3、环境智能计算平台视角剖析

环境智能计算平台视角剖析

1 引言

环境智能设备需在网络基础设施各层级提供可扩展处理能力，其性能和功耗要求跨度极大，数据速率从数十 Kb/s 到数百 Gb/s，功耗从数十微瓦到数百瓦。硅 CMOS 技术虽不如碳生物化学灵活集成，但仍有显著灵活性，可实现性能和功耗六个数量级的跨度。

不过，设计满足成本、可靠性和能源效率要求的设备极具挑战。随着技术缩小，逻辑门变快但布线无改善，性能受互连主导；功率密度和泄漏功率增加；信噪比和电路可靠性降低；设计复杂度上升。此外，为支持可扩展性，设备需具备灵活性，包括部署时的可编程性和现场的可重构性。

为应对可扩展性挑战，环境智能硬件架构分为三类：
- 工作马（Workhorses）：高速固定网络骨干的顶级处理器，性能超 10Gb/s，功耗超 100W。
- 蜂鸟（Hummingbirds）：用于高带宽无线联网和多媒体的复杂片上系统（SoC），性能 10Mb/s，功耗 100mW。
- 蝴蝶（Butterflies）：用于普遍传感器网络的高度集成无线微传感器节点，性能 10Kb/s，功耗低。

2 工作马：固定基础网络设备

高性能微处理器是固定基础网络基础设施的主力。这类芯片销量大、利润高，研发投入巨大，开发新处理器需三到五年和数百名工程师。性能是该类架构最重要的设计指标，常用标准化执行时间性能指标，如 SpecINT 和 SpecFP，时钟速度虽营销价值高但性能指示性较弱。2003 年的通用处理器时钟频率超 2GHz，为满足周期时间约束，微架构向深度流水线解决方案发展。

然而，快速时钟和高复杂度导致高功耗，降低电源电压无法解决问题，平均功耗常超 100 瓦，功