Panorama de la pista de computación paralela Web3: el camino de escalabilidad desde el nivel de cuenta hasta el nivel de instrucción.

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

Uno, el tema eterno de la escalabilidad de blockchain

El "trilema de la blockchain" (Blockchain Trilemma) de la "seguridad", "descentralización" y "escalabilidad" revela la esencia de los compromisos en el diseño de sistemas blockchain, es decir, es difícil para los proyectos de blockchain lograr simultáneamente "máxima seguridad, participación universal y procesamiento rápido". En relación con el tema eterno de la "escalabilidad", las soluciones de escalado de blockchain predominantes en el mercado se clasifican según el paradigma, incluyendo:

  • Ejecución de escalado mejorado: Mejora de la capacidad de ejecución in situ, como paralelismo, GPU, multicore
  • Escalado por aislamiento de estado: división horizontal del estado/Shard, como fragmentos, UTXO, múltiples subredes
  • Escalado de tipo externo: realizar la ejecución fuera de la cadena, por ejemplo, Rollup, Coprocesador, DA
  • Escalado desacoplado por estructura: 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, como agentes, cadenas asíncronas multihilo

Las soluciones de escalabilidad de blockchain incluyen: computación paralela en cadena, Rollup, sharding, módulo DA, estructura modular, sistema Actor, compresión de pruebas zk, arquitectura sin estado, entre otros, abarcando múltiples niveles de ejecución, estado, datos y estructura, constituyendo un sistema de escalabilidad completo de "cooperación multi-nivel y combinación modular". Este artículo se centra en las soluciones de escalabilidad, siendo la computación paralela el enfoque principal.

Cálculo paralelo dentro de la cadena (intra-chain parallelism), que se centra en la ejecución paralela de transacciones/instrucciones dentro del bloque. Según el mecanismo de paralelismo, sus métodos de escalabilidad se pueden dividir en cinco grandes categorías, cada una de las cuales representa diferentes objetivos de rendimiento, modelos de desarrollo y filosofías de arquitectura, aumentando gradualmente la granularidad del paralelismo, la intensidad del paralelismo, la complejidad de la programación y la dificultad de implementación.

  • 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
  • Llamada a nivel / MicroVM 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 agentes inteligentes (Modelo Agente/Actor), que pertenece a otro paradigma de cálculo paralelo. Como sistema de mensajes cruzados/asíncronos (modelo de no sincronización de bloques), cada Agente actúa como un "proceso inteligente" que se ejecuta de forma independiente, utilizando un enfoque paralelo para el envío de mensajes asíncronos, impulsado por eventos y sin necesidad de programación sincronizada. Proyectos representativos incluyen AO, ICP, Cartesi, entre otros.

Las soluciones de Rollup o de fragmentación que nos son familiares pertenecen a mecanismos de concurrencia a nivel de sistema y no a la computación paralela dentro de la cadena. Estas implementan 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 soluciones de escalabilidad no son el enfoque principal de este artículo, pero aún así las utilizaremos para comparar las similitudes y diferencias en las ideas arquitectónicas.

¿Es la mejor solución de escalado nativo? Mapa panorámico del campo de competición de Web3

II. Cadena mejorada de paralelismo EVM: superando los límites de rendimiento en la compatibilidad

La arquitectura de procesamiento en serie de Ethereum ha evolucionado hasta hoy, pasando por múltiples intentos de escalado como fragmentación, Rollup y arquitectura modular, 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 actualmente. Por lo tanto, la cadena paralela de EVM se está convirtiendo en una vía clave que equilibra la compatibilidad ecológica y la mejora del rendimiento de ejecución, y se está convirtiendo 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 del 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 la idea fundamental de procesamiento en paralelo (Pipelining), que ejecuta de manera asíncrona en la capa de consenso (Asynchronous Execution) y utiliza concurrencia 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 dedicado (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 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, mejorando el rendimiento y reduciendo 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 síncronos, y este modelo en serie limita gravemente la escalabilidad del rendimiento. Monad ha logrado la asincronía en la capa de consenso, la capa de ejecución y el almacenamiento a través de "ejecución asíncrona". Esto reduce significativamente el tiempo de bloque y la latencia de confirmación, haciendo que el sistema sea más resiliente, con procesos de manejo más segmentados y una mayor eficiencia en la utilización de recursos.

