Mapa panorámico de la pista de computación paralela de Web3: ¿la mejor solución de escalado nativo?
El "Trilema de Blockchain" (Blockchain Trilemma) de la blockchain, que incluye "seguridad", "descentralización" y "escalabilidad", revela la esencia de las compensaciones en el diseño de sistemas blockchain, es decir, es difícil para los proyectos de blockchain lograr simultáneamente "máxima seguridad, participación universal y procesamiento rápido". En cuanto a la "escalabilidad", este tema eterno, las soluciones de escalado de blockchain principales en el mercado se clasifican según paradigmas, que incluyen:
Ejecución de escalabilidad mejorada: mejorar la capacidad de ejecución en el lugar, como paralelismo, GPU y múltiples núcleos.
Escalado de aislamiento de estado: partición horizontal de estado / Shard, como fragmentos, UTXO, múltiples subredes
Escalado de tipo outsourcing fuera de la cadena: llevar la ejecución fuera de la cadena, por ejemplo, Rollup, Coprocesador, DA
Escalabilidad desacoplada por estructura: modularidad de la arquitectura, operación colaborativa, como cadenas modulares, ordenadores compartidos, Rollup Mesh
Escalado asíncrono y concurrente: modelo Actor, aislamiento de procesos, impulsado por mensajes, como agentes, cadena asíncrona multihilo
Las soluciones de escalado de blockchain incluyen: computación paralela en la cadena, Rollup, fragmentación, módulos DA, estructura modular, sistema Actor, compresión de prueba zk, arquitectura Stateless, entre otros, abarcando múltiples niveles de ejecución, estado, datos y estructura, constituyendo un sistema completo de escalado "multi-nivel colaborativo, combinación modular". Este artículo se centra en presentar el método de escalado basado en la computación paralela como el más común.
Cálculo paralelo dentro de la cadena (intra-chain parallelism), enfocado en la ejecución paralela de transacciones / instrucciones dentro del bloque. Según el mecanismo de paralelismo, su forma de escalabilidad se puede dividir en cinco grandes categorías, cada una representando diferentes objetivos de rendimiento, modelos de desarrollo y filosofía de arquitectura, con una granularidad de paralelismo cada vez más fina, una intensidad de paralelismo cada vez mayor, así como una complejidad de programación y dificultad de implementación también en aumento.
Paralelismo a nivel de cuenta (Account-level): 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
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 entidades Actor (Modelo de Agente/Actor), que pertenece a otro paradigma de cálculo paralelo. Como un sistema de mensajería asíncrona entre cadenas (modelo de no sincronización de bloques), cada Agente actúa como un "proceso inteligente" que opera de manera independiente, utilizando mensajes asíncronos en paralelo, impulsado por eventos y sin necesidad de programación sincronizada. Proyectos representativos incluyen AO, ICP, Cartesi, entre otros.
Y las soluciones de escalado que conocemos bien, como Rollup o el sharding, pertenecen a mecanismos de concurrencia a nivel de sistema y no a la computación paralela 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 y diferencias en los conceptos arquitectónicos.
Dos, EVM cadena de mejora paralela: rompiendo los límites de rendimiento en la compatibilidad
La arquitectura de procesamiento en serie de Ethereum ha evolucionado hasta hoy, pasando por intentos de escalado 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 mayor base de desarrolladores y potencial ecológico. Por lo tanto, las cadenas de mejora paralela de EVM están convirtiéndose en una dirección clave para el desarrollo de escalado, equilibrando la compatibilidad ecológica y el aumento del rendimiento de ejecución. Monad y MegaETH son los proyectos más representativos en esta dirección, que construyen una arquitectura de procesamiento paralelo de EVM orientada a escenarios de alta concurrencia y alto rendimiento, partiendo de la ejecución diferida 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 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 en múltiples etapas.
Pipelining es la idea básica de la ejecución paralela de Monad, cuyo concepto 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 finalmente alcanzando el efecto de aumentar el rendimiento y reducir la latencia. Estas etapas incluyen: propuesta de transacción (Propose), consenso (Consensus), ejecución de transacción (Execution) y compromiso de bloque (Commit).
Ejecución Asíncrona: Consenso - Desacoplamiento de Ejecución Asíncrono
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 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, no de ejecutar la lógica del contrato.
El proceso de ejecución (capa de ejecución) se activa de forma asíncrona después de que se completa 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.
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 aumenta significativamente la velocidad de procesamiento de 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.
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, se volverán a ejecutar las transacciones en conflicto de forma serializada para garantizar la coherencia del estado.
Monad eligió un camino compatible: alterar lo menos posible las reglas de EVM, implementando la paralelización a través de la demora en la escritura de estados y la detección dinámica de conflictos durante el proceso de ejecución, pareciendo más una versión de alto rendimiento de Ethereum, con una 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 localización L1 de Monad, MegaETH se posiciona como una capa de ejecución paralela de alto rendimiento y 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 de alta concurrencia dentro de la cadena y una capacidad de respuesta de baja latencia. 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 "hilos dentro de la cadena".
