Informe de investigación sobre la profundidad del cálculo paralelo en Web3: el camino definitivo para la expansión nativa

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

Desde su nacimiento, los sistemas de blockchain se han enfrentado al problema central de la escalabilidad. Los cuellos de botella en el rendimiento de Bitcoin y Ethereum son difíciles de superar en comparación con la capacidad de procesamiento del mundo tradicional de Web2. No es algo que se pueda resolver simplemente aumentando los servidores, sino que proviene de las limitaciones sistémicas en el diseño subyacente de la blockchain: el triángulo imposible de "descentralización, seguridad, escalabilidad" que no se puede tener todo a la vez.

En la última década, hemos sido testigos de innumerables intentos de escalado, desde la guerra de escalado de Bitcoin hasta el sharding de Ethereum, desde los canales de estado hasta los Rollup y las blockchains modular. Los Rollup, como el paradigma de escalado más ampliamente aceptado en la actualidad, logran un aumento significativo de TPS mientras alivian la carga de la cadena principal. Sin embargo, no han tocado el verdadero límite del "rendimiento de cadena única" en la base de la blockchain, especialmente en el nivel de ejecución, que sigue limitado por este antiguo paradigma de cálculo secuencial en la cadena.

El cálculo en paralelo dentro de la cadena está empezando a entrar en la visión de la industria. Intenta reconstruir completamente el motor de ejecución, manteniendo la atomicidad y la estructura integrada de una sola cadena, actualizando la blockchain del modo de "ejecución de transacciones en serie" 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 la capacidad de procesamiento de cientos de veces, 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 un "método de optimización del rendimiento", sino que también es un punto de inflexión en el paradigma del modelo de ejecución de blockchain. Desafía el patrón fundamental de ejecución de contratos inteligentes, redefiniendo la lógica básica de empaquetado de transacciones, acceso a estados, relaciones de llamadas y disposición de almacenamiento. Si se dice que Rollup es "mover las transacciones fuera de la cadena para su ejecución", entonces la paralelización dentro de la cadena es "construir un núcleo de supercomputadora en la cadena", cuyo objetivo es proporcionar un soporte de infraestructura verdaderamente sostenible para las aplicaciones nativas de Web3 en el futuro.

Después de que la pista de Rollup se haya vuelto homogénea, la paralelización dentro de la cadena está convirtiéndose silenciosamente en la variable decisiva de la competencia Layer1 en el nuevo ciclo. El rendimiento ya no es solo "más rápido", sino la posibilidad de soportar un mundo de aplicaciones heterogéneas. Esto no es solo una carrera técnica, sino una lucha por paradigmas. La próxima generación de plataformas de ejecución soberana en el mundo Web3 probablemente nacerá de esta lucha por la paralelización dentro de la cadena.

Mapa panorámico de la expansión: 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 públicas, ha dado lugar a casi todas las rutas tecnológicas principales que han surgido y evolucionado en la última década. Desde el inicio de la disputa sobre el tamaño del bloque 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, modelo de riesgo y escenarios aplicables.

La primera categoría de rutas es la escalabilidad en cadena más directa, representando prácticas como aumentar el tamaño de los bloques, acortar el tiempo de creación de bloques, o mejorar la capacidad de procesamiento a través de la optimización de la estructura de datos y el mecanismo de consenso. Este enfoque se convirtió en el centro de atención en la disputa por la escalabilidad de Bitcoin, dando lugar a bifurcaciones como BCH y BSV de la "gran cadena de bloques", y también influyó en el diseño de cadenas de bloques públicas de alto rendimiento como EOS y NEO. Las ventajas de este tipo de ruta son que preserva la simplicidad de la consistencia de una sola cadena, es fácil de entender y desplegar, pero también puede tocar riesgos de centralización, aumento de los costos de operación de nodos, y mayor dificultad de sincronización, entre otros límites sistémicos. Por lo tanto, en el diseño actual ya no es la solución central principal, sino que se ha convertido más en un complemento 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 este tipo de caminos es trasladar la mayor parte de la actividad transaccional fuera de la cadena, escribiendo solo el resultado final en la cadena principal, donde la cadena principal actúa como la capa final de liquidación. Desde la filosofía técnica, se asemeja a la idea de arquitectura asíncrona de Web2: tratar de dejar el procesamiento de transacciones pesado en la periferia, mientras que la cadena principal realiza la verificación mínima y confiable. Aunque esta idea, en teoría, puede escalar indefinidamente en términos de rendimiento, los problemas del modelo de confianza en las transacciones fuera de la cadena, la seguridad de los fondos y la complejidad de la interacción limitan su aplicación. Un ejemplo típico es el Lightning Network, que aunque tiene una clara ubicación en escenarios financieros, su ecosistema nunca ha explotado; mientras que varios diseños basados en cadenas laterales, como el POS de una plataforma de intercambio, aunque logran un alto rendimiento, también exponen las desventajas de la difícil herencia de la seguridad de la cadena principal.

