前言

64位元處理器並非是新消息，早在1992年迪吉多（Digital Equipment Co；DEC）便提出64位元運算架構的Alpha晶片，堪稱全球第一顆64bit CPU，不過最近64位元處理器再度成為熱門話題，主因在於今（2002）年的Computex Taipei國際電腦展上，Intel、AMD等以往在32位元領域較勁的業者，紛紛預告了今年下半年的64位元產品藍圖，Intel除了原有於2000年推出的第一顆IA-64架構晶片：Itanium（原研發代號：Merced）後，今年七月份也推出接替產品：Itanium 2（原研發代號：McKinley），同樣的AMD預告已久K8、Hammer、SleidgeHammer/ClawHammer，也正式命名為Opteron，並於Computex展場上有靜態的展示。為了瞭解64bit晶片會有如何的消長發展，且讓我們逐一探討各類64bit晶片的過往與現況。

《圖一　Intel Itanium 2（McKinley）晶片圖（Sorce：HP網站）》

Compaq/DEC Alpha 21x64晶片

64bit的Alpha晶片，是DEC為了接替該公司原有32bit的VAX電腦所設計，VAX電腦在當初也屬相當前瞻的32bit電腦系統設計，使用MIPS的處理晶片，而MIPS（荷商美普思科技）於1991年與Compaq康柏、Microsoft微軟、SGI視算、DEC迪吉多等重量級廠商合組先進運算環境（Advanced Computing Environment；ACE）聯盟，此策略主要是MIPS針對打擊Intel CISC CPU所提出，但後來效用不大，也因此DEC決定以當時32bit的MIPS晶片為基礎，開發自家用的64bit Alpha晶片。

Alpha晶片主要有21064、21164、21264等型號演進，在1996年前後DEC將以21164、21264為基礎衍生出21164PC、21264PC，鎖定的對手即是Intel的Pentium、Pentium Pro/II，策略上是要讓21164PC、21264PC的時脈為Pentium、Pentium Pro/II的2倍，但價格相同，以價格相同下之時脈效能優勢與Intel對抗，然而此策略對Intel CPU的影響亦有限，之後到了1998年，DEC便被Compaq以96億美元併購，自此Alpha晶片成為Compaq的產品，

既然Alpha晶片最初的設計用意是接替VAX電腦用的MIPS晶片，因此自然能執行VAX電腦用的VMS/OpenVMS作業系統，此外UNIX、Windows等開放式作業系統盛行，因此Alpha晶片也支援DEC UNIX與Windows NT，而在Compaq併購DEC後，DEC UNIX強化成Tru64 UNIX，Windows NT則在Compaq考量評估下，決定放棄Alpha的Windows（至NT v4.0版）支援，由Intel CPU持續提供Windows作業系統方案，讓Alpha晶片專注於OpenVMS與UNIX的支援，除此之外，近年來盛行的Linux，也同樣有Alpha版本。

Compaq併購DEC取得Alpha晶片，以及取得Alpha工作站、伺服器等的用意，是希望開拓高階企業解決方案的資訊服務業務，用意雖佳，但實際執行卻事與願違，Compaq的Alpha業務拓展始終落後於同業的其他晶片或主機，在UNIX伺服器、工作站等領域其市佔率都低於IBM、SUN以及HP，因此目前Alpha晶片與系統已逐漸淡出主流商務市場，轉進科學領域運算的特殊利基市場。

由於Alpha系統與晶片逐漸式微，Compaq難以負擔後續更高階Alpha晶片的開發成本，已經於2001年決議將旗下150位Alpha晶片設計小組的成員移轉給Intel，並將Alpha晶片的架構特點、設計技術用於後續的Itanium家族晶片中。而Compaq則將持續強化手邊現有的Alpha晶片之效能，包括依照進度提升時脈、加大快取、加快與加寬匯流排等，預計提供銷售至2003、2004年，服務將提供至2007年，未來Compaq的高階電腦將由Alpha轉為使用Itanium/IA-64晶片，而這樣的策略不僅適用於Alpha，包括Compaq於1997年併購的Tandem電腦，其NonStop Himalaya專屬主機，也會由現有的MIPS晶片換用Itanium/IA-64晶片。

