de procesamiento en serie de Ethereum ha evolucionado hasta hoy, atravesando múltiples intentos de escalabilidad como el sharding, Rollup y arquitecturas modularizadas, pero el cuello de botella en el rendimiento de 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 más sólida y el mayor potencial ecológico en la actualidad. Por lo tanto, las cadenas paralelas de EVM se están convirtiendo en una dirección clave para la próxima ronda de evolución de escalabilidad, ya que equilibran 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 dirigidas a escenarios de alta concurrencia y alto rendimiento, partiendo de la ejecución diferida 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 básico de procesamiento en tuberías (Pipelining), con ejecución asíncrona en la capa de consenso (Asynchronous Execution) y ejecución paralela 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 dedicado (MonadDB), logrando una optimización de extremo a extremo.

Pipelining: Mecanismo de ejecución paralela de múltiples etapas

Pipelining es el concepto básico de ejecución paralela de Monad, cuya idea central es descomponer el proceso de ejecución de la blockchain en múltiples etapas independientes y procesar estas etapas en paralelo, formando una estructura 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 transacción (Propose), consenso (Consensus), ejecución de transacciones (Execution) y compromiso de bloque (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 secuencial limita seriamente la escalabilidad del rendimiento. Monad logra consenso asíncrono, ejecución asíncrona y almacenamiento asíncrono a través de "ejecución asíncrona". Esto reduce significativamente el tiempo de bloque y la latencia de confirmación, haciendo el sistema más resiliente, con procesos más segmentados y una mayor 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 forma asíncrona una vez completada la consenso.
• Una vez completado el consenso, se procede 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. Por otro lado, Monad adopta una estrategia de "ejecución paralela optimista", lo que aumenta significativamente la velocidad de procesamiento de transacciones.

Mecanismo de ejecución:

• Monad ejecutará paralelamente todas las transacciones de manera optimista, 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 de forma serializada para asegurar la corrección del estado.

Monad eligió un camino compatible: moviendo lo menos posible las reglas de EVM, logrando paralelismo durante el proceso de ejecución mediante la escritura de estado retrasada y la detección dinámica de conflictos, más parecido a una versión de rendimiento de Ethereum, con una buena madurez que facilita la migración del ecosistema EVM, siendo un acelerador de paralelismo en el mundo EVM.

Análisis del mecanismo de cálculo en 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 mejora de ejecución en Ethereum o como 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 alta ejecución concurrente dentro de la cadena y una baja capacidad de respuesta. La innovación clave propuesta por MegaETH radica en: la arquitectura Micro-VM + DAG de Dependencia de Estado (Diagrama 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 (micro máquina virtual): cuenta como hilo

MegaETH introduce el modelo de ejecución de "una micro máquina virtual (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, lo que permite que muchas VM se ejecuten de forma independiente y almacenen de forma independiente, de manera inherentemente paralela.

Dependencia del Estado DAG: Mecanismo de programación impulsado por gráficos de dependencia

MegaETH ha construido un sistema de programación DAG basado en la relación de acceso al estado de la cuenta, que mantiene en tiempo real un gráfico de dependencias global (Dependency Graph). Cada vez que una transacción modifica qué cuentas, lee qué cuentas, todo se modela como relaciones de dependencia. Las transacciones sin conflictos se pueden ejecutar directamente en paralelo, y las transacciones con relaciones de dependencia se programarán de manera secuencial 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 callback

B

En resumen, MegaETH rompe con 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 dependencias de estado y utilizando un mecanismo de mensajes asíncronos en lugar de una pila de llamadas sincrónicas. Es una plataforma de computación paralela rediseñada en toda su dimensión desde "estructura de cuentas → arquitectura de programación → flujo de ejecución", proporcionando un nuevo enfoque paradigmático para construir sistemas de alta rendimiento en la cadena de próxima generación.

MegaETH eligió un camino de reconstrucción: abstraer completamente cuentas y contratos en una VM independiente, liberando el máximo potencial 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 términos de complejidad, asemejándose más a un sistema operativo superdistribuido bajo la filosofía de Ethereum.

Monad y MegaETH tienen principios de diseño bastante diferentes en comparación con el sharding: el sharding divide la cadena de bloques horizontalmente en múltiples subcadenas independientes (Shards), cada subcadena es responsable de parte de las transacciones y el estado, rompiendo la limitación de una sola cadena para la expansión a nivel de red; mientras que Monad y MegaETH mantienen la integridad de una sola cadena, solo expandiéndose horizontalmente en la capa de ejecución, optimizando la ejecución paralela extrema dentro de una sola cadena para superar el rendimiento. Ambos representan dos direcciones en el camino de expansión 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 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 un mecanismo de computación paralela central llamado "Rollup Mesh". Esta arquitectura soporta un entorno de múltiples máquinas virtuales (EVM y Wasm) mediante el trabajo conjunto de la red principal y las redes de procesamiento especializadas (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 asincrónicas de ciclo de vida completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos desacopla las distintas etapas de la transacción (como consenso, ejecución, almacenamiento) y utiliza un enfoque de procesamiento asincrónico, 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 máquinas virtuales, 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 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 la asignación dinámica de recursos y el procesamiento paralelo de tareas, lo que mejora aún más la escalabilidad y el rendimiento del sistema.
4. Mecanismo de consenso modular y re-delegación (Mo