Mapa panorámico de la pista de computación paralela Web3: ¿la mejor solución para la expansión nativa?
El "trilema de la blockchain" (Blockchain Trilemma) de la blockchain, que incluye "seguridad", "descentralización" y "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 universal y procesamiento rápido". En cuanto a "escalabilidad", este eterno tema, las soluciones de escalado de blockchain en el mercado actual se clasifican según su paradigma, incluyendo:
Ejecución de escalabilidad mejorada: Mejora de la capacidad de ejecución en el mismo lugar, como la paralelización, GPU y múltiples núcleos.
Escalado por aislamiento de estado: partición horizontal del estado / Shard, por ejemplo, fragmentación, UTXO, múltiples subredes
Escalado de tipo off-chain: ejecutar fuera de la cadena, por ejemplo, Rollup, Coprocesador, DA
Expansión de desacoplamiento estructural: modularidad de la arquitectura, operación colaborativa, como cadenas 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 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, siendo un sistema completo de escalado "multicapa y modular". Este artículo se centra en las formas de escalado que tienen como principal enfoque el cálculo paralelo.
Cálculo paralelo intra-cadena (intra-chain parallelism), enfocado 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 arquitectónicas, con una granularidad paralela que se vuelve cada vez más fina, una intensidad paralela que aumenta, así como una complejidad de programación y dificultad de implementación que también aumenta.
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 asíncrona fuera de la cadena, representado por el sistema de agentes inteligentes (Modelo de Agente / Actor), que pertenece a otro paradigma de cálculo paralelo. Como sistema de mensajería asíncrona / entre cadenas (modelo no sincronizado de bloques), cada Agente actúa como un "proceso inteligente independiente" que utiliza mensajes asíncronos de manera paralela, impulsado por eventos y sin necesidad de programación sincronizada. Los 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 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 es el enfoque principal de este artículo, pero aún así las utilizaremos para comparar las similitudes y diferencias en conceptos arquitectónicos.
Dos, EVM cadena de mejora paralela: rompimiento de 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 fragmentación, 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 más sólidas en términos de base de desarrolladores y potencial ecosistémico. Por lo tanto, la cadena de mejora paralela basada en EVM se está convirtiendo en una dirección clave para la evolución de la escalabilidad, equilibrando la compatibilidad del ecosistema y la mejora del rendimiento de ejecución. Monad y MegaETH son los proyectos más representativos en esta dirección, construyendo arquitecturas de procesamiento paralelo EVM orientadas a escenarios de alta concurrencia y alto rendimiento, a partir de la ejecución diferida 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 principio fundamental del procesamiento en 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 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 en tuberías
Pipelining es el concepto básico de la ejecución paralela de Monads. Su idea central es descomponer el flujo 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 un hilo o núcleo independiente, logrando un procesamiento concurrente entre bloques y, en última instancia, aumentando el rendimiento y reduciendo la latencia. Estas etapas incluyen: Propuesta de transacción (Propose), consenso (Consensus), ejecución de transacciones (Execution) y compromiso de bloques (Commit).
Ejecución Asíncrona: Consenso - Desacoplamiento Asíncrono de la Ejecución
En las cadenas tradicionales, el consenso y la ejecución de 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 asíncrona". Reduce significativamente el tiempo de bloque y la latencia de confirmación, lo que hace que el sistema sea más resiliente, con procesos más segmentados y una mayor eficiencia en el uso de recursos.
Diseño central:
El proceso de consenso (capa de consenso) solo se encarga de ordenar las transacciones, sin ejecutar la lógica del contrato.
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 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 transacciones.
Mecanismo de ejecución:
Monad ejecutará en paralelo de manera optimista todas las transacciones, asumiendo que la mayoría de las transacciones no tienen conflictos de estado.
Ejecutar simultáneamente un "Detector de Conflictos (Conflict Detector))" para supervisar 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: altera lo menos posible las reglas de EVM, implementando la paralelización mediante la escritura diferida de estados y la detección dinámica de conflictos durante la ejecución, asemejándose más a una versión de rendimiento de Ethereum, con una buena madurez que facilita la migración del ecosistema de EVM, siendo un acelerador paralelo en el mundo de EVM.
Análisis del mecanismo de cálculo paralelo de MegaETH
A diferencia de la localización 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 de bloques 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 puedan ser programadas de forma independiente, para lograr una ejecución de alta concurrencia dentro de la cadena y una capacidad de respuesta de baja latencia. La innovación clave presentada por MegaETH es: arquitectura Micro-VM + DAG de Dependencia de Estado (Directed Acyclic Graph) y mecanismo de sincronización modular, que juntos construyen un sistema de ejecución paralela orientado a "hilos dentro de la cadena".