雖然Alpha晶片未來僅有數年光景，但Compaq仍持續提供升級方案給客戶，2002年5月Compaq公佈EV7代號的新Alpha晶片架構，新晶片的特點包括內建兩組RDRAM的記憶體控制器、1.5MB L2快取、晶片面積達400mm平方、使用0.18製程（韓國三星Samsung代工製造）、更後頭的EV79則會使用0.13um製程與SOI（矽絕緣）技術製造，並將晶片面積降至300mm平方。

EV7預計推出後的型號為21364，最多可以連結128顆CPU，每顆最高記憶體定址達32GB，時脈可至1.2GHz，約2003/2004年推出，此應是Compaq所提出之末代Alpha晶片。(註1)

SGI MIPS R1x000晶片

由史丹佛大學研究出的MIPS晶片架構，堪稱是RISC晶片的經典教材，後來的研究人員走出校園創立MIPS，以販售晶片技術為業，之後被SGI視算科技所併購。

MIPS晶片最初為32bit，當時即被各類電腦與資訊系統所採用，時至今日仍有許多嵌入式系統、IA產品都採用MIPS晶片，目前MIPS的處理核心，與英國ARM安謀的ARM處理核心，並列兩大晶片技術的提供業者。

MIPS晶片的初期演進有R3000、R4000、R4400、R8000等，而64bit架構的MIPS晶片：R10000也於1995年推出，後續演進推出的還有R12000、R14000等，而MIPS的未來展望中也已經將R16000、R18000等納入規劃，不過與其他64bit處理晶片相比，無論架構與時脈技術上，都已經有明顯的落後差距，當今日IBM Power4晶片已達1.3GHz、SUN UltraSPARC-III已達1.05GHz、Alpha 21264C已達1GHz、HP PA-8700達750MHz的同時，MIPS R14000僅有600MHz。

也因為MIPS晶片逐漸失去效能優勢，因此採用MIPS晶片的業者也開始另覓出路，前面已經提過Compaq併購的Tandem，其NonStop Himalaya電腦將由現有R12000、R14000逐漸轉換成Itanium/IA-64晶片，而使用MIPS最多的SGI電腦，目前除以NUMA架構提供多處理器的科學運算系統外，未來也將轉用Itanium/IA-64晶片。

因此就現在來看，MIPS晶片若無革命性的架構突破與改變，未來追上主流64bit晶片的機會並不大，即便是在32bit的嵌入式應用領域中，也受ARM、IBM Power等的強力競爭，所以MIPS雖然是資訊與其歷史教材中的經典，但未來不樂觀的發展卻令人相當惋惜。

最後若就高階的工作站、伺服主機應用來看MIPS晶片，MIPS主要是支援SGI自家的IRIX作業系統（該公司的UNIX），而Linux也同樣在支援之列。

IBM Power晶片

IBM Power晶片是自1990年便開始研究的架構，也是IBM RS/6000工作站(註2)、伺服器的源頭，其最轟動的過去便是1991年Power-2架構提出後，IBM、Motorola、Apple等合組PowerPC聯盟，與當年MIPS的ACE聯盟頗有分庭抗禮之勢。

1992年，IBM/Motorola提出PowerPC-601，後續還有PowerPC-602/603/603e/604/604e等，但這些皆為32bit RISC晶片，其中Apple用PowerPC接替原Motorola的68K CISC晶片（如68030、68040）外，IBM也使用自己設計、生產的Power晶片，作為RS/6000電腦的運算核心，而支援的作業系統方面，Apple主要為Mac OS，IBM則為自家的UNIX作業系統：AIX，雖然PowerPC曾經支援過Windows NT，但後來仍是放棄支援，僅支援Windows NT v3.51，到了Windows NT v4.0即放棄，而近年來盛行的Linux，也有PowerPC版本。

由於Apple的產品持續停留在桌上個人電腦、筆記型電腦、媒體設計工作站等領域，近日才初步跨入伺服器，因此沒有使用較高階的64bit Power晶片，此方面多半為IBM使用，如今不僅是RS/6000，包括IBM大型主機的S/390、專屬系統/迷你電腦的AS/400等都普遍使用Power晶片，64bit版的Power晶片自POWER3開始，之後有POWER3-II、POWER4，目前最高階的即是POWER4，時脈達1.3GHz（Turbo版），也採用SOI、Copper、MCM等先進半導體設計、製造、封裝技術而成，此類技術也是Intel、AMD、Sun、HP等同業競相模仿的地方。

