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

El "triángulo imposible" de la blockchain (Blockchain Trilemma) "seguridad", "descentralización", "escalabilidad" revela las compensaciones esenciales en el diseño de sistemas blockchain, es decir, es difícil para los proyectos de blockchain lograr "máxima seguridad, participación universal y procesamiento rápido" al mismo tiempo. En cuanto al eterno tema de la "escalabilidad", las soluciones de ampliación de blockchain en el mercado actual se clasifican según paradigmas, incluyendo:

• Ejecución de escalado mejorado: Mejora de la capacidad de ejecución en el lugar, como la paralelización, GPU y múltiples núcleos.
• Escalado por aislamiento de estado: división horizontal del estado / Shard, por ejemplo, fragmentación, UTXO, múltiples subredes
• Escalado fuera de la cadena mediante subcontratación: llevar la ejecución fuera de la cadena, por ejemplo, Rollup, Coprocesador, DA
• Escalado con desacoplamiento de estructuras: modularidad de la arquitectura, operación colaborativa, por ejemplo, cadenas modulares, ordenadores compartidos, Rollup Mesh
• Escalado de tipo concurrente asíncrono: modelo Actor, aislamiento de procesos, impulsado por mensajes, por ejemplo, agentes, cadena asíncrona de múltiples hilos

Las soluciones de escalado de blockchain incluyen: computación paralela dentro de la cadena, Rollup, sharding, 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 completo de escalado de "multinivel y combinación modular". Este artículo se centra en presentar el método de escalado basado en la computación paralela como 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, 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, donde la granularidad del paralelismo se vuelve cada vez más fina, la intensidad del paralelismo aumenta, 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 los proyectos Monad, Aptos
• Nivel de llamada / Micro VM en paralelo (Call-level / 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 Agente/Actor), que pertenecen a otro paradigma de computación paralela. Como un sistema de mensajes asíncronos / cruzados (modelo no de sincronización de bloques), cada Agente actúa como un "proceso inteligente" que funciona de manera independiente, enviando mensajes en paralelo, basado en eventos, sin necesidad de programación de sincronización. Los proyectos representativos incluyen AO, ICP, Cartesi, entre otros.

Los conocidos Rollup o soluciones de escalabilidad por fragmentación pertenecen a mecanismos de concurrencia a nivel de sistema y no a la computación paralela dentro de la cadena. Logran la escalabilidad a través de "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 escalabilidad no es el enfoque principal de este artículo, pero aún así las utilizaremos para comparar las similitudes y diferencias en las ideas arquitectónicas.

Dos, EVM cadena mejorada en paralelo: romper 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 tenido un avance 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 está emergiendo como una dirección clave para la nueva evolución de escalabilidad, al equilibrar la compatibilidad ecológica y la mejora del rendimiento de ejecución. Monad y MegaETH son los proyectos más representativos en esta dirección, desarrollando arquitecturas de procesamiento paralelo de EVM orientadas a escenarios de alta concurrencia y alto rendimiento, desde la ejecución retardada y la descomposición de estados, 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), 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 especializado (MonadDB), logrando una optimización de extremo a extremo.

Pipelining: mecanismo de ejecución paralela de tuberías de múltiples etapas

Pipelining es la idea básica de la ejecución paralela de Monad, cuyo núcleo es dividir el proceso de ejecución de la blockchain en múltiples etapas independientes y procesar estas etapas en paralelo, formando una arquitectura de tuberías tridimensional. Cada etapa se ejecuta en hilos o núcleos independientes, logrando un procesamiento concurrente entre bloques, y en última instancia, logrando 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 Asíncrona: Consenso - Desacoplamiento de Ejecución Asíncrono

En la cadena tradicional, el consenso y la ejecución de transacciones suelen ser procesos sincrónicos, y este modelo secuencial limita gravemente la escalabilidad del rendimiento. Monad logra el consenso asíncrono, la ejecución asíncrona y el almacenamiento asíncrono mediante la «ejecución asíncrona». Esto reduce significativamente el tiempo de bloque y la latencia de confirmación, haciendo que el sistema sea más resiliente, que los procesos de manejo sean más segmentados y que la utilización de recursos sea 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 completar el consenso.
• Después de completar el consenso, entra inmediatamente 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 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 todas las transacciones en paralelo 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 secuencial para garantizar la corrección del estado.

Monad eligió una ruta compatible: altera lo menos posible las reglas de EVM, y durante el proceso de ejecución logra la paralelización mediante la escritura diferida de estados y la detección dinámica de conflictos, pareciendo más una versión de rendimiento de Ethereum, con buena madurez que facilita la migración del ecosistema EVM, siendo un acelerador de paralelización en el mundo EVM.

Análisis del mecanismo de computación en paralelo de MegaETH

A diferencia de la ubicación L1 de Monad, MegaETH se posiciona como una capa de ejecución modular de alto rendimiento y compatible con EVM, que puede funcionar tanto como una cadena pública L1 independiente como una capa de mejora de ejecución 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 clave de la innovación propuesta por MegaETH radica en: arquitectura Micro-VM + DAG de Dependencia de Estado (Directed Acyclic Graph) y mecanismos de sincronización modular, que en conjunto construyen un sistema de ejecución paralela orientado a la "threadización 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", 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, de manera naturalmente paralela.

State Dependency DAG: Mecanismo de programación impulsado por gráficos de dependencias

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 cuentas 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 secuencia 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 paralela.

Ejecución asíncrona y mecanismo de retroalimentación

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En resumen, MegaETH rompe con el modelo tradicional de máquina de estado de un solo hilo EVM, logrando un encapsulamiento de micromáquinas virtuales a nivel de cuenta, mediante la programación de 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 cálculo paralelo rediseñada en todas las dimensiones desde "estructura de cuenta → arquitectura de programación → flujo de ejecución", que ofrece un nuevo enfoque paradigmático para la construcción de sistemas de alta rendimiento en la cadena para la próxima generación.

MegaETH ha elegido un camino de reconstrucción: abstraer completamente las cuentas y los 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 significativamente diferentes a los de la fragmentación (Sharding): la fragmentación divide la cadena de bloques en múltiples subcadenas independientes (fragmentos Shards), donde cada subcadena se encarga de parte de las transacciones y del 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 dentro de la cadena. Logran 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 que utiliza un mecanismo de cálculo paralelo denominado "Rollup Mesh". Esta arquitectura soporta el trabajo conjunto de la red principal con 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 las transacciones (como consenso, ejecución, almacenamiento) y utiliza un método 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 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): Los SPNs son componentes clave en la arquitectura Pharos, similares a subredes modularizadas, diseñadas específicamente para manejar tipos específicos 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 soporta múltiples modelos de consenso (como PBFT, PoS, PoA) y logra la conexión entre la red principal y SPNs a través de un protocolo de restaking.