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

I. Descripción general de la ruta tecnológica de la computación paralela

El "trilema de blockchain" (Blockchain Trilemma) de la "seguridad", "descentralización" y "escalabilidad" revela el compromiso 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 al tema eterno de la "escalabilidad", las soluciones de expansión de blockchain más importantes en el mercado se dividen según paradigmas, incluyendo:

• Ejecución de escalado mejorado: mejora de la capacidad de ejecución en el lugar, como paralelismo, GPU y múltiples núcleos.
• Aislamiento de estado para escalabilidad: división horizontal del estado / Shard, por ejemplo, fragmentación, UTXO, múltiples subredes
• Escalado de tipo fuera de la cadena: colocar la ejecución fuera de la cadena, por ejemplo, Rollup, Coprocesador, DA
• Expansión desacoplada estructural: modularidad de la arquitectura, funcionamiento colaborativo, por ejemplo, cadenas de módulos, ordenadores compartidos, Rollup Mesh
• Escalabilidad concurrente asíncrona: modelo Actor, aislamiento de procesos, impulsado por mensajes, como agentes, cadenas asíncronas multihilo.

Las soluciones de escalado de blockchain incluyen: computación paralela en la cadena, Rollup, fragmentación, módulos 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 de "cooperación en múltiples capas y combinación de módulos". Este artículo se centra en la forma de escalado principal basada en la computación paralela.

Computación paralela dentro de la cadena (intra-chain parallelism), centrada 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, con un grado de paralelismo cada vez más fino, una intensidad de paralelismo cada vez mayor, una complejidad de programación cada vez más alta y una dificultad de implementación también cada vez mayor.

• 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 mensajería asíncrono / cruzada (modelo sin sincronización de bloques), cada Agente actúa como un "proceso inteligente independiente" que envía mensajes de manera asíncrona en paralelo, impulsado por eventos y sin necesidad de programación de sincronización. 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 se consideran cálculos paralelos dentro de la cadena. Estas soluciones 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 soluciones de escalado no es el enfoque principal de este artículo, pero aún así las utilizaremos para comparar las similitudes en la filosofía de arquitectura.

Dos, EVM 系并行增强链: rompiendo 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 sido superado de manera fundamental. Sin embargo, EVM y Solidity siguen siendo las plataformas de contratos inteligentes más respaldadas por desarrolladores y con un potencial ecológico significativo. Por lo tanto, las cadenas paralelas de EVM, que equilibran la compatibilidad ecológica y la mejora del rendimiento de ejecución, están convirtiéndose en una dirección importante para la evolución de una nueva ronda de escalado. 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 diferida y la descomposición del estado.

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 por 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 especializado (MonadDB), logrando una optimización de extremo a extremo.

Pipelining: Mecanismo de ejecución paralela de múltiples etapas

Pipelining es la idea básica de la ejecución paralela de Monad, cuya idea central es dividir el proceso de ejecución de la blockchain en múltiples etapas independientes y procesar estas etapas de manera paralela, formando una arquitectura de tuberías tridimensional. Cada etapa se ejecuta en hilos o núcleos independientes, logrando un procesamiento concurrente entre bloques, y finalmente alcanzando una mejora en el rendimiento y una reducción de la latencia. Estas etapas incluyen: propuesta de transacción (Propose), consenso alcanzado (Consensus), ejecución de transacciones (Execution) y compromiso de bloque (Commit).

Ejecución Asincrónica: Consenso - Desacoplamiento Asíncrono de Ejecución

En las cadenas tradicionales, el consenso y la ejecución de transacciones suelen ser procesos síncronos, 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 la "ejecución asíncrona". Esto reduce significativamente el tiempo de bloque (block time) y la latencia de confirmación, haciendo que el sistema sea más resiliente, con flujos de procesamiento 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 contratos.
• El proceso de ejecución (capa de ejecución) se activa de forma asíncrona después de que se complete 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 incrementa significativamente la velocidad de procesamiento de transacciones.

Mecanismo de ejecución:

• Monad ejecutará optimistamente todas las transacciones en paralelo, asumiendo que la mayoría de las transacciones no tienen conflictos de estado.
• 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 serializará y se volverá a ejecutar la transacción en conflicto para asegurar la corrección del estado.

Monad eligió un camino compatible: modifica las reglas de EVM lo menos posible, implementando la paralelización a través de la escritura diferida de estados y la detección dinámica de conflictos durante el proceso de ejecución, asemejándose más a una versión de rendimiento de Ethereum. Su buena madurez facilita la migración del ecosistema EVM, actuando como un acelerador de paralelización en el mundo de EVM.

Análisis del mecanismo de computación paralela de MegaETH

A diferencia de la ubicación L1 de Monad, MegaETH se posiciona como una capa de ejecución paralela de alto rendimiento 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 forma independiente, para lograr una ejecución concurrente de alta capacidad dentro de la cadena y una capacidad de respuesta de baja latencia. La innovación clave que propone MegaETH es: arquitectura Micro-VM + DAG de dependencia de estado (gráfico 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): la cuenta es un hilo

MegaETH introduce el modelo de ejecución "una Micro-VM por cuenta", que "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, en lugar de llamadas sincrónicas, permitiendo que un gran número de VM se ejecute de manera independiente y almacene de forma independiente, lo que permite una paralelización natural.

Dependencia del Estado DAG: Mecanismo de programación impulsado por grafos 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, todo en forma de relaciones de dependencia. Las transacciones sin conflictos pueden ejecutarse en paralelo directamente, mientras que las transacciones con relaciones de dependencia se programarán en orden topológico de manera secuencial o se retrasarán. 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 callback

B

En resumen, MegaETH rompe el modelo tradicional de máquina de estado de un solo hilo de EVM, implementando un encapsulamiento de micro máquinas virtuales a nivel de cuenta, programando transacciones a través de un gráfico de dependencia de estado, y utilizando un mecanismo de mensajería asíncrona en lugar de la 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 de nivel de paradigma para construir sistemas en cadena de alto rendimiento de próxima generación.

MegaETH ha elegido un camino de reconstrucción: abstraer por completo las cuentas y los 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, pareciendo más un sistema operativo superdistribuido bajo la filosofía de Ethereum.

Monad y MegaETH tienen conceptos de diseño bastante diferentes de la fragmentación (Sharding): la fragmentación divide la cadena de bloques horizontalmente en múltiples subcadenas independientes (fragmentos Shards), cada subcadena es responsable de parte de las transacciones y el estado, rompiendo las limitaciones de la cadena única en la expansión del nivel de red; mientras que Monad y MegaETH mantienen la integridad de la cadena única, expandiendo 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 las rutas de optimización de rendimiento, con el objetivo central de mejorar el TPS dentro de la cadena, logrando un procesamiento paralelo a nivel de transacciones o cuentas a través de la ejecución diferida (Deferred Execution) y la arquitectura de micro máquina virtual (Micro-VM). Pharos Network, como una red de blockchain L1 modular y de pila completa, tiene un mecanismo central de computación paralela conocido como "Rollup Mesh". Esta arquitectura soporta un entorno de múltiples máquinas virtuales (EVM y Wasm) mediante la colaboración entre la red principal y 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 asíncronas de ciclo de vida completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos desacopla las diversas etapas de las transacciones (como consenso, ejecución, almacenamiento) y utiliza un enfoque 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 de la arquitectura 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. 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,