Informe de investigación profundo sobre la computación paralela en Web3: La ruta definitiva para la expansión nativa

I. Introducción: La expansión es un tema eterno, y la paralelización es el campo de batalla definitivo

Desde su creación, los sistemas de blockchain han enfrentado el problema central de la escalabilidad. Los cuellos de botella de rendimiento de Bitcoin y Ethereum son difíciles de superar, y están muy por debajo de los sistemas tradicionales de Web2. Esto no es un problema que se pueda resolver simplemente aumentando el hardware, sino que proviene de limitaciones sistémicas en el diseño subyacente de la blockchain.

En la última década, la industria ha intentado diversas rutas de escalabilidad. Desde la controversia sobre la escalabilidad de Bitcoin hasta el sharding de Ethereum, desde los canales de estado hasta Rollup y las blockchains modularizadas, la tecnología de escalabilidad ha evolucionado continuamente. Rollup, como la solución principal actual, mejora el rendimiento mientras mantiene la seguridad de la cadena principal. Sin embargo, no ha tocado el verdadero límite de "rendimiento de cadena única" en la capa subyacente de blockchain, especialmente en el aspecto de ejecución que aún está limitado por el modo de cálculo en serie.

Por lo tanto, el cálculo paralelo dentro de la cadena ha comenzado a entrar en la visión de la industria. Intenta reconstruir completamente el motor de ejecución mientras mantiene la atomicidad de una sola cadena, elevando la blockchain a un sistema de cálculo de alta concurrencia. Esto no solo podría traer mejoras en el rendimiento de cientos de veces, sino que también podría convertirse en el requisito clave para la explosión de aplicaciones de contratos inteligentes.

En realidad, la computación de un solo hilo ha sido eliminada en el ámbito de Web2, siendo reemplazada por modelos de optimización como la programación paralela y la programación asíncrona. Sin embargo, la blockchain, como un sistema de computación más primitivo que requiere mayor determinismo, nunca ha logrado aprovechar completamente estas ideas paralelas. Esto es tanto una limitación como una oportunidad. La nueva generación de cadenas de bloques públicas y proyectos está explorando profundamente este campo, con el objetivo de llevar el modelo de ejecución de blockchain hacia el paradigma de los sistemas operativos modernos.

Se puede decir que la computación paralela no solo es un medio para optimizar el rendimiento, sino que también es un punto de inflexión en el modelo de ejecución de blockchain. Desafía el modelo fundamental de ejecución de contratos inteligentes y redefine la lógica básica del procesamiento de transacciones. Su objetivo es proporcionar un soporte de infraestructura verdaderamente sostenible para las aplicaciones nativas de Web3 en el futuro.

Después de la convergencia en la pista de Rollup, la paralelización en cadena se está convirtiendo en la clave de la competencia Layer1 en este nuevo ciclo. Esto no solo es una competencia técnica, sino también una lucha de paradigmas. La próxima generación de plataformas de ejecución soberana en el mundo Web3 probablemente surgirá de esta lucha por la paralelización en cadena.

II. Panorama de los paradigmas de escalabilidad: cinco rutas, cada una con su enfoque

La escalabilidad, como uno de los temas más importantes en la evolución de la tecnología de cadena pública, ha dado lugar a casi todas las rutas tecnológicas principales en la última década. Esta competencia técnica sobre "cómo hacer que la cadena funcione más rápido" ha resultado en cinco rutas básicas, cada una de las cuales aborda el cuello de botella desde diferentes ángulos, con su propia filosofía técnica, dificultad de implementación, modelos de riesgo y escenarios aplicables.

La primera categoría es la más directa para la expansión en cadena, como aumentar el tamaño del bloque o acortar el tiempo de generación de bloques, etc. Este método conserva la simplicidad de la consistencia de la cadena única, pero es propenso a riesgos de centralización y al aumento de costos de los nodos, entre otros límites sistémicos, y actualmente ya no es una solución central en tendencia.

La segunda categoría es la expansión fuera de la cadena, representada por los canales de estado y las cadenas laterales. Este camino traslada la mayor parte de la actividad de transacciones fuera de la cadena, escribiendo solo el resultado final en la cadena principal. Aunque teóricamente puede escalar indefinidamente el rendimiento, los problemas de modelo de confianza y seguridad de las transacciones fuera de la cadena limitan su aplicación.

La tercera categoría es la ruta Layer2 Rollup más popular en la actualidad. Logra la escalabilidad a través de un mecanismo de ejecución fuera de la cadena y verificación en la cadena, equilibrando descentralización y alto rendimiento. Sin embargo, también expone una fuerte dependencia de la disponibilidad de datos y tarifas que siguen siendo relativamente altas, lo que representa un cuello de botella a medio plazo.

La cuarta categoría es la arquitectura de blockchain modular que ha surgido en los últimos años. Esta desacopla por completo las funciones centrales de la blockchain, siendo varias cadenas especializadas las que cumplen diferentes funciones. Esta dirección permite reemplazar componentes del sistema de manera flexible, pero exige estándares de seguridad y protocolos de cadena cruzada muy altos.

La última categoría es la optimización de rutas de cálculo paralelo en la cadena. Enfatiza el cambio en la arquitectura del motor de ejecución dentro de una sola cadena para lograr el procesamiento concurrente de transacciones atómicas. Esta dirección no necesita depender de una arquitectura de múltiples cadenas para superar los límites de rendimiento, siendo un requisito técnico importante para futuros escenarios de aplicaciones complejas.

A lo largo de estas cinco categorías de caminos, detrás de ellas hay un equilibrio sistemático entre el rendimiento, la combinabilidad, la seguridad y la complejidad de desarrollo de la blockchain. Cada camino tiene sus ventajas y desventajas, formando un panorama completo de la actualización del paradigma computacional de Web3, que ofrece opciones estratégicas ricas para la industria.

Así como en la historia los sistemas operativos pasaron de ser de un solo núcleo a múltiples núcleos, el camino de escalabilidad de Web3 también se dirigirá hacia una era de ejecución altamente paralela. En esta era, el rendimiento ya no es solo una competencia de velocidad de la cadena, sino una manifestación integral de la filosofía de diseño subyacente y el control del sistema. La paralelización dentro de la cadena podría ser el campo de batalla definitivo de esta guerra prolongada.

Tres, Mapa de clasificación de computación paralela: cinco grandes caminos desde la cuenta hasta la instrucción

En el contexto de la evolución continua de las tecnologías de escalabilidad en blockchain, la computación paralela se ha convertido gradualmente en la ruta clave para el avance del rendimiento. Desde el modelo de ejecución, podemos trazar un mapa de clasificación claro de la computación paralela, que se divide aproximadamente en cinco rutas tecnológicas: paralelismo a nivel de cuenta, paralelismo a nivel de objeto, paralelismo a nivel de transacción, paralelismo a nivel de máquina virtual y paralelismo a nivel de instrucción. Estas cinco categorías de rutas, desde un grano amplio hasta uno fino, son tanto un proceso de refinamiento continuo de la lógica paralela como un camino en el que la complejidad del sistema y la dificultad de programación aumentan constantemente.

El nivel de paralelismo a nivel de cuentas que apareció por primera vez, representado por Solana. Este modelo se basa en un diseño de desacoplamiento de cuenta-estado, analizando estáticamente el conjunto de cuentas involucradas en las transacciones para determinar si existen relaciones de conflicto. Este mecanismo es adecuado para manejar transacciones con estructuras bien definidas, pero cuando se enfrenta a contratos inteligentes complejos, es fácil que surja el problema de la disminución del paralelismo.

La paralelización a nivel de objeto se refina aún más, introduciendo una abstracción semántica de recursos y módulos. Aptos y Sui son importantes exploradores en esta dirección, especialmente Sui, que a través del sistema de tipos lineales del lenguaje Move, permite un control preciso en tiempo de ejecución sobre los conflictos de acceso a recursos. Este enfoque es más versátil y escalable, pero también introduce un mayor umbral de lenguaje y complejidad en el desarrollo.

