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

I. Resumen del contexto

El "triángulo imposible" de la blockchain "seguridad", "descentralización", "escalabilidad" revela el compromiso esencial en el diseño de sistemas de blockchain, es decir, que es difícil para los proyectos de blockchain lograr simultáneamente "máxima seguridad, participación de todos y procesamiento rápido". En cuanto al eterno tema de la "escalabilidad", las soluciones de escalado de blockchain en el mercado actual se clasifican según paradigmas, incluyendo:

• Ejecución de escalado mejorado: mejorar la capacidad de ejecución en su lugar, como paralelismo, GPU, múltiples núcleos
• Escalabilidad por aislamiento de estado: división horizontal del estado/Shard, como 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 de desacoplamiento estructural: modularidad de la arquitectura, funcionamiento colaborativo, como cadenas modulares, ordenadores compartidos, Rollup Mesh
• Escalado de tipo concurrente asíncrono: modelo Actor, aislamiento de procesos, impulsado por mensajes, como agentes, cadena asíncrona multihilo

Las soluciones de escalabilidad de blockchain incluyen: cálculo paralelo 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 escalabilidad de "cooperación en múltiples capas y combinación de módulos". Este artículo se centra en presentar el método de escalabilidad basado en el cálculo paralelo como la corriente principal.

Cálculo paralelo intra-cadena (intra-chain parallelism), se centra en la ejecución paralela de transacciones/instrucciones dentro de la cadena. Según el mecanismo de paralelismo, sus métodos de escalabilidad se pueden dividir en cinco grandes categorías, cada una de las cuales representa diferentes aspiraciones de rendimiento, modelos de desarrollo y filosofías de arquitectura, con un tamaño de grano paralelo cada vez más fino, una intensidad paralela cada vez mayor, una complejidad de programación y dificultad de implementación también cada vez mayores.

• Paralelismo a nivel de cuenta (: representa el proyecto Solana
• Paralelismo a nivel de objeto ) Object-level (: representa el proyecto Sui
• Paralelismo a nivel de transacción ): Representa el proyecto Monad, Aptos
• Llamada de nivel / MicroVM (: representa el proyecto MegaETH
• Paralelismo a nivel de instrucción ): representa el proyecto GatlingX

Modelo de concurrencia asíncrona fuera de la cadena, representado por el sistema de entidades Actor (Agent / Actor Model), que pertenece a otro paradigma de computación paralela, como sistema de mensajes intercadena/asíncrono ( modelo no sincronizado de bloques), cada Agent actúa como un "proceso inteligente independiente", utilizando un enfoque de mensajes asíncronos, impulsado por eventos, sin necesidad de programación sincronizada, proyectos representativos incluyen AO, ICP, Cartesi, entre otros.

Los esquemas de escalado que conocemos bien, como Rollup o el escalado mediante 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 soluciones de escalado no es el enfoque principal de este artículo, pero aún así las utilizaremos para comparar las similitudes y diferencias en la filosofía de la arquitectura.

Dos, EVM Sistema de Cadena Paralela Mejorada: Rompiendo 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 tenido una ruptura fundamental. Sin embargo, al mismo tiempo, 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 mejorada paralela de EVM se está convirtiendo en una dirección clave para la evolución de la escalabilidad, que equilibra la compatibilidad ecológica y la mejora del rendimiento de ejecución. 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 el concepto fundamental de procesamiento en paralelo )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 respectivamente 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 ejecución paralela de Monad, 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 tubería 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 bloques (Commit).

Ejecución Asincrónica: Consenso - Desacoplamiento de Ejecución Asincrónica

En la cadena tradicional, el consenso y la ejecución de transacciones suelen ser procesos sincrónicos, y este modelo en serie 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". Disminuye significativamente el tiempo de bloque (block time) y la latencia de confirmación, haciendo que el sistema sea más resiliente, con procesos más segmentados y una mayor utilización de recursos.

Diseño central:

• Proceso de consenso ( capa de consenso ) solo se encarga de ordenar transacciones, no ejecuta la lógica de contratos.
• Proceso de ejecución ( capa de ejecución ) se activa de forma asíncrona después de completar el consenso.
• Una vez completado 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: ejecución paralela optimista

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 mejora 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.
• Ejecutar simultáneamente un "conflict detector (Conflict Detector)" para monitorear si las transacciones acceden al mismo estado (, como conflictos de lectura/escritura ).
• Si se detecta un conflicto, se volverá a ejecutar en serie la transacción en conflicto para asegurar la corrección del estado.