Arquitectura Micro-VM: la cuenta es un hilo
MegaETH introduce un modelo de ejecución de "una micro máquina virtual (Micro-VM) por cuenta", que "hilo" el entorno de ejecución, proporcionando la unidad mínima de aislamiento para la programación paralela. Estas VM se comunican entre sí a través de mensajes asíncronos (Asynchronous Messaging), en lugar de llamadas sincrónicas, permitiendo que numerosas VM se ejecuten de manera independiente y almacenen de forma independiente, lo que resulta en una paralelización natural.
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 las cuentas, que mantiene en tiempo real un gráfico de dependencias global (Dependency Graph). Cada transacción que modifica qué cuentas, lee qué cuentas, se modela completamente como relaciones de dependencia. Las transacciones sin conflictos pueden ejecutarse directamente en paralelo, mientras que las transacciones con relaciones de dependencia se programarán en orden topológico de manera secuencial o se retrasarán. El gráfico de dependencias garantiza 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 EVM, implementando un encapsulamiento 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 cuenta → arquitectura de programación → flujo de ejecución" en todas las dimensiones, que proporciona 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 así 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.
Monad y MegaETH tienen conceptos de diseño bastante diferentes a los de Sharding: Sharding divide la cadena de bloques horizontalmente en múltiples subcadenas independientes (shards), cada una responsable de parte de las transacciones y el estado, rompiendo la limitación de una sola cadena en la escalabilidad a nivel de red; mientras que Monad y MegaETH mantienen la integridad de una sola cadena, solo escalando horizontalmente en la capa de ejecución, optimizando la ejecución paralela extrema dentro de una sola cadena para superar el rendimiento. Ambos representan dos direcciones en el camino de escalabilidad 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 camino de procesamiento para mejorar el TPS en la cadena, con el objetivo central de aumentar el rendimiento. Esto se logra mediante la ejecución diferida (Deferred Execution) y una arquitectura de micromáquina virtual (Micro-VM) que permite el procesamiento paralelo a nivel de transacciones o cuentas. Por otro lado, Pharos Network es una red de blockchain L1 modular y de pila completa, cuyo mecanismo central de computación paralela se llama "Rollup Mesh". Esta arquitectura trabaja en conjunto con la red principal y redes de procesamiento especializadas (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 cálculo paralelo Rollup Mesh:
Procesamiento de tuberías asíncronas de ciclo de vida completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos desacopla las distintas etapas de una transacción (como consenso, ejecución, almacenamiento) y adopta un enfoque de procesamiento asíncrono, lo que permite que cada etapa se realice de manera independiente y en paralelo, mejorando así la eficiencia del procesamiento general.
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 mediante la ejecución paralela.
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 en paralelo de tareas, mejorando aún más la escalabilidad y el rendimiento del sistema.
Consenso modular y mecanismo de restaking (Modular Consensus & Restaking): Pharos introduce un mecanismo de consenso flexible que admite múltiples modelos de consenso (como PBFT, PoS, PoA) y a través del protocolo de restaking (Rest
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Panorama de la computación paralela en Web3: un nuevo paradigma que rompe los límites de rendimiento de EVM
Mapa panorámico de la pista de computación paralela Web3: ¿la mejor solución para la expansión nativa?
El "trilema de la blockchain" (Blockchain Trilemma) de la blockchain, que incluye "seguridad", "descentralización" y "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 universal y procesamiento rápido". En cuanto a "escalabilidad", este eterno tema, las soluciones de escalado de blockchain en el mercado actual se clasifican según su paradigma, incluyendo:
Las soluciones de escalado 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, siendo un sistema completo de escalado "multicapa y modular". Este artículo se centra en las formas de escalado que tienen como principal enfoque el cálculo paralelo.
Cálculo paralelo intra-cadena (intra-chain parallelism), enfocado 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 arquitectónicas, con una granularidad paralela que se vuelve cada vez más fina, una intensidad paralela que aumenta, así como una complejidad de programación y dificultad de implementación que también aumenta.
Modelo de concurrencia asíncrona fuera de la cadena, representado por el sistema de agentes inteligentes (Modelo de Agente / Actor), que pertenece a otro paradigma de cálculo paralelo. Como sistema de mensajería asíncrona / entre cadenas (modelo no sincronizado de bloques), cada Agente actúa como un "proceso inteligente independiente" que utiliza mensajes asíncronos de manera paralela, impulsado por eventos y sin necesidad de programación sincronizada. Los 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 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 es el enfoque principal de este artículo, pero aún así las utilizaremos para comparar las similitudes y diferencias en conceptos arquitectónicos.