La paralelización a nivel de transacciones es una dirección explorada por la nueva generación de cadenas de alto rendimiento representadas por Monad, Sei y Fuel. Este camino se centra en la construcción de un gráfico de dependencias alrededor de la transacción misma, construyendo un gráfico de transacciones a través de análisis estáticos o dinámicos, y dependiendo de un programador para la ejecución concurrente en flujo. Este mecanismo requiere administradores de dependencias y detectores de conflictos extremadamente complejos, pero su capacidad de rendimiento potencial es mucho mayor que la de los modelos de cuentas u objetos.

La paralelización a nivel de máquina virtual incrusta la capacidad de ejecución concurrente directamente en la lógica de programación de instrucciones a nivel de VM. MegaETH, como "experimento de supermáquina virtual" dentro del ecosistema de Ethereum, está intentando rediseñar el EVM para que soporte la ejecución concurrente de código de contratos inteligentes en múltiples hilos. La mayor dificultad de este enfoque radica en que debe ser completamente compatible con la semántica del comportamiento del EVM existente, mientras se transforma todo el entorno de ejecución y el mecanismo de Gas.

La última categoría de ruta se refiere a la paralelización a nivel de instrucción. Su idea proviene de la ejecución fuera de orden y la canalización de instrucciones en el diseño moderno de CPU. El equipo de Fuel ha introducido preliminarmente un modelo de ejecución reordenable a nivel de instrucción en su FuelVM. A largo plazo, una vez que el motor de ejecución de la blockchain logre la ejecución predictiva de dependencias de instrucciones y el reordenamiento dinámico, su paralelismo alcanzará el límite teórico.

En resumen, las cinco grandes rutas que componen el espectro de desarrollo del cálculo en paralelo dentro de la cadena son: cuentas, objetos, transacciones, VM e instrucciones. Desde estructuras de datos estáticas hasta mecanismos de programación dinámica, desde la predicción de acceso al estado hasta la reordenación a nivel de instrucción, cada avance en la tecnología paralela implica un aumento significativo en la complejidad del sistema y en la barrera de entrada para el desarrollo. Pero al mismo tiempo, también marcan un cambio de paradigma en el modelo de cálculo de blockchain, pasando de un libro mayor de consenso de secuencia total tradicional a un entorno de ejecución distribuido de alto rendimiento, predecible y programable. La elección de la ruta paralela de diferentes cadenas públicas determinará el límite de carga de su ecosistema de aplicaciones futuro, así como su competitividad central en escenarios como Agentes de IA, juegos en cadena y comercio de alta frecuencia en cadena.

Cuatro, análisis profundo de dos grandes vías principales: Monad vs MegaETH

En la evolución del cálculo paralelo, las dos principales rutas tecnológicas en las que se centra actualmente el mercado son, por un lado, la "construcción de cadenas de cálculo paralelo desde cero" representada por Monad, y por otro lado, la "revolución paralela interna de EVM" representada por MegaETH. Estas dos no solo son las direcciones de investigación y desarrollo más intensamente abordadas por los ingenieros de criptografía en la actualidad, sino que también son los dos símbolos más determinantes en la competencia de rendimiento de las computadoras Web3. Representan una competencia entre un paradigma paralelo de "reconstruccionismo" y uno de "compatibilismo", influyendo profundamente en la imaginación del mercado sobre la forma final de las cadenas de alto rendimiento.

Monad es un "purista del cálculo" absoluto, cuya filosofía de diseño no está destinada a ser compatible con la EVM existente, sino que se inspira en bases de datos modernas y sistemas multinúcleo de alto rendimiento para redefinir la forma en que funciona el motor de ejecución de blockchain. Su sistema tecnológico central se basa en mecanismos maduros del campo de bases de datos como el control de concurrencia optimista, la programación de DAG de transacciones, la ejecución fuera de orden y las canalizaciones de procesamiento por lotes, con el objetivo de elevar el rendimiento del procesamiento de transacciones de la cadena a niveles de millones de TPS. En la arquitectura de Monad, la ejecución y el orden de las transacciones están completamente desacoplados; el sistema primero construye un gráfico de dependencias de transacciones y luego se lo deja al planificador para su ejecución paralela en flujo. Este mecanismo es extremadamente complejo en su implementación técnica, ya que requiere construir un conjunto de pilas de ejecución similar a un administrador de transacciones moderno de bases de datos, pero teóricamente puede llevar el límite de rendimiento a alturas inimaginables en el ámbito actual de las cadenas.

