Mapa panorámico de la computación paralela en Web3: explorando la mejor solución de escalabilidad nativa de la Cadena de bloques

El “triángulo imposible” de la Cadena de bloques (seguridad, descentralización, escalabilidad) revela las compensaciones esenciales en el diseño de sistemas de Cadena de bloques. En cuanto al eterno tema de la “escalabilidad”, las soluciones de expansión de Cadena de bloques en el mercado actual se clasifican según paradigmas, que incluyen:

• Ejecución de escalabilidad mejorada: Mejora de la capacidad de ejecución en el lugar, como paralelización, GPU y múltiples núcleos.
• Escalado de aislamiento de estado: división horizontal del estado/Sharding, por ejemplo, fragmentación, UTXO, múltiples subredes
• Escalado de tipo outsourcing fuera de la cadena: poner la ejecución fuera de la cadena, por ejemplo, Rollup, Coprocesador, DA
• Expansión de tipo desacoplado de la estructura: modularidad de la arquitectura, funcionamiento cooperativo, por ejemplo, cadena de módulos, ordenadores compartidos, Rollup Mesh
• Escalado asíncrono y concurrente: modelo Actor, aislamiento de procesos, impulsado por mensajes, por ejemplo agentes, cadena asíncrona multihilo.

Las soluciones de expansión de la cadena de bloques incluyen: cálculo paralelo 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 expansión de “colaboración multidimensional y combinación modular”. Este artículo se centra en la forma de expansión basada en el cálculo paralelo como la principal.

La computación paralela dentro de la cadena ( intra-chain parallelism ), se centra en la ejecución paralela de transacciones/instrucciones dentro de un 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, con una granularidad paralela cada vez más fina, una intensidad paralela cada vez más alta, así como una complejidad de programación y dificultad de implementación también crecientes.

• 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 de nivel / MicroVM en paralelo: representa el proyecto MegaETH
• Paralelismo a nivel de instrucción (Instruction-level): representa el proyecto GatlingX

Modelo de concurrencia asíncrona fuera de la cadena, representado por el sistema de agentes (Modelo de Agente/Actor), que pertenece a otro paradigma de cálculo paralelo, como sistema de mensajes entre cadenas/asíncrono (modelo de sincronización no bloqueado), cada Agente opera como un “proceso inteligente independiente”, con mensajes asíncronos en forma paralela, impulsados por eventos, sin necesidad de programación de sincronización, proyectos representativos incluyen AO, ICP, Cartesi, entre otros.

Y nuestras bien conocidas soluciones de Rollup o fragmentación para la expansión pertenecen a mecanismos de concurrencia a nivel de sistema y no a la computación paralela dentro de la cadena. Ellas logran la expansión mediante “la ejecución paralela de múltiples cadenas/dominios de ejecución”, en lugar de aumentar la paralelización dentro de un solo Bloquear/máquina virtual. Este tipo de soluciones de expansión no es el enfoque principal de este artículo, pero aún así las utilizaremos para comparar las similitudes y diferencias en los conceptos arquitectónicos.

Dos, Cadena de bloques mejorada por paralelo de EVM: romper los límites de rendimiento en la compatibilidad

La arquitectura de procesamiento en serie de Ethereum ha evolucionado hasta hoy, pasando por múltiples 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 base de desarrolladores y el potencial ecológico más fuertes en la actualidad. Por lo tanto, las cadenas paralelas mejoradas por EVM se están convirtiendo en una dirección clave para la evolución de la escalabilidad, equilibrando 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, a partir de la ejecución de retraso y la descomposición del estado.

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 paralelo (Pipelining), ejecutando de manera asíncrona en la capa de consenso (Asynchronous Execution) y con concurrencia 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 dedicado (MonadDB), logrando una optimización de extremo a extremo.

Pipelining: Mecanismo de ejecución paralela de múltiples etapas en tuberías

Pipelining es el concepto básico de la 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 tubería 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), logro de consenso (Consensus), ejecución de transacciones (Execution) y compromiso de bloque (Commit).

Ejecución Asincrónica: Desacoplamiento Asíncrono de Consenso-Ejecución

En las cadenas tradicionales, el consenso y la ejecución de las transacciones suelen ser procesos síncronos, y este modelo en serie limita gravemente la escalabilidad del rendimiento. Monad logra el consenso asíncrono, la ejecución asíncrona y el almacenamiento asíncrono 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, los procesos más segmentados y la utilización de recursos más alta.