根據瞭解，IBM已經將POWER5、POWER6晶片納入研發進度，研發小組的成員與初步規格都已經確立，其中POWER5將採行與Intel Xeon MP晶片類似的HyperThreatingxxx（超執行緒）技術，並且將具有一種稱為「快速路徑」的加速架構，此外更會將以往eLiza專案研究中的自動偵測錯誤、自動修正錯誤技術納入，以及將作業系統常用的軟體常式服務（如網路傳輸的資料封包編製）以硬體電路方式實現。至於POWER6，更會將高階的企業級軟體功能（如Oracle資料庫、IBM應用伺服器WebSphere等）以硬體電路型式呈現。

HP PA-RISC晶片

HP的PA-RISC晶片架構早在1986年即出現（原IBM 801計畫之研發團隊），初期為32bit RISC架構，後亦演進為64bit架構（1997年的PA-8000型），而PA-RISC的「PA」字樣為「Precision Architecture；精準架構」之意。

PA-RISC晶片主要應用於HP自家的UNIX工作站、UNIX伺服器，所支援的作業系統即是HP自家的UNIX：HP-UX，而64bit的PA-RISC從PA-8000型晶片開始後，一路又有PA-8200、PA-8500、PA-8600以及PA-8700，目前最新的PA-8700自去（2001）年開始全面汰換PA-8600，最高時脈為750MHz。

《圖二　HP PA-8700晶片圖（Sorce：HP網站）》

由於HP與Intel早在1994年便開始合作，希望能開發一顆同時相容HP PA-RISC與Intel x86的新系列統合型晶片，此即是後來2000年推出的Itanium，因此HP對於既有PA-RISC晶片的後續研發投資心力，也有部分受Itanium影響而降低，原本計畫在PA-8500之後將轉移至Itanium，但由於Itanium晶片的進度不斷落後，使得HP不得不持續維護原有的PA-RISC系列，除PA-8500外後續又有PA-8600、PA-8700，也由於Itanium雖已正式發表但接受與成熟度仍不足，因此HP在PA-RISC上的備胎晶片還有兩顆仍在產品展望規劃中，即是PA-8800（研發代號：Mako）以及PA-8900之後將視Itanium家族晶片之進展，再行轉移或保持。

據了解（HP 2001年10月16日的網站文件），PA-8800將會仿效IBM POWER4，採用「雙CPU電路整合於單一裸晶上」的設計方式，將原有PA-8700的CPU兩顆整合為一，並持續保有各768KB程式與768KB資料的L1快取，以及晶片外連接32MB DRAM L2快取，預計使用0.13um、SOI（矽絕緣）、Copper（銅導線）、Low-K（低電介質）等先進半導體技術，電晶體使用數將達3000萬，邏輯閘達250萬，晶片面積23.6x15.5mm，時脈1GHz以上。

《圖三　HP IA-32、IA-64、PA-RISC架構發展藍圖（Sorce：HP網站）》

SUN UltraSPARC晶片

SUN早期在80年代的主業務為工作站之設計、製造、銷售，當時以Motorola的CPU為主，之後才轉入自行研發RISC CPU的路線，並稱為SPARC（Scalable Processor ARChitecture）晶片，其技術設計源自柏克萊（Berkeley）大學的RISC-1、RISC-2晶片架構。

SPARC晶片初期為32bit，第一顆SPARC晶片出現於1987年，之後接替晶片SuperSPARC於1993年發表，但市場反應並不佳，直至Sun於1995、96推出64bit架構的UltraSPARC（也稱為SPARC V9架構），才又漸入佳境，自SPARC、UltraSPARC的成功後，1997年Sun又推出第二代的64bit晶片：UltraSPARC-II以及其衍生晶片：UltraSPARC-IIi、UltraSPARC-IIe，專攻特殊應用領域市場之用，而最新的第三代UltraSPARC-III，以及以銅導線製程製造的UltraSPARC-III Cu，也於去（2001）年正式發表，衍生的UltraSPARC-IIIi也已推出。

UltraSPARC-III初期仍使用傳統的鋁製程，最高時脈為750MHz，為往上突破時脈，採用銅製程，目前達950MHz與1050MHz，預計時脈仍會持續推升，最高可能至1.8GHz，直至UltraSPARC-IV接手為止，而Sun未來的計畫除UltraSPARC-IV外，UltraSPARC-V也在規劃之列。

