《圖一　AMD針對高效能桌上型PC所推出的64-bit處理器：Athlon 64 FX，使用DDR PC3200、128-bit寬度的記憶體匯流排，傳輸率達6.4GB/Sec，及具備AMD獨創的Cool‘n’Quiet省電技術。》

＜@資料來源:資料來源：AMD＞

64-bit的認定：通用暫存器寬度

PC的位元數如何認定？與其他電腦相同，是依據CPU的設計架構，不過是以CPU哪個部位的設計為依據？這在過去與今天都常有糾葛、混淆的情形，然而這多半是受業者推銷時的說詞所致。

過去有業者為了促銷其80386DX電腦，刻意將80386SX電腦說成假的32-bit電腦，理由是80386SX CPU僅有16-bit的資料匯流排（Data Bus），但事實上無論資料匯流排還是位址匯流排（Address Bus），都無法作為運算系統的位元架構依據，真正的依據是「通用暫存器的位元寬度」，亦即：整數運算時的單筆最高整數資料表示寬度。

舉例來說，8086、8088、80286等的通用暫存器寬度都為16-bit，但8086、8088有20-bit的位址線，而80286更有24-bit位址線，但兩者都仍為16-bit CPU，同樣的Pentium Pro的通用暫存器的寬度為32-bit，但卻有36-bit位址線，依然是個32-bit CPU。類似的，Pentium的通用暫存器寬度為32-bit，而其外部資料匯流排卻為64-bit，也還是一顆32-bit CPU。

另外，其他資料型態的暫存器也不能算數，以及指令集長度也不算數，例如x86 CPU的浮點運算暫存器寬度為80-bit，且多媒體運算暫存器更是達128-bit，但卻不能因此稱為80-bit CPU或128-bit CPU。

《圖二　HP於90年代初提出的EPIC架構，於1994年與Intel合作研發，成為今日的IA-64之64-bit架構，2001年有首顆商品化晶片：Itanium，2002年後則統一稱為Itanium 2。》

＜@資料來源:資料來源：Intel＞

而指令集長度也同樣不能為準，x86的CISC指令長短不一，最短1-byte（8-bit），最長15-Byte（120-bit），根本無以為據。又如Transmeta的Crusoe、Effineon CPU皆採行VLIW架構，一次可載入64-bit/128-bit/256-bit寬度的molecule平行指令，並在執行時拆解成多個32-bit寬的Atoms近似RISC指令，而Intel Itanium CPU一次可載入128-bit的平行指令，但其實是含有3個41-bit的執行指令及1個5-bit的執行標籤。事實上Crusoe、Effineon的整數通用暫存器不過32-bit，因此是32-bit CPU，相對的Itanium的通用暫存器為64-bit，所以是64-bit CPU。

會有以指令集長度認定的看法，其實是受過去最初的RISC架構所影響，RISC CPU一起頭即採32-bit的通用暫存器寬度，且每個指令都固定為32-bit長度，所以有此錯覺的產生，該以暫存器寬度為依據，卻改成以指令長度為依據。

為何AMD Athlon 64為64-bit？

至於AMD的Athlon 64是如何認定成64-bit的？答案也是通用暫存器寬度，而非其他認定法。然Athlon 64真的是第一個64-bit PC的心臟嗎？其實這樣的宣示意義已經不大。

首先，1996年起，用Wintel架構所構成的Windows工作站開始盛行，使高階桌上型個人電腦與工作站間的分界日益模糊，至今大概只剩繪圖卡的組件差異，而2001年5月HP推出使用Intel Itanium CPU的工作站，同年10月Microsoft也推出供Itanium系統所用的Windows XP 64-bit Edition，這都比2003年9月的Athlon 64更早出現。

甚至更往前推，1992年DEC就推出64-bit的Alpha CPU（21064-200MHz），Microsoft的Windows NT早於1993年即在64-bit Alpha電腦上執行，如此64-bit桌面運算早已存在。

其次，2003年4月AMD就發表了Opteron CPU，與Athlon 64同為AMD64架構（更早之前稱為x86-64架構），只是Opteron訴求在伺服器與工作站之用，而非個人電腦，然還是就筆者所言：工作站不過是高階的桌上運算系統，與高階的桌上電腦無太大差異。

最後，2003年6月Apple發表PowerMac G5個人電腦，使用IBM PowerPC G5 CPU（即PowerPC 970），也標榜是64-bit，比AMD Athlon 64早三個月發表。確實，Mac也屬個人電腦，只是全球佔有率最高只到12％，如今更是到最低的跌破3％，不被認為是主流。

而9月AMD推出Athlon 64，完全針對個人電腦，而非工作站或其他運算系統，所以才有64-bit PC之稱。接著Intel也於今（2004）年中推出具有EM64T（Extended Memory 64 Technology）的Xeon與Pentium 4 CPU。Intel CPU在個人電腦領域的市佔高達81％，AMD則為18％，其餘1％由Transmeta、VIA等其他所共享，至此PC算真正進入64-bit的發展。

