Informe de investigación en profundidad sobre la computación paralela en Web3: el camino definitivo para la escalabilidad nativa

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

Desde el nacimiento de Bitcoin, el sistema blockchain ha enfrentado un problema central ineludible: la escalabilidad. Bitcoin procesa menos de 10 transacciones por segundo, y Ethereum también tiene dificultades para superar el límite de rendimiento de decenas de TPS, lo que lo hace parecer especialmente torpe en comparación con el mundo tradicional de Web2. Más importante aún, esto no se puede resolver simplemente aumentando servidores, sino que está profundamente incrustado en las limitaciones sistémicas del diseño subyacente de la blockchain.

En la última década, hemos sido testigos del auge y la caída de numerosos intentos de escalabilidad. Desde la contienda por la escalabilidad de Bitcoin hasta la visión de fragmentación de Ethereum, pasando por canales de estado, Plasma, hasta Rollup y bloques modulares, el sector ha recorrido un camino de escalabilidad lleno de imaginación. Rollup, como el paradigma de escalabilidad más ampliamente aceptado en la actualidad, ha logrado un gran aumento en el objetivo de TPS al aliviar la carga de la cadena principal. Sin embargo, no ha tocado el verdadero límite del "rendimiento de una sola cadena" en la base de la blockchain, especialmente en el nivel de ejecución, que sigue limitado por este antiguo paradigma de computación en serie dentro de la cadena.

Por lo tanto, el cálculo paralelo dentro de la cadena ha comenzado a entrar en la visión de la industria. A diferencia de la expansión fuera de la cadena y la distribución entre cadenas, el cálculo paralelo dentro de la cadena intenta reconstruir por completo el motor de ejecución, manteniendo la atomicidad de una sola cadena, guiándose por las ideas del diseño de sistemas operativos modernos y CPUs, actualizando la blockchain del modo de "ejecución de transacciones de forma secuencial" de un solo hilo, a un sistema de cálculo de alta concurrencia de "múltiples hilos + tuberías + programación de dependencias". Esto no solo podría lograr un aumento de cientos de veces en el rendimiento, sino que también podría convertirse en la clave para la explosión de aplicaciones de contratos inteligentes.

Se puede decir que la computación paralela no solo es una "herramienta de optimización del rendimiento", sino que también es un punto de inflexión en el paradigma del modelo de ejecución de blockchain. Desafía el modelo fundamental de ejecución de contratos inteligentes, redefiniendo la lógica básica de empaquetado de transacciones, acceso al estado, relaciones de llamada y diseño de almacenamiento. Si se dice que Rollup es "mover las transacciones fuera de la cadena para su ejecución", entonces la paralelización en la cadena es "construir un núcleo de supercomputación en la cadena", cuyo objetivo no es simplemente aumentar el rendimiento, sino proporcionar un verdadero soporte de infraestructura sostenible para las aplicaciones nativas de Web3 en el futuro.

Tras la homogeneización gradual del campo de los Rollups, la paralelización en la cadena está convirtiéndose silenciosamente en un variable decisivo en la competencia de Layer1 del nuevo ciclo. El rendimiento ya no se trata solo de "más rápido", sino de la posibilidad de soportar un mundo de aplicaciones heterogéneas en su totalidad. No es solo una competencia técnica, sino una lucha por el paradigma. La próxima generación de plataformas de ejecución soberana en el mundo Web3 probablemente surgirá de esta lucha por la paralelización en la cadena.

Dos, panorama del paradigma de escalado: cinco rutas, cada una con su enfoque.

La escalabilidad, como uno de los temas más importantes, continuos y difíciles de abordar en la evolución de la tecnología de cadenas de bloques, ha dado lugar a la aparición y evolución de casi todas las rutas tecnológicas principales en la última década. Desde la disputa sobre el tamaño de los bloques de Bitcoin, esta competencia técnica sobre "cómo hacer que la cadena funcione más rápido" ha dado lugar a 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 de aplicación.

La primera categoría de rutas es la más directa para la expansión en cadena, representando prácticas como aumentar el tamaño de los bloques, reducir el tiempo de creación de bloques, o mejorar la capacidad de procesamiento mediante la optimización de la estructura de datos y el mecanismo de consenso. Este enfoque conserva la simplicidad de la consistencia de una sola cadena, siendo fácil de entender y desplegar, pero también puede enfrentar riesgos de centralización, aumento de costos de operación de nodos, y mayor dificultad de sincronización, lo que representa límites sistémicos. Por lo tanto, en el diseño actual ya no es la solución principal, sino que se ha convertido más en un complemento auxiliar para otros mecanismos.

La segunda categoría de rutas es la escalabilidad fuera de la cadena, representada por los canales de estado y las cadenas laterales. La idea básica de esta ruta es trasladar la mayoría de las actividades de transacción fuera de la cadena, escribiendo solo el resultado final en la cadena principal, que actúa como la capa de liquidación final. Aunque esta idea puede teóricamente escalar indefinidamente en términos de capacidad, los problemas relacionados con el modelo de confianza en las transacciones fuera de la cadena, la seguridad de los fondos y la complejidad de las interacciones limitan su aplicación.