不過SUN對未來的晶片技術細節透露不多，目前所知，UltraSPARC-IV將採用類似IBM POWER4、HP Mako類似的雙CPU整合製造技術，以及採行與Intel Itanium、Transmeta Crusoe類似的VLIW（Very Large Instruction Words）運算架構，且此架構可相容執行既有已使用十多年的SPARC軟體程式，不需要系統轉移或模擬執行，SPARC晶片主要是執行Sun自家的UNIX作業系統：Solaris，但目前也有SPARC版的Linux可以使用。

Intel IPF/IA-64晶片

Intel一脈相承的CISC/x86晶片32bit架構已逐漸至瓶頸，為跨入64bit架構，特別於1994年與HP技術合作，希望能100％硬體相容執行HP PA-RISC系統與Intel x86/IA-32系統之程式，不過事與願違，Itanium正式發表後，不能100％相容執行PA-RISC的HP-UX 11i v1.5作業系統，是以模擬程式（Emulator）方式模擬執行，效能有相當幅度的折損，而新版針對Itanium所推出的HP-UX 11i v1.6才能真正原生（Native）執行。

至於Itanium相容執行現有x86程式，根據文件說明，是可以100％硬體相容執行，但由於Itanium採行EPIC（其實即是VLIW）運算架構，使其無法以超序（Out-Of-Order）方式執行原有x86/IA-32程式，因此雖可執行但效能低落，程式雖原生執行但與無相容之模擬執行無異。

Itanium依據Intel與HP的合作規劃有3顆M開頭的主軸晶片，即是Merced（Itanium）、McKinley（Itanium 2）、Madison（尚未正式命名）、旁系將有以Madison為基礎的低價晶片（Deerfield），針對工作站或高階桌上電腦而設計，HP已將大部分的PA-RISC晶片設計小組（約90人）轉移給Intel，Compaq也將整個Alpha晶片設計小組（約150人）轉移給Intel，未來Alpha、PA-RISC系統將逐漸轉用Itanium是可想而知的，包括SGI亦是，而Alpha設計小組預計將在Madison之後加入參與新Itanium之研發行列，目前已有兩顆新Itanium家族晶片將是由Alpha小組規劃。

最後Itanium可支援的作業系統相當廣泛，包括Microsoft Windows XP 64bit Edition、Novel Natware新版、HP HP-UX 11i v1.5/1.6、IBM AIX 5L、及Red Hat/SuSE/Caldera/Turbo Linux。

AMD Hammer/Opteron晶片

AMD的64bit晶片傳聞已久，在K7、Athlon發表初期便有風聲，當時的研發代號為K8，後改為Hammer，之後又以等級差異分成低階的ClawHammer與高階的SleidgeHammer，並以ClawHammer先推出，正式名稱為Opteron，預計1GHz以上時脈。

有別於Intel的EPIC/IA-64架構，AMD的64bit架構稱為x86-64，與Intel最大的差異在於強調原有IA-32/x86程式、軟體之效能相容，並以此為基礎往上提供64bit位元運算能力，其晶片運算架構的變革沒有Intel EPIC/IA-64劇烈。

AMD一直以相容Wintel為主路線，因此新的64bit晶片受Microsoft Windows作業系統的支援相當重要，不過初期Microsoft僅願意支援Intel EPIC/IA-64架構，對AMD x86-64架構不感興趣，但在Intel Itanium晶片遲無起色，以及Linux陣營一致支持x86-64的情況下，支持態度也已經軟化，事實上Intel亦有備案，若EPIC/IA-64再無市場起色，將推出與AMD x86-64架構理念相同的YamHill、PreScott晶片，但目前Intel不願多透露此兩款路線修正晶片的相關規格細節。

結論

在傳統32bit、CISC發展已久的業者，如今將運算架構革新與強化，進入64bit的晶片市場，然而原有64bit、RISC晶片/系統業者，如Compaq/DEC的Alpha晶片、SGI的MIPS晶片、HP的PA-RISC晶片以及SUN的SPARC晶片等，都不會坐視Intel、AMD的舉動而不聞不問，對此也紛紛強化現有晶片的製程、時脈，甚至提前公佈晶片產品的發展藍圖（roadmap），由此可知，下半年將會是64bit晶片新市場版圖爭奪的先發戰。

〈註解:註1：Compaq與HP於2001年9月提出合併，並於2002年5月確定正式合併，但本文仍暫以未合併前的方式進行描述、說明。

註2：IBM RS/6000中的「RS」字樣，其意為「RISC System」。〉