1.2.5 性能指标

1.2.5 性能指标

1)处理性能

(1)主频。指处理器的时钟频率。计算机的操作在时钟信号的控制下分步执行,每个时钟信号周期完成一步操作。时钟频率的高低在很大程度上反映了处理器速度的快慢。

(2)浮点性能。FLOPS(floating-point operations per second)是衡量浮点性能的常用单位,即每秒做的浮点运算次数:

FLOPS=CPU核数×CPU频率×每周期执行的浮点操作数

(3)定点性能。MACS(multiply add caculation per second)是衡量定点性能的常用单位,即每秒做的定点运算次数:

MACS=CPU核数×CPU频率×每周期执行的定点操作数

(4)人工智能(artificial intelligence,AI)算力。OPS(operations per second)是衡量AI芯片算力的常用单位,即每秒做的运算次数。TOPS(tera operations per second)代表每秒钟可进行一万亿次(1012)操作:

1 TOPS=103×1 GOPS=106×1 MOPS=1012×OPS

式中,1 GOPS代表每秒钟可进行109操作;1 MOPS代表每秒钟可进行106操作。

因浮点运算对性能要求较高,在保证AI精度的同时将浮点数转为整数进行计算,可大幅降低计算资源的消耗。因此,也用INT8、INT4、INT16、INT32表示数的类型,“INT”后的数字表示整数的位数。

2)处理字长

计算机采用二进制编码方式表示数、字符、指令和其他控制信息。计算机在存储、传送或操作时,作为一个单元的一组二进制码称作字,一个字中二进制位的位数称作字长。通常把处理字长为8位数据的CPU称作8位CPU,32位CPU就是指在同一时间内处理字长为32位的二进制数据。二进制的每一个0或1是组成二进制的最小单位,称作位(bit)。

常用的字长为8位、16位、32位和64位。字长为8位的编码称作字节(byte),是计算机中的基本编码单位。字长与计算机的功能和用途有关,是计算机的一个重要技术指标。字长直接反映了一台计算机的计算精度,为适应不同的要求及协调运算精度和硬件造价间的关系,大多数计算机均支持变字长运算,即机内可实现半字长、全字长(或单字长)和双倍字长运算。在其他指标相同时,字长越大,计算机处理数据的速度就越快。早期微机的字长一般是8位和16位,386以及更高的处理器大多是32位。

3)存储容量

内存储器是指随机存储器(randomAccess memory,RAM),即在正常工作状态下可以往存储器中随时读写数据。根据存储单元工作原理的不同,RAM又可分为静态存储器(SRAM)和动态存储器(DRAM)。RAM的特点包括:可读可写;断电后,里面存储的数据会丢失。

外存储器是指只读存储器(read only memory,ROM),即以非破坏性读出方式工作,只能读出无法写入信息。根据存储器功能不同,ROM可分为可编程只读存储器(PROM)、可擦可编程只读存储器(EPROM)和带电可擦可编程只读存储器(EEPROM)等不同种类。ROM的特点包括:数据存储稳定,断电后数据不变,结构简单,抗辐射性能好,常用于存储各类固定程序和数据。

Flash是存储芯片的一种,在电子以及半导体领域被称作闪存(Flash memory)。Flash结合了ROM和RAM的长处,不仅具备电子可擦除可编程能力,还可以快速读取数据,使数据不会因为断电而丢失。

存储容量一般都是2的整次方倍,比如64 MB、128 MB、256 MB等。系统对内存的识别是以byte(字节)为单位,每个字节由8位二进制数组成,即8 bit。按照计算机的二进制方式,有以下换算关系:1 byte=8 bit;1 KB=1 024 byte;1 MB=1 024 KB;1 GB=1 024 MB;1 TB=1 024 GB。

4)功耗、重量和体积

由于星上供电功率有限,因此对星载计算机的功耗要求也十分严格;同时由于卫星所能携带的重量有限,故对星载计算机重量要求也非常严苛。

对星载计算机体积要求包含本体尺寸、最大尺寸、安装尺寸。

5)I/O输入/输出(input/output)

评价I/O速度的指标有两个,一个是IOPS,另一个是吞吐量。

(1)IOPS,每秒处理的IO次数。指存储设备单位时间内能处理的IO请求数量。对随机读写频繁的应用,如OLTP数据库、图片、信息,是最关键的衡量指标。IOPS数值受读写比例、随机IO、IO大小和队列深度等因素影响。数据库通常访问一系列不连续的数据,根据文件物理位置,需要很多次访问才能完成,所以需要随机IO高的设备。

(2)吞吐量(throughput)。指单位时间内可以成功传输的数据数量,传输包括读和写的总和。对于大文件或流媒体的应用,拥有大量顺序读写,则更关注数据吞吐量。数据吞吐量还受到存储设备接口速度限制,但同时期推出的接口都大于存储设备吞吐量上限。

6)抗辐射性能

(1)总剂量效应(total ionizing dose)。为辐射效应的一种,指器件受到高能粒子等辐射会造成与时间积累有关的辐射损伤的效应。总剂量以rad为单位,定义为每克物质上淀积100尔格(erg,1 erg=10-7J)的辐射能量。

(2)抗单粒子翻转。单粒子翻转是指宇宙中单个高能粒子射入半导体器件灵敏区,使器件逻辑状态翻转,出现存储的“0”变为“1”或者“1”变为“0”的现象,从而产生错误,导致系统功能紊乱。器件抗单粒子翻转的能力以现行能量传递表示,单位为MeV·mg-1·cm-2

(3)单粒子功能中断率。单粒子功能中断是指由于单机系统在轨发生单粒子翻转效应,造成单机系统无法执行预定功能的情况。单粒子功能中断率表征的是星载计算机在轨稳定和工作连续性的统计学指标,定义为单粒子功能中断发生的频次,常用单位为次/天、次/分钟。