La tercera categoría de rutas es la ruta Layer2 Rollup, que actualmente es la más popular y ampliamente implementada. Este método logra la escalabilidad a través de la ejecución fuera de la cadena y la verificación en la cadena. Optimistic Rollup y ZK Rollup tienen sus propias ventajas, pero ambos enfrentan cuellos de botella a medio plazo, como una dependencia excesiva de la disponibilidad de datos, costos aún elevados y una experiencia de desarrollo fragmentada.

La cuarta categoría de rutas es la arquitectura de blockchain modular que ha surgido en los últimos años. El paradigma modular aboga por desacoplar completamente las funciones centrales de la blockchain, permitiendo que múltiples cadenas especializadas realicen diferentes funciones y luego se combinen en una red escalable a través de protocolos de cadena cruzada. La ventaja de esta dirección radica en la capacidad de reemplazar componentes del sistema de manera flexible y mejorar significativamente la eficiencia en etapas específicas. Sin embargo, sus desafíos también son muy evidentes: después del desacoplamiento de módulos, los costos de sincronización, verificación y confianza mutua entre sistemas son extremadamente altos, y el ecosistema de desarrolladores está extremadamente disperso.

La última categoría de ruta es la optimización de rutas de cálculo paralelo dentro de la cadena. El cálculo paralelo enfatiza la "actualización vertical", es decir, a través del cambio en la arquitectura del motor de ejecución dentro de una sola cadena, se logra el procesamiento concurrente de transacciones atómicas. Esto requiere reescribir la lógica de programación de la VM, introduciendo análisis de dependencia de transacciones, predicción de conflictos de estado, control de paralelismo, llamadas asíncronas y todo un conjunto de mecanismos modernos de programación de sistemas informáticos. La ventaja central de esta dirección radica en que no se necesita depender de una arquitectura de múltiples cadenas para lograr una ruptura en el límite de rendimiento, al mismo tiempo que proporciona suficiente flexibilidad computacional para la ejecución de contratos inteligentes complejos, siendo un requisito técnico importante para aplicaciones futuras como Agentes AI, grandes juegos en cadena y derivados de alta frecuencia.

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 escalado de blockchain, el cálculo paralelo se ha convertido gradualmente en la ruta central para la superación del rendimiento. Partiendo del modelo de ejecución, al revisar la trayectoria de desarrollo de esta serie de tecnologías, podemos esbozar un mapa de clasificación claro del cálculo paralelo, que se puede dividir 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 rutas van desde un grosor grueso hasta uno fino, representando no solo un proceso de refinamiento continuo de la lógica paralela, sino también una trayectoria en la que la complejidad del sistema y la dificultad de programación siguen aumentando.

La primera aparición de la paralelización a nivel de cuentas es un paradigma representado por una plataforma de intercambio. Este modelo se basa en un diseño desacoplado de cuenta-estado, analizando estáticamente el conjunto de cuentas involucradas en las transacciones para determinar si hay relaciones de conflicto. Si los conjuntos de cuentas accedidos por dos transacciones no se superponen, se pueden ejecutar en paralelo en múltiples núcleos. Este mecanismo es muy adecuado para manejar transacciones con estructuras claras y entradas y salidas definidas, especialmente para programas de rutas predecibles como DeFi. Sin embargo, su suposición inherente es que el acceso a las cuentas es predecible y que la dependencia del estado se puede razonar de forma estática, lo que provoca que, al enfrentarse a contratos inteligentes complejos, surjan problemas de ejecución conservadora y disminución de la paralelización.

Sobre la base del modelo de cuentas, refinamos aún más y entramos en el nivel técnico de paralelismo a nivel de objetos. El paralelismo a nivel de objetos introduce una abstracción semántica de recursos y módulos, programando de manera concurrente en unidades de "objetos de estado" de mayor granularidad. Algunos proyectos, a través del sistema de tipos lineales del lenguaje Move, definen en tiempo de compilación la propiedad y la mutabilidad de los recursos, permitiendo así un control preciso del acceso a los recursos en tiempo de ejecución. Este enfoque es más versátil y escalable en comparación con el paralelismo a nivel de cuentas, ya que puede abarcar lógicas de lectura y escritura de estado más complejas y sirve de manera natural a escenarios con alta heterogeneidad, como juegos, redes sociales e IA. Sin embargo, el paralelismo a nivel de objetos también introduce una mayor barrera lingüística y complejidad de desarrollo, y el alto costo de cambio en el ecosistema limita la velocidad de difusión de su paradigma de paralelismo.