Monad eligió un camino compatible: altera lo menos posible las reglas de EVM, y a través de la escritura diferida de estados y la detección dinámica de conflictos, logra la paralelización, pareciendo más una versión de alto rendimiento de Ethereum. Su buena madurez facilita la migración del ecosistema EVM, siendo un acelerador de paralelización en el mundo de 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 compatible con EVM, que puede funcionar tanto como una cadena pública L1 independiente como una capa de mejora de ejecución sobre Ethereum )Execution Layer( o como un componente modular. Su objetivo de diseño central es desestructurar 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 en la cadena y una baja capacidad de respuesta. La clave de la innovación propuesta por MegaETH radica en: Micro-VM arquitectura + State Dependency DAG)gráfico de dependencia de estado acíclico dirigido( y mecanismo de sincronización modular, que en conjunto construyen un sistema de ejecución paralelo orientado a "hilos en la cadena".

Micro-VM) micro máquina virtual ### arquitectura: cuenta es hilo

MegaETH introduce el modelo de ejecución "una micro máquina virtual por cuenta (Micro-VM)", que "hila" el entorno de ejecución, proporcionando la unidad de aislamiento mínima para la programación en paralelo. Estas VM se comunican entre sí a través de mensajería asincrónica (Asynchronous Messaging), en lugar de llamadas sincrónicas, permitiendo que muchas VM se ejecuten de manera independiente y almacenen de forma independiente, lo que resulta en una paralelización natural.

Dependencia del 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 qué cuentas se modifican y qué cuentas se leen, todo 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 secuencial o se pospondrán. 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 sustituyendo la pila de llamadas síncronas por un mecanismo de mensajes asíncronos. Es una plataforma de computación paralela rediseñada en dimensiones completas desde "estructura de cuenta → arquitectura de programación → flujo de ejecución", que ofrece nuevas ideas a nivel de paradigma para construir sistemas en cadena de alto rendimiento de próxima generación.

MegaETH ha elegido un camino de reestructuración: abstraer completamente 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 controlar la complejidad, pareciendo más un sistema operativo distribuido superpotente bajo la filosofía de Ethereum.

Monad y MegaETH tienen diseños conceptuales bastante diferentes a los de la fragmentación (Sharding): la fragmentación divide la blockchain horizontalmente en múltiples subcadenas independientes (fragmentos Shards), donde cada subcadena se encarga de parte de las transacciones y el estado, rompiendo las limitaciones de una sola cadena para escalar en la capa 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 escalado de 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 principal de mejorar el TPS dentro de la cadena. Esto se logra a través de la ejecución diferida (Deferred Execution) y la arquitectura de micro máquina virtual (Micro-VM), permitiendo el procesamiento paralelo a nivel de transacciones o cuentas. Pharos Network, como una red de blockchain L1 modular y de pila completa, tiene un mecanismo de computación paralela central que se llama "Rollup Mesh". Esta arquitectura soporta el trabajo conjunto de la red principal con una red de procesamiento especial (SPNs), admitiendo entornos de múltiples máquinas virtuales (EVM y Wasm), e integrando tecnologías avanzadas como pruebas de conocimiento cero (ZK) y entornos de ejecución confiables (TEE).

Análisis del mecanismo de cálculo paralelo Rollup Mesh:

1. Procesamiento asincrónico de pipelines de ciclo de vida completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining ): Pharos desacopla las diversas etapas de la transacción (, como consenso, ejecución y almacenamiento ), y adopta un enfoque de procesamiento asincrónico, 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 (Dual VM Parallel Execution): Pharos admite 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. Manejo especial de la red (SPNs): Los 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 los SPNs, Pharos puede lograr una asignación dinámica de recursos y un procesamiento paralelo de tareas, lo que mejora aún más la escalabilidad y el rendimiento del sistema.
4. Consenso Modular y Mecanismo de Re-staking (: Pharos introduce un mecanismo de consenso flexible que soporta múltiples modelos de consenso ) como PBFT, PoS, PoA (, y a través del protocolo de re-staking ) se logra un intercambio seguro y la integración de recursos entre la red principal y los SPNs.