Micro-VM (micro máquina virtual) arquitectura: cuenta como hilo
MegaETH ha introducido un modelo de ejecución de "una micro máquina virtual (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 (Asynchronous Messaging), en lugar de llamadas sincrónicas, permitiendo que un gran número de VM puedan ejecutarse de forma independiente y almacenar de forma independiente, lo que genera paralelismo natural.
State Dependency DAG: Mecanismo de programación impulsado por gráficos de dependencias
MegaETH ha construido un sistema de programación DAG basado en relaciones de acceso al estado de cuentas, que mantiene en tiempo real un gráfico de dependencias global (Dependency Graph). Cada transacción modela las cuentas que modifica y las cuentas que lee como 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 garantiza la consistencia del estado y la no escritura repetida durante el proceso de ejecución en paralelo.
Ejecución asíncrona y mecanismo de callbacks
B
En resumen, MegaETH rompe el modelo tradicional de máquina de estado de hilo único EVM, implementando un encapsulamiento de micromáquinas virtuales a nivel de cuentas, programando transacciones a través de un gráfico de dependencias de estado y reemplazando la pila de llamadas sincrónicas con un mecanismo de mensajes asíncronos. Es una plataforma de computación paralela rediseñada desde una perspectiva multidimensional de "estructura de cuentas → arquitectura de programación → flujo de ejecución", que proporciona un nuevo enfoque paradigmático para construir sistemas de alta rendimiento en la cadena de próxima generación.
MegaETH ha elegido un camino de reconstrucción: abstraer completamente las cuentas y los 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 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 en múltiples subcadenas independientes (fragmentos Shards), cada una responsable de parte de las transacciones y el estado, rompiendo las limitaciones de una sola cadena para la expansión a nivel de red; mientras que Monad y MegaETH mantienen la integridad de la cadena única, expandiéndose 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 la optimización del rendimiento, con el objetivo principal de mejorar el TPS en la cadena. Logran el procesamiento paralelo a nivel de transacción o cuenta mediante la ejecución diferida (Deferred Execution) y una arquitectura de micro máquina virtual (Micro-VM). Por otro lado, Pharos Network es una red de blockchain L1 modular y de pila completa que tiene como mecanismo central de computación paralela lo que se llama «Rollup Mesh». Esta arquitectura soporta un entorno de múltiples máquinas virtuales (EVM y Wasm) a través de la colaboración entre la red principal y las 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:
Procesamiento de tuberías asíncronas de ciclo de vida completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos desacopla las diferentes etapas de la transacción (como consenso, ejecución, almacenamiento) y utiliza un enfoque de procesamiento asíncrono, lo que permite que cada etapa se realice de forma independiente y en paralelo, mejorando así la eficiencia general del procesamiento.
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.
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 SPN
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Panorama de la pista de computación paralela de Web3: desde la compatibilidad con EVM hasta la innovación en la escalabilidad de Rollup Mesh.
Mapa panorámico de la pista de computación paralela de Web3: ¿la mejor solución de escalado nativo?
El "Trilema de Blockchain" (Blockchain Trilemma) de la blockchain, que incluye "seguridad", "descentralización" y "escalabilidad", revela la esencia de las compensaciones en el diseño de sistemas blockchain, es decir, es difícil para los proyectos de blockchain lograr simultáneamente "máxima seguridad, participación universal y procesamiento rápido". En cuanto a la "escalabilidad", este tema eterno, las soluciones de escalado de blockchain principales en el mercado se clasifican según paradigmas, que incluyen:
Las soluciones de escalado de blockchain incluyen: computación paralela en la cadena, Rollup, fragmentación, módulos DA, estructura modular, sistema Actor, compresión de prueba zk, arquitectura Stateless, entre otros, abarcando múltiples niveles de ejecución, estado, datos y estructura, constituyendo un sistema completo de escalado "multi-nivel colaborativo, combinación modular". Este artículo se centra en presentar el método de escalado basado en la computación paralela como el más común.
Cálculo paralelo dentro de la cadena (intra-chain parallelism), enfocado en la ejecución paralela de transacciones / instrucciones dentro del bloque. Según el mecanismo de paralelismo, su forma de escalabilidad se puede dividir en cinco grandes categorías, cada una representando diferentes objetivos de rendimiento, modelos de desarrollo y filosofía de arquitectura, con una granularidad de paralelismo cada vez más fina, una intensidad de paralelismo cada vez mayor, así como una complejidad de programación y dificultad de implementación también en aumento.