Diseño central:

  • El proceso de consenso (capa de consenso) solo se encarga de ordenar las transacciones, no de ejecutar la lógica del contrato.
  • El proceso de ejecución (capa de ejecución) se activa de manera asíncrona después de que se completa el consenso.
  • Una vez completado el consenso, se ingresará 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. 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 de manera optimista 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, las transacciones en conflicto se volverán a ejecutar de forma secuencial para garantizar la corrección del estado.

Monad eligió un camino compatible: moviendo lo menos posible las reglas de EVM, logrando la paralelización mediante el retraso en la escritura 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.

Mapa panorámico de la pista de cálculo paralelo Web3: ¿la mejor solución de expansión nativa?

Análisis del mecanismo de cálculo 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 (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 manera independiente, para lograr una ejecución concurrente de alta capacidad y una baja latencia en las respuestas. La innovación clave propuesta por MegaETH radica en: la arquitectura Micro-VM + DAG de dependencia de estado (gráfico de dependencia de estado acíclico dirigido) y un mecanismo de sincronización modular, que juntos construyen un sistema de ejecución paralela orientado a "hilos en la cadena".

Arquitectura Micro-VM (micro máquina virtual): la cuenta es el 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 mensajería asíncrona (Asynchronous Messaging), en lugar de llamadas síncronas, permitiendo que múltiples VM se ejecuten de forma independiente y almacenen de forma independiente, lo que las hace inherentemente paralelas.

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 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 directamente en paralelo, mientras que las transacciones con relaciones de dependencia se programarán en orden topológico de forma serial o se retrasarán. El gráfico de dependencias garantiza la consistencia del estado y la no escritura duplicada durante el proceso de ejecución paralela.

Ejecución asíncrona y mecanismo de callback

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En resumen, MegaETH rompe el modelo tradicional de máquina de estado de un solo hilo EVM, implementando un encapsulamiento de micromáquinas virtuales a nivel de cuenta, programando transacciones a través de gráficos de dependencia de estado, y utilizando un mecanismo de mensajería asíncrono en lugar de una pila de llamadas síncronas. Es una plataforma de computación paralela rediseñada en todas las dimensiones, desde "estructura de cuenta → arquitectura de programación → flujo de ejecución", que ofrece un nuevo enfoque a nivel de paradigma para construir sistemas en cadena de alto rendimiento de próxima generación.

MegaETH eligió 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. Teóricamente, el límite de paralelismo de MegaETH es más alto, pero también es más difícil controlar la complejidad, asemejándose a un sistema operativo super distribuido bajo la filosofía de Ethereum.

Web3 panorama del sector de computación en paralelo: ¿la mejor solución para la expansión nativa?

Monad y MegaETH tienen conceptos de diseño bastante diferentes en comparación con el sharding: el sharding divide la cadena de bloques horizontalmente en múltiples subcadenas independientes (shards), donde cada subcadena se encarga de una parte de las transacciones y el estado, rompiendo la limitación de una sola cadena para la expansión en la capa de red; mientras que Monad y MegaETH mantienen la integridad de la cadena única, expandiéndose horizontalmente solo en la capa de ejecución, logrando una optimización de 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 de cuenta mediante 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, cuyo mecanismo central de computación paralela se conoce como "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 las pruebas de cero conocimiento (ZK) y el entorno de ejecución confiable (TEE).

Análisis del mecanismo de cómputo paralelo Rollup Mesh:

  1. Procesamiento de tuberías asíncronas de ciclo de vida completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos desacopla las diversas etapas de la transacción (como consenso, ejecución, almacenamiento) y utiliza un enfoque de procesamiento asíncrono, lo que permite que cada etapa se lleve a cabo 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 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 mediante la ejecución en paralelo.
  3. Redes de Procesamiento Especial (SPNs): Los SPNs son componentes clave de 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 una asignación dinámica de recursos y un procesamiento en 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 soporta múltiples modelos de consenso (como PBFT, PoS, PoA) y a través del restaking.
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MrRightClickvip
· 07-24 23:24
La expansión es un pozo sin fondo.
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CrossChainBreathervip
· 07-24 23:24
La discusión sobre el plan de escalabilidad ha comenzado de nuevo~
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GmGmNoGnvip
· 07-24 23:19
¿La GPU vuelve a involucrarse en web3?
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NotGonnaMakeItvip
· 07-24 23:19
Ay, por mucho que lo digas, no se puede expandir.
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DecentralizeMevip
· 07-24 23:10
¡Vaya, la cadena de bloques está jugando con universos paralelos otra vez?
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GateUser-1a2ed0b9vip
· 07-24 23:04
¿La ampliación ha llegado pero no hay aumento de velocidad?
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