La tercera ruta es la ruta de Layer2 Rollup, que actualmente es la más popular y ampliamente implementada. Este enfoque no cambia directamente la cadena principal, sino que logra la expansión a través de un mecanismo de ejecución fuera de la cadena y verificación en la cadena. Optimistic Rollup y ZK Rollup tienen sus propias ventajas: el primero logra velocidad y alta compatibilidad, pero enfrenta problemas de demora en el período de desafío y el mecanismo de prueba de fraude; el segundo tiene una fuerte seguridad y buena capacidad de compresión de datos, pero es complejo de desarrollar y tiene una compatibilidad insuficiente con EVM. Independientemente del tipo de Rollup, su esencia es externalizar el derecho de ejecución, mientras se mantienen los datos y la verificación en la cadena principal, logrando un equilibrio relativo entre descentralización y alto rendimiento. El rápido crecimiento de algunos proyectos Layer2 ha demostrado la viabilidad de este camino, pero también ha expuesto fuertes dependencias de la disponibilidad de datos (DA), costos aún altos y una experiencia de desarrollo fragmentada, entre otros cuellos de botella a medio plazo.

La cuarta categoría de rutas es la arquitectura de blockchain modular que ha surgido en los últimos años, representada por Celestia, Avail, EigenLayer, entre otros. El paradigma modular aboga por desacoplar completamente las funciones centrales de la blockchain - ejecución, consenso, disponibilidad de datos, liquidación - permitiendo que múltiples cadenas especializadas realicen diferentes funciones, y luego se combinen en una red escalable a través de protocolos cross-chain. Esta dirección está profundamente influenciada por la arquitectura modular de los sistemas operativos y la idea de la computación en la nube como un sistema combinable, y su ventaja radica en la capacidad de reemplazar componentes del sistema de manera flexible, lo que puede aumentar significativamente la eficiencia en etapas específicas como ( y DA). Sin embargo, los desafíos también son muy evidentes: después del desacoplamiento modular, los costos de sincronización, verificación y confianza mutua entre los sistemas son extremadamente altos, la ecología de desarrolladores está extremadamente dispersa, y los requisitos para estándares de protocolos a medio y largo plazo y la seguridad cross-chain son mucho más altos que en el diseño de cadenas tradicionales. Este modelo, en esencia, no construye una "cadena", sino una "red de cadenas", lo que plantea un umbral sin precedentes para la comprensión de la arquitectura general y la operación y mantenimiento.

La última categoría de rutas, que es el objeto de análisis clave en la continuación de este artículo, es la ruta de optimización de cálculo paralelo dentro de la cadena. A diferencia de las cuatro primeras categorías que realizan "descomposición horizontal" principalmente desde el nivel estructural, el cálculo paralelo enfatiza la "actualización vertical", es decir, dentro de una sola cadena, mediante el cambio de la arquitectura del motor de ejecución, se logra el procesamiento concurrente de transacciones atomizadas. Esto requiere reescribir la lógica de programación de la VM, introducir análisis de dependencias de transacciones, predicción de conflictos de estado, control de paralelismo, llamadas asíncronas y todo un conjunto de mecanismos modernos de programación de sistemas informáticos. Una cadena pública de alto rendimiento fue uno de los primeros proyectos en implementar el concepto de VM paralela a nivel de cadena, logrando la ejecución paralela multicore a través de un juicio de conflictos de transacciones basado en un modelo de cuentas. Por otro lado, nuevos proyectos de generación como Monad, Sei, Fuel, MegaETH, entre otros, han ido más allá al intentar introducir conceptos vanguardistas como la ejecución en tuberías, la concurrencia optimista, la partición de almacenamiento, y el desacoplamiento paralelo, construyendo núcleos de ejecución de alto rendimiento similares a CPUs modernas. La ventaja central de esta dirección radica en que no necesita depender de la arquitectura de múltiples cadenas para lograr un avance en los límites de rendimiento, al mismo tiempo que proporciona suficiente flexibilidad computacional para la ejecución de contratos inteligentes complejos, lo cual es un requisito técnico importante para aplicaciones futuras como Agentes de IA, juegos de cadena grandes, y derivados de alta frecuencia.

Al observar las cinco categorías de caminos de escalabilidad mencionadas, la divergencia que hay detrás de ellas es en realidad el equilibrio sistemático que la blockchain tiene que hacer entre rendimiento, composibilidad, seguridad y complejidad de desarrollo. Rollup destaca en la externalización del consenso y la herencia de seguridad, la modularidad resalta la flexibilidad estructural y la reutilización de componentes, la escalabilidad fuera de la cadena intenta superar el cuello de botella de la cadena principal pero tiene un alto costo de confianza, mientras que la paralelización dentro de la cadena se centra en la actualización fundamental de la capa de ejecución, intentando acercarse al límite de rendimiento de los sistemas distribuidos modernos sin romper la consistencia interna de la cadena. Ninguno de estos caminos puede resolver todos los problemas, pero estas direcciones en conjunto forman un panorama de la actualización del paradigma de cálculo Web3, además de proporcionar opciones estratégicas extremadamente ricas para desarrolladores, arquitectos e inversores.