Modelo de concurrencia asíncrona fuera de la cadena, representado por el sistema de entidades Actor (Modelo de Agente/Actor), que pertenece a otro paradigma de cálculo paralelo. Como un sistema de mensajería asíncrona entre cadenas (modelo de no sincronización de bloques), cada Agente actúa como un "proceso inteligente" que opera de manera independiente, utilizando mensajes asíncronos en paralelo, impulsado por eventos y sin necesidad de programación sincronizada. Proyectos representativos incluyen AO, ICP, Cartesi, entre otros.
Y las soluciones de escalado que conocemos bien, como Rollup o el sharding, pertenecen a mecanismos de concurrencia a nivel de sistema y no a la computación paralela 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 y diferencias en los conceptos arquitectónicos.
Dos, EVM cadena de mejora paralela: rompiendo los límites de rendimiento en la compatibilidad
La arquitectura de procesamiento en serie de Ethereum ha evolucionado hasta hoy, pasando por intentos de escalado 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 mayor base de desarrolladores y potencial ecológico. Por lo tanto, las cadenas de mejora paralela de EVM están convirtiéndose en una dirección clave para el desarrollo de escalado, equilibrando la compatibilidad ecológica y el aumento del rendimiento de ejecución. Monad y MegaETH son los proyectos más representativos en esta dirección, que construyen una arquitectura de procesamiento paralelo de EVM orientada a escenarios de alta concurrencia y alto rendimiento, partiendo de la ejecución diferida 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 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 en múltiples etapas.
Pipelining es la idea básica de la ejecución paralela de Monad, cuyo concepto 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 finalmente alcanzando el efecto de aumentar el rendimiento y reducir la latencia. Estas etapas incluyen: propuesta de transacción (Propose), consenso (Consensus), ejecución de transacción (Execution) y compromiso de bloque (Commit).
Ejecución Asíncrona: Consenso - Desacoplamiento de Ejecución Asíncrono
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 procesos más segmentados y una mayor eficiencia en el uso de recursos.
Diseño central:
Ejecución Paralela Optimista: Optimistic Parallel Execution
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 aumenta significativamente la velocidad de procesamiento de transacciones.
Mecanismo de ejecución:
Monad eligió un camino compatible: alterar lo menos posible las reglas de EVM, implementando la paralelización a través de la demora en la escritura de estados y la detección dinámica de conflictos durante el proceso de ejecución, pareciendo más una versión de alto rendimiento de Ethereum, con una 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 localización L1 de Monad, MegaETH se posiciona como una capa de ejecución paralela de alto rendimiento y 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 de alta concurrencia dentro de la cadena y una capacidad de respuesta de baja latencia. 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 "hilos dentro de la cadena".
Micro-VM (micro máquina virtual) arquitectura: cuenta como hilo
MegaETH ha introducido un modelo de ejecución de "una micro máquina virtual (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 (Asynchronous Messaging), en lugar de llamadas sincrónicas, permitiendo que un gran número de VM puedan ejecutarse de forma independiente y almacenar de forma independiente, lo que genera paralelismo natural.
State Dependency DAG: Mecanismo de programación impulsado por gráficos de dependencias
MegaETH ha construido un sistema de programación DAG basado en relaciones de acceso al estado de cuentas, que mantiene en tiempo real un gráfico de dependencias global (Dependency Graph). Cada transacción modela las cuentas que modifica y las cuentas que lee como 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 garantiza la consistencia del estado y la no escritura repetida durante el proceso de ejecución en paralelo.
Ejecución asíncrona y mecanismo de callbacks
B
En resumen, MegaETH rompe el modelo tradicional de máquina de estado de hilo único EVM, implementando un encapsulamiento de micromáquinas virtuales a nivel de cuentas, programando transacciones a través de un gráfico de dependencias de estado y reemplazando la pila de llamadas sincrónicas con un mecanismo de mensajes asíncronos. Es una plataforma de computación paralela rediseñada desde una perspectiva multidimensional de "estructura de cuentas → arquitectura de programación → flujo de ejecución", que proporciona un nuevo enfoque paradigmático para construir sistemas de alta rendimiento en la cadena de próxima generación.
MegaETH ha elegido un camino de reconstrucción: abstraer completamente las cuentas y los 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 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 en múltiples subcadenas independientes (fragmentos Shards), cada una responsable de parte de las transacciones y el estado, rompiendo las limitaciones de una sola cadena para la expansión a nivel de red; mientras que Monad y MegaETH mantienen la integridad de la cadena única, expandiéndose 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 la optimización del rendimiento, con el objetivo principal de mejorar el TPS en la cadena. Logran el procesamiento paralelo a nivel de transacción o cuenta mediante la ejecución diferida (Deferred Execution) y una arquitectura de micro máquina virtual (Micro-VM). Por otro lado, Pharos Network es una red de blockchain L1 modular y de pila completa que tiene como mecanismo central de computación paralela lo que se llama «Rollup Mesh». Esta arquitectura soporta un entorno de múltiples máquinas virtuales (EVM y Wasm) a través de la colaboración entre la red principal y las 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: