Informe de investigación en profundidad sobre la computación paralela en Web3: el camino definitivo hacia el escalado nativo

1. Introducción: El escalado es una propuesta eterna, y el paralelismo es el último campo de batalla

Desde el nacimiento de Bitcoin, el sistema blockchain siempre se ha enfrentado a un problema central inevitable: el escalado. Bitcoin procesa menos de 10 transacciones por segundo, y Ethereum lucha por superar el cuello de botella de rendimiento de decenas de TPS (transacciones por segundo), que es particularmente engorroso en el mundo tradicional de Web2, donde a menudo se utilizan decenas de miles de TPS. Más importante aún, este no es un problema simple que se puede resolver "agregando servidores", sino una limitación sistémica profundamente arraigada en el consenso subyacente y el diseño estructural de la cadena de bloques, es decir, el triángulo imposible de la cadena de bloques donde "descentralización, seguridad y escalabilidad" no se pueden combinar.

Durante la última década, hemos visto innumerables intentos de expansión subir y bajar. Desde la guerra de escalado de Bitcoin hasta la visión de fragmentación de Ethereum, desde los canales de estado y el plasma hasta los rollups y las cadenas de bloques modulares, desde la ejecución fuera de la cadena en la capa 2 hasta la refactorización estructural de la disponibilidad de datos, toda la industria se ha embarcado en un camino de escalado lleno de imaginación de ingeniería. Como el paradigma de escalado más ampliamente aceptado, el rollup ha logrado el objetivo de aumentar significativamente el TPS al tiempo que reduce la carga de ejecución de la cadena principal y preserva la seguridad de Ethereum. Pero no toca los límites reales del "rendimiento de una sola cadena" subyacente de la cadena de bloques, especialmente en el nivel de ejecución, que es el rendimiento del bloque en sí, todavía está limitado por el antiguo paradigma de procesamiento de la computación en serie en la cadena.

Debido a esto, la computación paralela en cadena ha entrado gradualmente en el campo de visión de la industria. A diferencia del escalado fuera de la cadena y la distribución entre cadenas, el paralelismo dentro de la cadena intenta reconstruir completamente el motor de ejecución mientras se mantiene la atomicidad de una sola cadena y la estructura integrada, y actualiza la cadena de bloques de un modo de un solo subproceso de "ejecución en serie de una transacción por una" a un sistema informático de alta concurrencia de "multisubprocesos + canalización + programación de dependencias" bajo la guía del sistema operativo moderno y el diseño de la CPU. Este camino no solo puede lograr un aumento de cien veces en el rendimiento, sino que también puede convertirse en un requisito previo clave para la explosión de las aplicaciones de contratos inteligentes.

De hecho, en el paradigma de la informática Web2, la informática de un solo subproceso ha sido eliminada hace mucho tiempo por las arquitecturas de hardware modernas y reemplazada por un flujo interminable de modelos de optimización, como la programación paralela, la programación asíncrona, los grupos de subprocesos y los microservicios. Blockchain, como un sistema informático más primitivo y conservador con requisitos extremadamente altos de certeza y verificabilidad, nunca ha podido hacer un uso completo de estas ideas de computación paralela. Esto es tanto una limitación como una oportunidad. Nuevas cadenas como Solana, Sui y Aptos son las primeras en iniciar esta exploración introduciendo el paralelismo a nivel arquitectónico. Los proyectos emergentes, como Monad y MegaETH, han elevado aún más el paralelismo en la cadena a avances en mecanismos profundos como la ejecución de tuberías, la concurrencia optimista y la transmisión asíncrona de mensajes, mostrando características que se acercan cada vez más a los sistemas operativos modernos.

Se puede decir que la computación paralela no es solo un "método de optimización del rendimiento", sino también un punto de inflexión en el paradigma del modelo de ejecución de blockchain. Desafía los patrones fundamentales de la ejecución de contratos inteligentes y redefine la lógica básica del empaquetado de transacciones, el acceso al estado, las relaciones de llamadas y el diseño del almacenamiento. Si el rollup es "mover las transacciones a la ejecución fuera de la cadena", entonces el paralelismo en la cadena es "construir núcleos de supercomputación en la cadena", y su objetivo no es simplemente mejorar el rendimiento, sino proporcionar un soporte de infraestructura verdaderamente sostenible para las futuras aplicaciones nativas de Web3 (comercio de alta frecuencia, motores de juegos, ejecución de modelos de IA, redes sociales en la cadena, etc.).

Después de que la pista de rollup tiende gradualmente a ser homogénea, el paralelismo dentro de la cadena se está convirtiendo silenciosamente en la variable decisiva del nuevo ciclo de competencia de la capa 1. El rendimiento ya no es solo "más rápido", sino la posibilidad de poder soportar todo un mundo de aplicaciones heterogéneo. Esta no es solo una carrera técnica, sino también una batalla de paradigmas. Es probable que la próxima generación de plataformas de ejecución soberana en el mundo Web3 surja de esta lucha paralela dentro de la cadena.

2. Panorama del paradigma de expansión:

Como uno de los temas más importantes, sostenibles y difíciles en la evolución de la tecnología de la cadena pública, cinco tipos de rutas, cada una con su propio enfoque en la expansión, han dado lugar a la aparición y evolución de casi todas las vías tecnológicas convencionales en la última década. A partir de la batalla por el tamaño de los bloques de Bitcoin, esta competencia técnica sobre "cómo hacer que la cadena funcione más rápido" finalmente se dividió en cinco rutas básicas, cada una de las cuales corta el cuello de botella desde un ángulo diferente, con su propia filosofía técnica, dificultad de aterrizaje, modelo de riesgo y escenarios aplicables.

la primera ruta es el escalado en cadena más sencillo, que representa formas de aumentar el tamaño del bloque, acortar el tiempo del bloque o mejorar la potencia de procesamiento optimizando la estructura de datos y el mecanismo de consenso. Este enfoque ha sido el foco del debate sobre el escalado de Bitcoin, dando lugar a bifurcaciones de facciones de "bloques grandes" como BCH y BSV, y también influyendo en las ideas de diseño de las primeras cadenas públicas de alto rendimiento como EOS y NEO. La ventaja de este tipo de ruta es que conserva la simplicidad de la consistencia de una sola cadena, que es fácil de entender e implementar, pero también es muy fácil tocar el límite superior sistémico, como el riesgo de centralización, el aumento de los costos operativos de los nodos y el aumento de la dificultad de sincronización, por lo que ya no es la solución central principal en el diseño actual, sino que se ha convertido más en una colocación auxiliar de otros mecanismos.

El segundo tipo de ruta es el escalado fuera de la cadena, que se representa mediante canales de estado y cadenas laterales. La idea básica de este tipo de ruta es mover la mayor parte de la actividad de la transacción fuera de la cadena y solo escribir el resultado final en la cadena principal, que actúa como la capa de liquidación final. En términos de filosofía técnica, está cerca de la arquitectura asíncrona de Web2: intente dejar el procesamiento de transacciones pesadas en la periferia, y la cadena principal realiza una verificación de confianza mínima. Aunque esta idea puede ser teóricamente infinitamente escalable, el modelo de confianza, la seguridad de los fondos y la complejidad de la interacción de las transacciones fuera de la cadena limitan su aplicación. Por ejemplo, aunque Lightning Network tiene un claro posicionamiento de escenarios financieros, la escala del ecosistema nunca se ha disparado. Sin embargo, múltiples diseños basados en cadenas laterales, como Polygon POS, no solo tienen un alto rendimiento, sino que también exponen las desventajas de la difícil herencia de la seguridad de la cadena principal.

El tercer tipo de ruta es la ruta acumulativa de capa 2 más popular y ampliamente implementada. Este método no cambia directamente la cadena principal en sí, sino que escala a través del mecanismo de ejecución fuera de la cadena y verificación en la cadena. Optimistic Rollup y ZK Rollup tienen sus propias ventajas: el primero es rápido de implementar y altamente compatible, pero tiene los problemas de retraso en el período de impugnación y mecanismo a prueba de fraude; Este último tiene una fuerte seguridad y buenas capacidades de compresión de datos, pero es complejo de desarrollar y carece de compatibilidad con EVM. No importa qué tipo de rollup sea, su esencia es externalizar la potencia de ejecución, manteniendo los datos y la verificación en la cadena principal, logrando un equilibrio relativo entre la descentralización y el alto rendimiento. El rápido crecimiento de proyectos como Arbitrum, Optimism, zkSync y StarkNet demuestra la viabilidad de este camino, pero también expone cuellos de botella a mediano plazo, como la dependencia excesiva de la disponibilidad de datos (DA), los altos costos y la experiencia de desarrollo fragmentada.

El cuarto tipo de ruta es la arquitectura modular de blockchain que ha surgido en los últimos años, como Celestia, Avail, EigenLayer, etc. El paradigma modular aboga por el desacoplamiento completo de las funciones básicas de la cadena de bloques (ejecución, consenso, disponibilidad de datos y liquidación) mediante múltiples cadenas especializadas para completar diferentes funciones y luego combinarlas en una red escalable con un protocolo de cadena cruzada. Esta dirección está fuertemente influenciada por la arquitectura modular del sistema operativo y la componibilidad de la computación en la nube, que tiene la ventaja de poder reemplazar de manera flexible los componentes del sistema y mejorar en gran medida la eficiencia en áreas específicas como DA. Sin embargo, los desafíos también son muy obvios: el costo de la sincronización, la verificación y la confianza mutua entre los sistemas después del desacoplamiento de módulos es extremadamente alto, el ecosistema de desarrolladores está extremadamente fragmentado y los requisitos para los estándares de protocolo a mediano y largo plazo y la seguridad entre cadenas son mucho más altos que los del diseño de cadena tradicional. En esencia, este modelo ya no construye una "cadena", sino que construye una "red de cadena", lo que establece un umbral sin precedentes para la comprensión general de la arquitectura, la operación y el mantenimiento.