La paralelización a nivel de transacciones, llevada un paso más allá, es la dirección explorada por la nueva generación de cadenas de alto rendimiento. Este enfoque ya no considera el estado o la cuenta como la unidad mínima de paralelización, sino que construye un gráfico de dependencias en torno a la transacción completa. Se considera la transacción como una unidad de operación atómica, construyendo un gráfico de transacciones a través de análisis estático o dinámico, y confiando en un programador para la ejecución en paralelo y en flujo. Este diseño permite al sistema maximizar la paralelización sin necesidad de comprender completamente la estructura del estado subyacente. Algunos proyectos combinan control de concurrencia optimista, programación de tuberías paralelas, ejecución fuera de orden y otras tecnologías modernas de motores de bases de datos, acercando la ejecución en cadena a la parábola del "programador de GPU". En la práctica, este mecanismo requiere un gestor de dependencias y un detector de conflictos extremadamente complejos, y el propio programador también puede convertirse en un cuello de botella, pero su potencial de capacidad de procesamiento es mucho mayor que el de los modelos de cuentas u objetos, convirtiéndose en una de las fuerzas con el mayor techo teórico en la actual carrera de computación paralela.

La paralelización a nivel de máquina virtual incrusta directamente la capacidad de ejecución concurrente en la lógica de programación de instrucciones de la VM, buscando romper completamente las limitaciones inherentes a la ejecución secuencial de EVM. Algunos proyectos, como "experimentos de supermáquinas virtuales" dentro del ecosistema de Ethereum, están intentando rediseñar EVM para que soporte la ejecución concurrente de código de contratos inteligentes en múltiples hilos. A nivel básico, mediante mecanismos como la ejecución segmentada, la separación de estados y las llamadas asíncronas, permite que cada contrato se ejecute de manera independiente en diferentes contextos de ejecución, y utiliza una capa de sincronización paralela para garantizar la consistencia final. La mayor dificultad de este enfoque radica en que debe ser completamente compatible con la semántica de comportamiento existente de EVM, al tiempo que transforma todo el entorno de ejecución y el mecanismo de Gas, para permitir una transición suave del ecosistema hacia un marco paralelo. El desafío no solo es la profundidad del stack tecnológico, sino que también implica la cuestión de la aceptación por parte de la estructura política de Ethereum L1 de cambios significativos en los protocolos. Pero si tiene éxito, esto podría convertirse en la "revolución del procesador multinúcleo" en el ámbito de EVM.

La última categoría de rutas, es decir, la más fina y con el mayor umbral técnico, es la paralelización a nivel de instrucciones. Su pensamiento se origina en la ejecución fuera de orden y en la canalización de instrucciones en el diseño moderno de CPU. Este paradigma considera que, dado que cada contrato inteligente finalmente se compila en instrucciones de bytecode, se puede analizar la programación y reorganización paralela de cada operación, tal como lo hace una CPU con el conjunto de instrucciones x86. Algunos proyectos ya han introducido un modelo de ejecución reordenable a nivel de instrucciones en su VM, y a largo plazo, una vez que el motor de ejecución de blockchain implemente la ejecución predictiva y la reorganización dinámica de las dependencias de instrucciones, su paralelismo alcanzará límites teóricos. Este enfoque incluso podría llevar el diseño colaborativo de blockchain y hardware a una nueva altura, haciendo que la cadena se convierta en una verdadera "computadora descentralizada", y no solo en un "libro mayor distribuido". Por supuesto, este camino aún se encuentra en una etapa teórica y experimental, y los programadores y mecanismos de verificación de seguridad relacionados aún no han madurado, pero señala el límite final de la computación paralela en el futuro.

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

En los múltiples caminos de la evolución de la computación paralela, las dos principales rutas tecnológicas que actualmente capturan la atención del mercado, que tienen la mayor demanda y que presentan la narrativa más completa, son sin duda la "cadena de computación paralela construida desde cero" representada por Monad, y la "revolución paralela interna de EVM" representada por MegaETH. Ambas no solo son las direcciones de investigación y desarrollo en las que los ingenieros de criptografía están más intensamente involucrados en la actualidad, sino que también son los símbolos más determinantes de la competencia en el rendimiento de las computadoras Web3. La divergencia entre las dos radica no solo en el punto de partida y el estilo de la arquitectura técnica, sino también en los objetivos ecológicos que sirven, los costos de migración, la filosofía de ejecución y las rutas estratégicas futuras que son radicalmente diferentes. Cada una representa una competencia entre un paradigma de "reconstruccionismo" y un paradigma de "compatibilismo" en la computación paralela, influyendo profundamente en la imaginación del mercado sobre la forma final de las cadenas de alto rendimiento.

Monad es un "purista del cálculo" radical, cuya filosofía de diseño no tiene como objetivo ser compatible con la EVM existente, sino que se inspira en bases de datos modernas y sistemas multicores de alto rendimiento para redefinir la forma en que funciona el motor de ejecución de blockchain en un nivel fundamental. 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 desordenada y las canalizaciones por lotes, con el objetivo de elevar el rendimiento de procesamiento de transacciones de la cadena a niveles de millón 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 entrega al programador para su ejecución paralela en canal. Todas las transacciones se consideran unidades atómicas de transacciones.