《圖三　IBM於2002年發表64-bit的PowerPC970（亦稱PowerPC G5），並於2003年用於Apple的PowerMac G5個人電腦上，之後於2004年改以更先進製程製造，改稱PowerPC 970FX。》

資料來源:資料來源：IBM

64-bit優勢：資料更寬？定址更大？執行防護？

在此暫不談論大幅變革的Intel Itanium（IA-64）架構，以AMD的AMD64架構，或Intel的EM64T來說，主要只在於通用暫存器的拓寬，從32-bit提升成64-bit，以及與記憶體定址相關的暫存器也跟隨提升，如此在整數運算及記憶體存取上，具有64-bit的能力，但除此之外，其餘仍大致與過去的IA-32（即x86）架構相同。

這樣的拓寬想法，是AMD在1999年發表完Athlon後開始的，經過4年研發於2003年發表，但大體架構仍承襲Athlon，僅有15％左右的新改變。AMD64架構可以相容執行現有的32-bit的作業系統、應用程式，但由於其記憶體定址方式隨新架構而有所改變，以致BIOS及驅動程式必須對應改變，原有的32-bit BIOS、驅動程式無法直接沿用。

既有軟體的相容性是AMD64架構的最大好處，AMD現有Opteron、Athlon 64 FX、Athlon 64、Mobile Athlon 64等都使用此架構。而Intel的相仿架構：EM64T則有Xeon及Pentium 4。比較需要的提醒的是：AMD之後推出低價訴求的Sempron，並非全然使用AMD64架構，其桌上型Sempron強化自原有的Athlon XP（IA-32架構），而筆記型Sempron雖然使用AMD64架構，但定址方面仍維持過往的IA-32設計。

相容是對過往的好處，然AMD64對未來的好處，仍是要改寫程式才能將其發揮。雖然AMD標榜AMD64架構能加速過往程式的執行，但這其實與運算架構無關，純粹是與半導體製程提升、時脈加速、快取擴充等晶片製造技術有關連。而改寫後的好處是整數資料的寬度提升為64-bit，及定址空間的加大，AMD方便標榜可突破IA-32架構的4GB。

不過，這些益處其實誘因有限，對整數運算而言，現有32-bit已相當足夠，而4GB限制的問題，其實已有36-bit的PAE（Page Address Extension）定址模式可以暫代，只是位址轉換多了道程序，且現有PC的記憶體都在128MB～1GB間，尚未有突破4GB的需要，即便是工作站，也只有部分高階機種需要突破4GB，達8GB～16GB之需。

另外有一項好處是與資料運算寬度、程式定址範疇無關的，是資訊安全防護的益處，由於64-bit架構在定址設計上有較多寬裕的狀態表示欄位，而現在許多資安漏洞多是來自記憶體中的堆疊緩衝區，遠端駭客（Hacker）、蠕蟲（WORM）、特洛伊木馬程式（Troj）會密集塞資料給電腦，使其破壞原有堆疊架構，並以此取得電腦的執行權，此稱為緩衝區溢位攻擊（Buffer Overflow），而Microsoft於Windows XP的Service Pack 2上加入DEP（Data Execution Prevention）功能，防止資料區被當成程式來執行，這就必須倚賴AMD64的定址能力來達成，而Linux也同樣可用AMD64來發揮此一能力，AMD方面將此能力稱為NX（No Execute）。

但是，DEP/NX並非AMD64架構的專利，現有Itanium的IA-64架構也可實現，此外新款的32-bit CPU也在追加修改後也能支援，例如Transmeta即是修改CMS軟體，完全不修改CPU電路，一樣可以使用DEP防護功能，同樣的VIA的新款C7處理器也會支援DEP/NX。

此外，並非一定要新的硬體晶片才能防堵緩衝區溢位攻擊，現有Windows XP Server Pack 2也可用純軟體方式實現DEP，只是防護層面僅在系統區，無法顧及程式區，而若有新硬體晶片支援則可顧及更多，現在有些防毒軟體也強調可防禦溢位攻擊。

《圖四　IBM的POWER架構處理器發展沿革圖，PowerPC G5即是PowerPC 970（2002年）與PowerPC970FX（2004年），不僅用於Apple的電腦，也用於IBM的刀鋒伺服器（Blade Server）中。》

＜@資料來源:資料來源：IBM＞

從64-bit CPU到64-bit應用程式

很明顯的，現在的情形其實與286、386時代相近，過去使用286的強化型16-bit PC，或者是32-bit的386 PC，但所執行的DOS作業系統、DOS應用程式，依然是只支援8088的16-bit架構，只是純加快，並未發揮硬體晶片的新架構優勢，之後才漸進發揮，先用Windows 3.0取得記憶體的延伸使用，之後Windows 95才更澈底運用。

從1986年有80386 PC，1990年有Windows 3.0，已是歷經4年，至Windows 95則是歷經9年，才讓16-bit拉拔至32-bit，而今AMD64一樣要有一段過渡期，然AMD於2003年發表AMD64晶片，Microsoft將於2005年發表Windows XP for x64作業系統，即同時適用於AMD64與EM64T，已比過去快上許多，甚至Linux現在就有支援，只是Linux並非PC的主流作業系統，而是在x86 Server領域快速興起的作業系統。

