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

I. Introducción

El "trilema de la blockchain" (Blockchain Trilemma) de la blockchain, que incluye "seguridad", "descentralización" y "escalabilidad", revela el equilibrio esencial en el diseño de sistemas de blockchain, es decir, 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 en el mercado actual se clasifican según su paradigma, que incluye:

• Ejecución de ampliación mejorada: Mejora de la capacidad de ejecución en el lugar, como la paralelización, GPU y múltiples núcleos.
• Ampliación de aislamiento de estado: división horizontal del estado / Shard, por ejemplo, fragmentación, UTXO, múltiples subredes
• Escalado de tipo outsourcing fuera de la cadena: llevar la ejecución fuera de la cadena, por ejemplo, Rollup, Coprocesador, DA
• Escalado con desacoplamiento estructural: modularidad de arquitectura, operación colaborativa, por ejemplo, cadenas modulares, ordenadores compartidos, Rollup Mesh
• Escalado asincrónico y concurrente: modelo Actor, aislamiento de procesos, impulsado por mensajes, por ejemplo, agentes, cadenas asincrónicas multihilo.

Las soluciones de escalado de blockchain incluyen: computación paralela dentro de 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 combinaciones modulares". Este artículo se centra en presentar el método de escalado basado principalmente en la computación paralela.

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 escalabilidad se pueden dividir en cinco categorías, cada una de las cuales representa diferentes objetivos de rendimiento, modelos de desarrollo y filosofías de arquitectura, donde el grado de paralelismo se vuelve cada vez más fino, la intensidad paralela se incrementa, la complejidad de la programación también aumenta, así como 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
• 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 mensajes asíncronos entre cadenas (modelo de no sincronización de bloques), cada Agente actúa como un "proceso inteligente" que opera de forma independiente, enviando mensajes de manera asíncrona en paralelo, impulsado por eventos y sin necesidad de programación sincronizada. 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. 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 escalado no son el enfoque principal de este artículo, pero aún así las utilizaremos para comparar las similitudes y diferencias en la concepción arquitectónica.

2. Cadena mejorada paralela EVM: superando los límites de rendimiento en la compatibilidad

La arquitectura de procesamiento en serie de Ethereum ha evolucionado hasta hoy, pasando por 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 mayor base de desarrolladores y potencial ecológico en la actualidad. Por lo tanto, las cadenas paralelas que mejoran EVM, como una ruta clave que equilibra la compatibilidad ecológica con la mejora del rendimiento de ejecución, están convirtiéndose en una dirección importante en la evolución de una nueva ronda de escalabilidad. 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 retardada y la descomposición de estados.

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 fundamental de procesamiento en pipelining (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 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 en múltiples etapas

Pipelining es el concepto fundamental de ejecución paralela de Monad, cuya idea central es descomponer el proceso de ejecución de la cadena de bloques en múltiples etapas independientes y procesar estas etapas en paralelo, formando una arquitectura de canalización tridimensional. Cada etapa se ejecuta en hilos o núcleos independientes, logrando un procesamiento concurrente entre bloques y, en última instancia, alcanzando el objetivo de aumentar el rendimiento y reducir la latencia. Estas etapas incluyen: propuesta de transacción (Propose), logro de consenso (Consensus), ejecución de transacciones (Execution) y compromiso de bloques (Commit).

Ejecución Asincrónica: Consenso - Desacoplamiento Asíncrono de Ejecución

En la cadena tradicional, el consenso y la ejecución de las transacciones suelen ser procesos sincrónicos, y este modelo secuencial limita gravemente la escalabilidad del rendimiento. Monad logra la asincronía en la capa de consenso, la capa de ejecución y el almacenamiento a través de "ejecución asincrónica". Esto reduce significativamente el tiempo de bloque y la latencia de confirmación, haciendo que el sistema sea más resistente, 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 después de que se completa el consenso.
• Una vez finalizado el consenso, se inicia inmediatamente 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. Por otro lado, Monad adopta una estrategia de "ejecución paralela optimista", lo que aumenta significativamente la velocidad de procesamiento de las 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 serializada para garantizar la corrección del estado.

Monad eligió un camino compatible: mueve lo menos posible las reglas de EVM, logrando la paralelización mediante el retraso en la escritura de estados y la detección dinámica de conflictos durante el proceso de ejecución, pareciendo más una versión de rendimiento de Ethereum. Su buena madurez facilita la migración del ecosistema EVM, siendo un acelerador de paralelización 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 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 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 manera independiente, para lograr una ejecución de alta concurrencia y una capacidad de respuesta de baja latencia dentro de la cadena. La innovación clave propuesta por MegaETH radica en: 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".

Arquitectura Micro-VM: la cuenta es un hilo

MegaETH introdujo un modelo de ejecución de "una micro-VM (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 un gran número de VM se ejecute de manera independiente y almacene de forma independiente, de manera inherentemente paralela.

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 cuentas que lee 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 manera 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

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En resumen, MegaETH rompe el modelo tradicional de máquina de estados de un solo hilo EVM, implementando un encapsulamiento de micro máquinas virtuales a nivel de cuenta, 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 síncronas. Es una plataforma de computación paralela rediseñada desde la "estructura de cuentas → arquitectura de programación → flujo de ejecución", proporcionando un nuevo enfoque a nivel de paradigma para construir sistemas en cadena 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 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.

La filosofía de diseño de Monad y MegaETH es bastante diferente a la de la fragmentación (Sharding): la fragmentación divide la cadena de bloques horizontalmente en múltiples subcadenas independientes (fragmentos Shards), cada subcadena es responsable de algunas transacciones y estados, 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, expandiéndose horizontalmente solo 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, mediante la ejecución diferida (Deferred Execution) y la arquitectura de micromáquinas virtuales (Micro-VM) para lograr el procesamiento paralelo a nivel de transacción o cuenta. Por otro lado, Pharos Network es una red de blockchain L1 modular y de pila completa, cuyo mecanismo de computación paralela se denomina "Rollup Mesh". Esta arquitectura, a través de la colaboración 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 computación paralela Rollup Mesh:

1. Procesamiento asincrónico de tuberías de ciclo de vida completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos desacopla las diferentes 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 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): 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 restaking (Modular Consensus & Restaking): Pharos introduce un mecanismo de consenso flexible que soporta múltiples modelos de consenso (como PBFT, PoS, PoA), y a través de la re