El último tipo de ruta, que es el foco del análisis posterior en este artículo, es la ruta de optimización de la computación paralela dentro de la cadena. A diferencia de los primeros cuatro tipos de "división horizontal", que principalmente llevan a cabo la "división horizontal" desde el nivel estructural, la computación paralela enfatiza la "actualización vertical", es decir, el procesamiento simultáneo de las transacciones atómicas se realiza cambiando la arquitectura del motor de ejecución dentro de una sola cadena. Esto requiere reescribir la lógica de programación de la máquina virtual e introducir un conjunto completo de mecanismos de programación de sistemas informáticos modernos, como el análisis de dependencias de transacciones, la predicción de conflictos de estado, el control de paralelismo y las llamadas asincrónicas. Solana es el primer proyecto en implementar el concepto de VM paralela en un sistema a nivel de cadena, que realiza la ejecución paralela de múltiples núcleos a través del juicio de conflictos de transacciones basado en el modelo de cuenta. La nueva generación de proyectos, como Monad, Sei, Fuel, MegaETH, etc., intenta introducir ideas de vanguardia como la ejecución de tuberías, la concurrencia optimista, la partición del almacenamiento y el desacoplamiento paralelo para construir núcleos de ejecución de alto rendimiento similares a las CPU modernas. La principal ventaja de esta dirección es que no necesita depender de la arquitectura multicadena para lograr un avance en el límite de rendimiento y, al mismo tiempo, proporciona suficiente flexibilidad informática para la ejecución de contratos inteligentes complejos, que es un requisito previo técnico importante para futuros escenarios de aplicación como AI Agent, juegos de cadena a gran escala y derivados de alta frecuencia.

Al observar los cinco tipos de rutas de escalado anteriores, la división detrás de ellos es en realidad la compensación sistemática entre el rendimiento, la componibilidad, la seguridad y la complejidad del desarrollo de la cadena de bloques. Rollup es fuerte en la externalización de consenso y la herencia segura, la modularidad destaca la flexibilidad estructural y la reutilización de componentes, el escalado fuera de la cadena intenta romper el cuello de botella de la cadena principal, pero el costo de confianza es alto, y el paralelismo dentro de la cadena se centra en la actualización fundamental de la capa de ejecución, tratando de acercarse al límite de rendimiento de los sistemas distribuidos modernos sin destruir la consistencia de la cadena. Es imposible que cada camino resuelva todos los problemas, pero son estas direcciones las que juntas forman un panorama de la actualización del paradigma informático Web3, y también brindan a los desarrolladores, arquitectos e inversores opciones estratégicas extremadamente ricas.

Al igual que el sistema operativo ha pasado de ser de un solo núcleo a ser de varios núcleos y las bases de datos han evolucionado de índices secuenciales a transacciones concurrentes, la expansión de la Web3 acabará avanzando hacia una era de ejecución muy paralela. En esta era, el rendimiento ya no es solo una carrera de velocidad en cadena, sino una encarnación integral de la filosofía de diseño subyacente, la profundidad de la comprensión de la arquitectura, la colaboración de software y hardware y el control del sistema. Y el paralelismo dentro de la cadena puede ser el último campo de batalla de esta guerra a largo plazo.

3. Gráfico de clasificación de computación paralela: cinco caminos desde la cuenta hasta la instrucciónEn

el contexto de la evolución continua de la tecnología de escalado de blockchain, la computación paralela se ha convertido gradualmente en el camino central para los avances en el rendimiento. A diferencia del desacoplamiento horizontal de la capa de estructura, la capa de red o la capa de disponibilidad de datos, la computación paralela es una minería profunda en la capa de ejecución, que está relacionada con la lógica más baja de la eficiencia operativa de la cadena de bloques y determina la velocidad de respuesta y la capacidad de procesamiento de un sistema de cadena de bloques frente a una alta concurrencia y transacciones complejas de múltiples tipos. A partir del modelo de ejecución y revisando el desarrollo de este linaje tecnológico, podemos ordenar un mapa de clasificación claro de la computación paralela, que se puede dividir aproximadamente en cinco rutas técnicas: 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. Estos cinco tipos de caminos, desde el de grano grueso hasta el de grano fino, no son solo el proceso de refinamiento continuo de la lógica paralela, sino también el camino de aumento de la complejidad del sistema y la dificultad de programación.