更具體地說，先是CPU，之後晶片組，然後主機板、BIOS、驅動程式，最後作業系統也支援，往後才有可能有64-bit的應用程式出現，然而現階段也很難推想有什麼PC端的應用程式需要用上64-bit，大體依然是3D電玩，或家庭娛樂視訊的轉換、編輯等。

64-bit的週邊配套設計

只有CPU是64-bit也是不夠，如同車內引擎轉速提升，但傳動軸、輪胎也必須配合才能發揮效力，所幸高速匯流排的及時出現，使64-bit PC能有較通暢的運算發揮，如AMD的HyperTransport，或PCI-Express（簡稱PCI-E）等，都是新一代高速的I/O介面。若持續使用過往的PCI介面，即便是伺服器級所用的PCI-X，都僅有1～4GB/Sec的傳輸率，而AGP8X後也遭遇提升瓶頸，這些都因PCI-Express的出現而解決。

HyperTransport依據時脈速度而有不同傳輸率，16-bit的HyperTransport以800MHz傳輸可達3.2GB/Sec，而1GHz可達4GB/Sec，現在最高達6.4GB/Sec。同樣的PCI-E現有1X至16X，1X為500MB/Sec，16X達8GB/Sec。HyperTransport僅用於同一電路板上的晶片間溝通（如CPU與CPU，或CPU與晶片組），而PCI-E則是在此之外也可形成I/O插槽，支援各類介面卡的插置，不過2004年11月9日，新的HyperTransport Expansion Specification（簡稱：HTX）延伸規格正式提出，也開始有插槽式的設計。

另外，CPU與記憶體間也必須更緊密加速，為此AMD直接在AMD64架構的CPU上整合了記憶體控制器（Memory Controller），加速CPU與Memory間的速度回應，同時盡可能拓寬CPU與Memory間的平行傳輸寬度，一般的Athlon 64、Mobile Athlon 64僅有64-bit的記憶體匯流排（即是：資料匯流排，Data Bus），然而更高強的Athlon 64 FX就有128-bit的Data Bus，更能發揮64-bit CPU的效能。

《圖五　Apple PowerPC G5機內的PowerPC G5（PowerPC 970FX）在1.8GHz、2.0GHz時脈時尚使用氣冷，只是導流空間與進氣量有較嚴謹的設計與要求，然2.5GHz則非用上水冷系統不可。》

＜@資料來源:資料來源：Apple＞

64-bit非動用到液態冷卻（水冷）？

或許，就是因為AMD總是在時脈競速上不易超越，所以往更寬的64-bit先行，而Intel也已經許久無法再提升時脈，長時間停在3.6GHz，AMD也大致在2.4GHz，加上AMD的進逼，所以推出EM64T。

然而CPU持續的耗電與高熱一直沒有適當的解決，通常以更多的外部散熱機制來因應，過去90年代的Alpha電腦即用過水冷，如今Apple的PowerMac G5個人電腦，以往在1.8GHz、2.0GHz都只是預留較大的空間給予散熱，而2.5GHz版竟然也用上水冷系統。

類似的，NEC於10月18日發表的PC伺服器（Express5800/110Ca），同月27日發表的Pentium 4 PC（VALUESTAR G Type TX），也都開始用上水冷系統，為320cc的丙二醇做為冷媒。這不禁令人懷疑：更高效能的副作用，就是更吵的風扇、更高的散熱與用電成本？

結語──2005年，雙核版的64-bit系統

既然在時間（時脈）上無法提升，就往空間（寬度）延展，從32-bit CPU變成64-bit CPU，記憶體寬度自64-bit變成128-bit。更進一步的，AMD與Intel都預告2005年將推出雙核版本的64-bit CPU，且多半暗示雙核CPU的接腳、用電、體積、散熱，與現有單核一致，不會超越，這表示既有系統只要換裝新的雙核CPU，即可再次獲得效能拉升。而這也等於再次驗證了筆者所言的「時脈至極，改拓寬度」推斷。

延 伸 閱 讀	還記得 Intel 從 2003 年開始主導的「 Big Water 計畫」嗎？這就是 BTX 平台的前身， BTX 平台預計將取代目前主流的 ATX 規格，成為未來電腦平台的標準規格。相關介紹請見「64位元運算普及化之路」一文。 Windows XP 64 位元版本提供可延展的高效能平台，可執行以 Win64TM API 為基礎的新一代應用程式。與 32 位元系統相較之下，其架構在處理極大量之資料時有更高的處理效率，最多可支援 8 TB 的虛擬記憶體。你可在「Windows XP 64 位元版本技術概觀」一文中得到進一步的介紹。 CPU 的速度是一年比一年快，如今卻在 20GHz 處「摔了個觔斗」。即使 Intel 完成了超高速的新款 CPU ，是否就能贏得市場呢？ 在「CPU的下一步」一文為你做了相關的評析。