Dos, EVM cadena de mejora paralela: rompimiento de 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 fragmentación, 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 más sólidas en términos de base de desarrolladores y potencial ecosistémico. Por lo tanto, la cadena de mejora paralela basada en EVM se está convirtiendo en una dirección clave para la evolución de la escalabilidad, equilibrando la compatibilidad del ecosistema y la mejora del rendimiento de ejecución. Monad y MegaETH son los proyectos más representativos en esta dirección, construyendo arquitecturas de procesamiento paralelo EVM orientadas a escenarios de alta concurrencia y alto rendimiento, a partir de la ejecución diferida 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 principio fundamental del procesamiento en 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 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 en tuberías
Pipelining es el concepto básico de la ejecución paralela de Monads. Su idea central es descomponer el flujo 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 un hilo o núcleo independiente, logrando un procesamiento concurrente entre bloques y, en última instancia, aumentando el rendimiento y reduciendo la latencia. Estas etapas incluyen: Propuesta de transacción (Propose), consenso (Consensus), ejecución de transacciones (Execution) y compromiso de bloques (Commit).
Ejecución Asíncrona: Consenso - Desacoplamiento Asíncrono de la Ejecución
En las cadenas tradicionales, el consenso y la ejecución de 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 asíncrona". Reduce significativamente el tiempo de bloque y la latencia de confirmación, lo que hace que el sistema sea más resiliente, con procesos más segmentados y una mayor eficiencia en el uso de recursos.
Diseño central:
Ejecución Paralela Optimista：乐观并行执行
Ethereum tradicional utiliza un modelo de ejecución estrictamente secuencial 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 transacciones.
Mecanismo de ejecución:
Monad eligió un camino compatible: altera lo menos posible las reglas de EVM, implementando la paralelización mediante la escritura diferida de estados y la detección dinámica de conflictos durante la ejecución, asemejándose más a una versión de rendimiento de Ethereum, con una buena madurez que facilita la migración del ecosistema de EVM, siendo un acelerador paralelo en el mundo de EVM.
Análisis del mecanismo de cálculo paralelo de MegaETH
A diferencia de la localización 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 de bloques 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 puedan ser programadas de forma independiente, para lograr una ejecución de alta concurrencia dentro de la cadena y una capacidad de respuesta de baja latencia. La innovación clave presentada por MegaETH es: arquitectura Micro-VM + DAG de Dependencia de Estado (Directed Acyclic Graph) y mecanismo de sincronización modular, que juntos construyen un sistema de ejecución paralela orientado a "hilos dentro de la cadena".
Arquitectura Micro-VM: la cuenta es un hilo
MegaETH introduce un modelo de ejecución de "una micro máquina virtual (Micro-VM) por cuenta", que "hilo" el entorno de ejecución, proporcionando la unidad mínima de aislamiento para la programación paralela. Estas VM se comunican entre sí a través de mensajes asíncronos (Asynchronous Messaging), en lugar de llamadas sincrónicas, permitiendo que numerosas VM se ejecuten de manera independiente y almacenen de forma independiente, lo que resulta en una paralelización natural.
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 las cuentas, que mantiene en tiempo real un gráfico de dependencias global (Dependency Graph). Cada transacción que modifica qué cuentas, lee qué cuentas, se modela completamente como relaciones de dependencia. Las transacciones sin conflictos pueden ejecutarse directamente en paralelo, mientras que las transacciones con relaciones de dependencia se programarán en orden topológico de manera secuencial o se retrasarán. El gráfico de dependencias garantiza 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 EVM, implementando un encapsulamiento 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 cuenta → arquitectura de programación → flujo de ejecución" en todas las dimensiones, que proporciona 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 así 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.
Monad y MegaETH tienen conceptos de diseño bastante diferentes a los de Sharding: Sharding divide la cadena de bloques horizontalmente en múltiples subcadenas independientes (shards), cada una responsable de parte de las transacciones y el estado, rompiendo la limitación de una sola cadena en la escalabilidad a nivel de red; mientras que Monad y MegaETH mantienen la integridad de una sola cadena, solo escalando horizontalmente en la capa de ejecución, optimizando la ejecución paralela extrema dentro de una sola cadena para superar el rendimiento. Ambos representan dos direcciones en el camino de escalabilidad 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 camino de procesamiento para mejorar el TPS en la cadena, con el objetivo central de aumentar el rendimiento. Esto se logra mediante la ejecución diferida (Deferred Execution) y una arquitectura de micromáquina virtual (Micro-VM) que permite el procesamiento paralelo a nivel de transacciones o cuentas. Por otro lado, Pharos Network es una red de blockchain L1 modular y de pila completa, cuyo mecanismo central de computación paralela se llama "Rollup Mesh". Esta arquitectura trabaja en conjunto con la red principal y redes de procesamiento especializadas (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 cálculo paralelo Rollup Mesh: