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

Uno, el contexto y desafíos de la computación paralela en blockchain

El «triángulo imposible» de la blockchain (Blockchain Trilemma) «seguridad», «descentralización», «escalabilidad» revela la esencia del compromiso 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 eterno tema, las soluciones de escalamiento de blockchain más populares en el mercado se clasifican según el paradigma, incluyendo:

• Ejecución de escalado mejorado: mejorar la capacidad de ejecución en el lugar, como la paralelización, GPU, multicore.
• Escalado tipo aislamiento de estado: división horizontal del estado / Shard, como fragmentos, UTXO, múltiples subredes
• Escalado externo de tipo outsourcing: realizar la ejecución fuera de la cadena, por ejemplo Rollup, Coprocesador, DA
• Expansión de desacoplamiento estructural: modularidad arquitectónica, funcionamiento colaborativo, por ejemplo, cadenas modulares, ordenadores compartidos, Rollup Mesh
• Escalado asíncrono y concurrente: Modelo Actor, aislamiento de procesos, impulsado por mensajes, como agentes, cadenas asíncronas multihilo.

Las soluciones de escalado de blockchain incluyen: cálculo paralelo en 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, formando un sistema completo de escalado "multicapa y modular". Este artículo se centra en la forma de escalado que tiene como eje principal el cálculo paralelo.

Computación paralela intra-cadena (intra-chain parallelism), se centra 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 de las cuales representa diferentes objetivos de rendimiento, modelos de desarrollo y filosofías de arquitectura, donde la granularidad de la paralelización se vuelve cada vez más fina, la intensidad de la paralelización 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: 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 asíncrono 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 mensajería asíncrona / cruzada de cadenas (modelo no sincronizado en bloque), cada Agente actúa como un "proceso inteligente" que se ejecuta de manera independiente, enviando mensajes de manera asíncrona en un modo paralelo, impulsado por eventos y sin necesidad de programación de sincronización. Proyectos representativos incluyen AO, ICP, Cartesi, entre otros.

Los conocidos Rollup o los esquemas de escalado por 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. Este tipo de esquemas de escalado no son el enfoque principal de este artículo, pero aún así los utilizaremos para comparar las similitudes y diferencias en los conceptos de arquitectura.

Dos, EVM y la cadena mejorada en paralelo: rompiendo los límites de rendimiento en la compatibilidad

La arquitectura de procesamiento en serie de Ethereum ha pasado por múltiples intentos de escalabilidad, incluyendo fragmentación, 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, EVM y Solidity siguen siendo las plataformas de contratos inteligentes más sólidas en términos de base de desarrolladores y potencial ecológico. Por lo tanto, la cadena de mejora paralela EVM se está convirtiendo en un camino clave que equilibra la compatibilidad ecológica y la mejora del rendimiento de ejecución, y se está convirtiendo en una dirección importante para la próxima evolución de la escalabilidad. Monad y MegaETH son los proyectos más representativos en esta dirección, construyendo arquitecturas de procesamiento paralelo EVM orientadas a escenarios de alta concurrencia y alto rendimiento, desde la ejecución diferida y la descomposición del estado, respectivamente.

Análisis del mecanismo de computación paralela de Monad

Monad es una blockchain de alto rendimiento Layer1 rediseñada para la máquina virtual de Ethereum (EVM), que se basa en el concepto fundamental de procesamiento en paralelo (Pipelining), ejecutando de manera asíncrona en la capa de consenso (Asynchronous Execution) y utilizando 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 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 la ejecución paralela de Monads, cuya idea central es descomponer el proceso de ejecución de la blockchain en múltiples etapas independientes y procesar estas etapas en paralelo, formando una arquitectura de línea de ensamblaje tridimensional. Cada etapa se ejecuta en un hilo o núcleo independiente, 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), consenso (Consensus), ejecución de transacción (Execution) y compromiso de bloque (Commit).

Ejecución Asíncrona: Consenso - Desacoplamiento Asíncrono de Ejecución

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 la asynchronía 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 resistente, 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 asincrónica después de completar el consenso.
• Después de completar el consenso, entrar 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 las transacciones, con el fin de evitar conflictos de estado. Por otro lado, 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 monitorear si las transacciones acceden al mismo estado (como conflictos de lectura / escritura).
• Si se detecta un conflicto, se volverán a ejecutar en serie las transacciones en conflicto para asegurar la corrección del estado.

Monad eligió un camino compatible: modifica las reglas de EVM lo menos posible, implementa la paralelización mediante el retraso en la escritura de estado 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, actuando como un acelerador de paralelización en el mundo de EVM.

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) 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 paralela 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 (Execution Layer) o componente modular en Ethereum. 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, con el fin de lograr una alta ejecución concurrente y una baja capacidad de respuesta en la cadena. La innovación clave 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 "hilos en la cadena".

Arquitectura Micro-VM: la cuenta es un hilo

MegaETH ha introducido un modelo de ejecución de "una micro máquina virtual (Micro-VM) por cuenta", que "hilo" el entorno de ejecución, proporcionando la unidad mínima de aislamiento para la programación paralela. Estas VM se comunican entre sí a través de mensajes asíncronos (Asynchronous Messaging), en lugar de llamadas sincronizadas, permitiendo que un gran número de VM se ejecuten de manera independiente y almacenen de forma independiente, lo que resulta en un paralelismo natural.

Dependencia del 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 global (Dependency Graph). Cada transacción modela las cuentas que se modifican y las cuentas que se leen 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 topológico de forma serial o se retrasarán. 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 el modelo tradicional de máquina de estados de un solo hilo EVM, implementando un encapsulamiento de micromáquinas virtuales a nivel de cuenta, programando transacciones a través de un gráfico de dependencias de estado y reemplazando la pila de llamadas sincrónicas con un mecanismo de mensajes asíncronos. Es una plataforma de computación paralela rediseñada en todas las dimensiones desde "estructura de cuenta → 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 los contratos en una VM independiente, liberando un potencial de paralelismo extremo a través de la programación de ejecución asincrónica. Teóricamente, el límite de paralelismo de MegaETH es más alto, pero también es más difícil de controlar en términos de complejidad, pareciendo más un sistema operativo distribuido superlativo bajo la filosofía de Ethereum.

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Monad y MegaETH tienen conceptos de diseño bastante diferentes en comparación con el sharding: el sharding divide la blockchain horizontalmente en múltiples subcadenas independientes (shards), donde cada subcadena se encarga de parte de las transacciones y el estado, rompiendo las limitaciones de una sola cadena para la escalabilidad 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 la cadena única para superar el rendimiento. Ambos representan dos direcciones en el camino de escalabilidad de la 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 transacción o cuenta a través de la Ejecución Diferida y la arquitectura de Micro-VM. Pharos Network, como una red blockchain L1 modular y de pila completa, tiene un mecanismo de computación paralela central conocido como "Rollup Mesh". Esta arquitectura, a través del trabajo conjunto entre la red principal y las Redes de Procesamiento Especial (SPNs), admite entornos de múltiples máquinas virtuales (EVM y Wasm) e integra tecnologías avanzadas como pruebas de cero conocimiento (ZK) y entornos de ejecución confiables (TEE).

Análisis del mecanismo de computación paralela Rollup Mesh:

1. Procesamiento asíncrono de tuberías de ciclo de vida completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos desacopla las distintas etapas de la transacción (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 a través de 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 reestakeo (Modular Consensus & Restaking): Pharos introduce un mecanismo de consenso flexible que soporta múltiples modelos de consenso (como PBFT