Así como en la historia los sistemas operativos han pasado de ser de un solo núcleo a múltiples núcleos, y las bases de datos han evolucionado de índices secuenciales a transacciones concurrentes, el camino de escalabilidad de Web3 también finalmente avanzará hacia una era de ejecución altamente paralela. En esta era, el rendimiento ya no será solo una competencia de velocidad de la cadena, sino una manifestación integral de la filosofía de diseño subyacente, la profundidad de comprensión de la arquitectura, la colaboración entre hardware y software, y el control del sistema. Y la paralelización dentro de la cadena podría ser el campo de batalla definitivo de esta guerra a largo plazo.

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

En el contexto de la evolución constante de las tecnologías de escalado en blockchain, la computación paralela se ha convertido gradualmente en la ruta central para la superación del rendimiento. A diferencia del desacoplamiento horizontal en la capa estructural, la capa de red o la capa de disponibilidad de datos, la computación paralela se centra en la excavación en profundidad de la capa de ejecución, que se relaciona con la lógica más fundamental de la eficiencia operativa de blockchain, determinando la velocidad de respuesta y la capacidad de procesamiento de un sistema blockchain frente a transacciones complejas de alta concurrencia y múltiples tipos. Partiendo del modelo de ejecución, al revisar la evolución de esta genealogía tecnológica, podemos elaborar un claro mapa de clasificación de la computación paralela, 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, desde un grosor de grano grueso hasta uno fino, representan no solo un proceso de refinamiento continuo de la lógica paralela, sino también un camino en el que la complejidad del sistema y la dificultad de programación continúan aumentando.

El primer nivel de paralelismo a nivel de cuenta se representa con un paradigma basado en una cadena pública de alto rendimiento. Este modelo se basa en un diseño desacoplado de cuenta-estado, mediante el análisis estático del conjunto de cuentas involucradas en las transacciones, se determina si existe una relación de conflicto. Si los conjuntos de cuentas accedidos por dos transacciones no se superponen, se pueden ejecutar de forma concurrente en múltiples núcleos. Este mecanismo es muy adecuado para tratar transacciones con estructuras claras y entradas y salidas definidas, especialmente 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 inferir estáticamente, lo que provoca problemas de ejecución conservadora y disminución del paralelismo al enfrentarse a comportamientos dinámicos de contratos inteligentes complejos como juegos en cadena, agentes de IA, etc., en el caso de (. Además, las dependencias cruzadas entre cuentas también han debilitado seriamente los beneficios de la paralelización en ciertos escenarios de comercio de alta frecuencia. El runtime de esta cadena pública de alto rendimiento ya ha logrado una optimización significativa en este aspecto, pero su estrategia de programación central sigue viéndose afectada por las limitaciones en el nivel de la cuenta.

Sobre la base del modelo de cuentas, nos adentramos en un nivel técnico de paralelismo a nivel de objetos. El paralelismo a nivel de objetos introduce una abstracción semántica de recursos y módulos, realizando la programación concurrente en unidades de "objetos de estado" de gran granularidad. Algunos proyectos de nueva generación Layer1 son importantes exploradores en esta dirección, especialmente los últimos que, a través del sistema de tipos lineales del lenguaje Move, definen en tiempo de compilación la propiedad y la mutabilidad de los recursos, lo que permite un control preciso de los conflictos de 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 cubrir lógicas de lectura y escritura de estado más complejas, y sirve de manera natural a escenarios de 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; Move no es un reemplazo directo de Solidity, y el costo de cambiar de ecosistemas es alto, lo que limita la velocidad de difusión de su paradigma de paralelismo.

La paralelización a nivel de transacciones más avanzada es la dirección explorada por la nueva generación de cadenas de alto rendimiento, representadas por Monad, Sei y Fuel. Este camino ya no considera el estado o la cuenta como la unidad mínima de paralelismo, sino que se centra en la construcción de gráficos de dependencias en torno a la transacción en sí misma. Considera la transacción como una unidad de operación atómica, construyendo un gráfico de transacciones )Transaction DAG( a través de análisis estático o dinámico, y depende de un programador para realizar la ejecución concurrente en flujo. Este diseño permite al sistema maximizar la paralelización sin necesidad de comprender completamente la estructura de estado subyacente. Monad es especialmente notable, ya que combina el control de concurrencia optimista )OCC(, la programación de flujos paralelos y la ejecución fuera de orden, entre otras tecnologías de motores de bases de datos modernas, acercando la ejecución de la cadena a la paradigma del "programador GPU". En la práctica, este mecanismo requiere gestores de dependencias y detectores de conflictos extremadamente complejos, y el propio programador podría convertirse en un cuello de botella, pero su capacidad de rendimiento potencial es mucho mayor que la de los modelos de cuentas u objetos, convirtiéndose en una de las fuerzas con mayor techo teórico en la actual pista de computación paralela.

Y la paralelización a nivel de máquina virtual integra directamente la capacidad de ejecución concurrente en la lógica de programación de instrucciones a nivel de VM, buscando romper completamente las limitaciones inherentes a la ejecución secuencial del EVM. MegaETH, como "experimento de supermáquina virtual" dentro del ecosistema de Ethereum,