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

I. Contexto del desarrollo de la computación paralela en el ámbito de la blockchain

El "triángulo imposible" de la blockchain "seguridad", "descentralización", "escalabilidad" ( revela la compensación 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, procesamiento rápido". En cuanto al eterno tema de "escalabilidad", las soluciones de escalado de blockchain más populares en el mercado se clasifican según su paradigma, incluyendo:

• Ejecución de escalabilidad mejorada: mejora de la capacidad de ejecución en el lugar, por ejemplo, paralelismo, GPU, multicore
• Escalado de aislamiento de estado: división horizontal del estado/Shard, como fragmentación, UTXO, múltiples subredes
• Escalado fuera de la cadena por subcontratación: realizar la ejecución fuera de la cadena, por ejemplo, Rollup, Coprocesador, DA
• Escalabilidad con desacoplamiento de estructura: modularidad de arquitectura, operación conjunta, por ejemplo, cadena de módulos, ordenadores compartidos, Rollup Mesh
• Escalado asíncrono y concurrente: Modelo Actor, aislamiento de procesos, impulsado por mensajes, por ejemplo, agentes, cadenas asíncronas multihilo.

Las soluciones de escalado de blockchain incluyen: cálculo paralelo dentro de 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 colaboración multi-nivel y combinación modular". Este artículo se centra en presentar el método de escalado predominante basado en el cálculo paralelo.

La computación paralela dentro de la cadena )intra-chain parallelism( 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 arquitectónicas, con un tamaño de grano paralelo cada vez más fino, una mayor intensidad de paralelismo, una complejidad de programación y dificultad de implementación cada vez mayores.

• Paralelismo a nivel de cuenta ): 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
• Llamada de nivel / MicroVM paralela )Call-level / 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 inteligentes Actor (Agent / Actor Model), pertenecen a otro paradigma de computación paralela, como sistema de mensajes intercadena/asíncronos (modelo de no sincronización de bloques), cada Agente actúa como un "proceso inteligente" que se ejecuta de forma independiente, con mensajes asíncronos en modo paralelo, impulsados por eventos, 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 a cálculos paralelos 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 son el foco de discusión de este artículo, pero aún así las utilizaremos para comparar las diferencias en los conceptos arquitectónicos.

II. Cadena mejorada de paralelismo EVM: 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 sharding, Rollup y arquitecturas modulares, 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 sólidos en la actualidad. Por lo tanto, la cadena paralela de EVM, como una ruta clave que equilibra la compatibilidad ecológica y la mejora del rendimiento de ejecución, está convirtiéndose en una dirección importante en esta nueva ronda de evolución del 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 de estados, 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###, que ejecuta la capa de consenso de manera asíncrona (Asynchronous Execution) y la capa de ejecución con concurrencia optimista (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 de múltiples etapas de tuberías

Pipelining es el concepto básico de la ejecución paralela de los 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 tubería tridimensional. Cada etapa se ejecuta en hilos o núcleos independientes, 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 la transacción ( Execution ) y compromiso del bloque ( Commit ).

Ejecución Asíncrona: Consenso - Ejecución Desacoplada Asíncrona

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 mediante "ejecución asíncrona". Esto reduce significativamente el tiempo de bloque (block time) y la latencia de confirmación, haciendo que el sistema sea más resistente, los procesos más segmentados y la utilización de recursos más eficiente.

Diseño central:

• Proceso de consenso ( Capa de consenso ) solo se encarga de ordenar transacciones, no ejecuta la lógica del contrato.
• Proceso de ejecución ( capa de ejecución ) se activa de forma asíncrona después de completar el consenso.
• Una vez completado el consenso, se 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 estrictamente secuencial para la ejecución de 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 en paralelo de manera optimista, asumiendo que la mayoría de las transacciones no tienen conflictos de estado entre sí.
• Ejecutar simultáneamente un "Detección 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 las transacciones en serie para garantizar la corrección del estado.

Monad eligió un camino de compatibilidad: minimizando cambios en las reglas de EVM, logrando paralelismo al retrasar la escritura de estados y detectar dinámicamente conflictos durante la ejecución, es más como una versión de alto rendimiento de Ethereum, con una buena madurez que facilita la migración del ecosistema EVM, siendo un acelerador de paralelismo en el mundo EVM.

( Análisis del mecanismo de computación en paralelo de MegaETH

A diferencia de la localización 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 )Execution Layer( 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, logrando así una alta ejecución concurrente y una baja latencia en las respuestas dentro de la cadena. La innovación clave propuesta por MegaETH radica en: arquitectura Micro-VM + DAG de dependencia de estado ) gráfico acíclico dirigido de dependencia de estado ### y mecanismos de sincronización modular, construyendo conjuntamente un sistema de ejecución paralela orientado a "hilos dentro de la cadena".

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

MegaETH introduce el modelo de ejecución "una micro máquina virtual por cuenta (Micro-VM)", "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, permitiendo que muchas VM se ejecuten de forma independiente y almacenen de forma independiente, naturalmente en paralelo.

Estado de dependencia DAG: mecanismo de programación impulsado por un gráfico de dependencias

MegaETH ha construido un sistema de programación DAG basado en relaciones de acceso al estado de la cuenta, el sistema mantiene en tiempo real un gráfico de dependencias global ( Dependency Graph ), cada transacción modifica qué cuentas, lee qué cuentas, todo modelado 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 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 devolución de llamada

B

En resumen, MegaETH rompe el modelo tradicional de máquina de estado de un solo hilo de EVM, implementando un encapsulamiento de micromáquinas virtuales a nivel de cuentas, programando transacciones a través de gráficos de dependencia de estado y sustituyendo la pila de llamadas síncronas por un mecanismo de mensajes asíncronos. Es una plataforma de cálculo paralelo rediseñada en todas las dimensiones desde "estructura de cuentas → arquitectura de programación → flujo de ejecución", proporcionando un nuevo enfoque a nivel de paradigma para construir sistemas de cadena en línea de alta rendimiento de próxima generación.

MegaETH ha elegido un camino de reconstrucción: abstraer completamente las cuentas y contratos en una VM independiente, liberando un potencial de paralelismo extremo 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 distribuido superado bajo la filosofía de Ethereum.

La filosofía de diseño de Monad y MegaETH es bastante diferente de la fragmentación (Sharding): la fragmentación divide la cadena de bloques en múltiples subcadenas independientes (fragmentos Shards), cada subcadena se encarga de parte de las transacciones y estados, rompiendo las limitaciones de una sola cadena para la expansión a nivel de red; mientras que Monad y MegaETH mantienen la integridad de una sola cadena, solo expandiendo 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 la trayectoria 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 principal de mejorar el TPS dentro de la cadena, a través de la ejecución diferida (Deferred Execution) y la arquitectura de micromáquinas virtuales (Micro-VM) para lograr el procesamiento paralelo a nivel de transacción o de cuenta. Pharos Network, como una red de blockchain L1 modular y de pila completa, tiene su mecanismo de computación paralela central llamado "Rollup Mesh". Esta arquitectura trabaja en conjunto con la red principal y redes de procesamiento especiales (SPNs), soportando 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 computación paralela Rollup Mesh:

1. Procesamiento de tuberías asíncronas de ciclo de vida completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos desacopla las distintas etapas de las transacciones ( como consenso, ejecución, almacenamiento ) y adopta un enfoque de procesamiento asíncrono, permitiendo que cada etapa se realice de manera independiente y en paralelo, mejorando así la eficiencia general del procesamiento.
2. Ejecución Paralela de Doble VM (: 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 mediante la ejecución paralela.
3. Manejo especial de la red )SPNs(: Los SPNs son componentes clave en la arquitectura de Pharos, similares a subredes modulares, diseñados específicamente para manejar tipos particulares de tareas o aplicaciones. A través de los 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 Reapuesta ): Pharos introduce una flexibilidad