Diseño central:

• El proceso de consenso (capa de consenso) solo se encarga de ordenar las transacciones, sin ejecutar la lógica de los contratos.
• El proceso de ejecución (capa de ejecución) se activa de forma asíncrona después de que se complete el consenso.
• Una vez completado el consenso, se ingresará inmediatamente al proceso de consenso del siguiente Bloquear, sin necesidad de esperar a que se complete la ejecución.

Ejecución Paralela Optimista：乐观并行执行

El Ethereum tradicional utiliza un modelo de ejecución estrictamente serial 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 las transacciones.

Mecanismo de ejecución:

• Monad ejecutará de manera optimista todas las transacciones en paralelo, asumiendo que la mayoría de las transacciones no tienen conflictos de estado.
• Al mismo tiempo, se ejecuta 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 manera secuencial para asegurar la corrección del estado.

Monad eligió un camino compatible: modifica lo menos posible las reglas de EVM, y durante la ejecución logra la paralelización mediante el retraso en la escritura de estado y la detección dinámica de conflictos, pareciendo más una versión de alto rendimiento de Ethereum, con buena madurez que facilita la migración del ecosistema EVM, siendo un acelerador de paralelización en el mundo 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 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 (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 forma independiente, para lograr una ejecución concurrente de alta capacidad y una baja latencia en las respuestas. La innovación clave propuesta por MegaETH radica en: arquitectura Micro-VM + DAG de dependencia de estado (Directed Acyclic Graph) y mecanismo de sincronización modular, que construyen conjuntamente un sistema de ejecución paralela orientado a ‘la segmentación en la cadena’.

Arquitectura de Micro-VM (micro máquina virtual): la cuenta es un hilo

MegaETH introduce el modelo de ejecución “una Micro-VM por cuenta”, que “hila” 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 muchas VM se ejecuten de manera independiente y almacenen de forma independiente, lo que resulta en una paralelización natural.

Dependencia del Estado 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, que mantiene en tiempo real un gráfico de dependencias global (Dependency Graph). Cada transacción modela las cuentas que se modifican y las cuentas que se leen como relaciones de dependencia. Las transacciones sin conflictos pueden ejecutarse en paralelo directamente, mientras que las transacciones con relaciones de dependencia se programarán en serie o se retrasarán según el orden topológico. 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 con el modelo tradicional de máquina de estados de un solo hilo EVM, implementando un encapsulado de micromáquinas 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 sincrónicas. Es una plataforma de computación paralela rediseñada desde la “estructura de cuentas → arquitectura de programación → flujo de ejecución” en todas sus dimensiones, proporcionando un nuevo enfoque paradigmático para construir sistemas de alto rendimiento en la cadena de bloques de próxima generación.

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

Monad y MegaETH tienen conceptos de diseño bastante diferentes en comparación con el sharding: el sharding divide la cadena de bloques en múltiples sub-cadenas independientes (shards), donde cada sub-cadena es responsable de parte de las transacciones y del estado, rompiendo las limitaciones de una sola cadena para la escalabilidad en la capa de red; mientras que Monad y MegaETH mantienen la integridad de la cadena única, 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 el camino de escalabilidad de cadenas de bloques: la intensificación 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 aumentar el TPS dentro de la cadena, logrando el 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 cadena de bloques L1 modular y de pila completa, tiene un mecanismo de computación paralela central conocido como “Rollup Mesh”. Esta arquitectura, a través de la colaboración entre la red principal y las redes de procesamiento especial (SPNs), admite entornos de múltiples máquinas virtuales (EVM y Wasm) e integra tecnologías avanzadas como las pruebas de conocimiento cero (ZK) y los entornos de ejecución confiables (TEE).

Análisis del mecanismo de cálculo paralelo Rollup Mesh:

1. Procesamiento asincrónico de tuberías de ciclo de vida completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos desacopla las distintas 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 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 mediante 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 particulares de tareas o aplicaciones. A través de las SPNs, Pharos puede lograr la asignación dinámica de recursos y el procesamiento paralelo de tareas, mejorando 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 protocolo de restaking (Restaking) logra un compartir seguro y una integración de recursos entre la red principal y los SPNs.

Además, Pharos reestructura el modelo de ejecución desde la capa base del motor de almacenamiento mediante tecnologías como árboles de Merkle de múltiples versiones, codificación diferencial (Delta Encoding), direccionamiento versionado (Versioned Addressing) y empuje de ADS (ADS Pushdown), lanzando el motor de almacenamiento de alto rendimiento nativo de cadena de bloques Pharos Store, logrando una capacidad de procesamiento en cadena de alto rendimiento, baja latencia y fuerte verificabilidad.

En general, la arquitectura Rollup Mesh de Pharos, a través de un diseño modular y un mecanismo de procesamiento asíncrono, logra una alta capacidad de cálculo paralelo, Pharos hace