Y lo más crucial es que Monad no ha renunciado a la interoperabilidad con EVM. A través de una capa intermedia similar a un "Lenguaje Intermedio Compatible con Solidity", apoya a los desarrolladores en la escritura de contratos utilizando la sintaxis de Solidity, mientras realiza optimización de lenguaje intermedio y programación paralela en el motor de ejecución. Esta estrategia de diseño de "compatibilidad superficial y reestructuración subyacente" no solo mantiene la amabilidad hacia los desarrolladores del ecosistema de Ethereum, sino que también libera al máximo el potencial de ejecución subyacente, siendo una estrategia técnica típica de "tragar EVM y luego reconstruirlo".

A diferencia de la postura de "creador de un nuevo mundo" de Monad, MegaETH elige partir del mundo existente de Ethereum, logrando una mejora significativa en la eficiencia de ejecución con un costo de cambio muy bajo. MegaETH no deroga las normas de EVM, sino que busca incorporar la capacidad de cálculo en paralelo en el motor de ejecución del EVM existente, creando una versión futura de "EVM multinúcleo". Su principio básico radica en una reestructuración completa del modelo de ejecución de instrucciones del EVM actual, dotándolo de capacidades como aislamiento a nivel de hilo, ejecución asíncrona a nivel de contrato y detección de conflictos de acceso al estado, permitiendo así que múltiples contratos inteligentes se ejecuten simultáneamente en el mismo bloque y finalmente se fusionen los cambios de estado. Este camino de "revolución conservadora" es muy atractivo, especialmente para el ecosistema L2 de Ethereum, ya que ofrece una vía ideal que no requiere migración de sintaxis y una actualización de rendimiento sin dolor.

El avance clave de MegaETH radica en su mecanismo de programación multihilo de VM. El EVM tradicional utiliza un modelo de ejecución en hilo único basado en pilas, donde cada instrucción se ejecuta de manera lineal y la actualización del estado debe ocurrir de manera sincronizada. MegaETH rompe este modelo al introducir una pila de llamadas asíncronas y un mecanismo de aislamiento del contexto de ejecución, lo que permite la ejecución simultánea de "contextos EVM concurrentes". Cada contrato puede invocar su propia lógica en hilos independientes, mientras que todos los hilos, al momento de someter el estado final, realizan la detección de conflictos y convergencia del estado a través de una capa de sincronización paralela. Este mecanismo es muy similar al modelo multihilo de JavaScript en navegadores modernos, que conserva la determinación del comportamiento del hilo principal y, al mismo tiempo, introduce un mecanismo de programación de alto rendimiento asíncrono en segundo plano.

En cierto sentido, Monad y MegaETH son dos rutas que no solo representan dos formas de implementación de caminos tecnológicos paralelos, sino que también son un clásico antagonismo entre el "reconstruccionismo" y el "compatibilismo" en la ruta de desarrollo de la blockchain: el primero busca una ruptura de paradigma, reconstruyendo toda la lógica desde la máquina virtual hasta la gestión del estado subyacente, para lograr un rendimiento extremo y una arquitectura maleable; el segundo busca una optimización progresiva, empujando los sistemas tradicionales al límite, respetando las restricciones del ecosistema existente, con el fin de minimizar los costos de migración. No hay una superioridad absoluta entre ambos; más bien, sirven a diferentes grupos de desarrolladores y visiones ecológicas. Monad es más adecuado para construir sistemas completamente nuevos desde cero, persiguiendo un rendimiento extremo en juegos de cadena, agentes de IA y cadenas de ejecución modular; mientras que MegaETH es más adecuado para proyectos L2, DeFi y protocolos de infraestructura que buscan lograr una mejora de rendimiento con los mínimos cambios en el desarrollo.

Son como un tren de alta velocidad en una nueva pista.