《图一 AMD针对高效能桌上型PC所推出的64-bit处理器：Athlon 64 FX，使用DDR PC3200、128-bit宽度的内存总线，传输率达6.4GB/Sec，及具备AMD独创的Cool‘n’Quiet省电技术。》

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64-bit的认定：通用缓存器宽度

PC的位数如何认定？与其他计算机相同，是依据CPU的设计架构，不过是以CPU哪个部位的设计为依据？这在过去与今天都常有纠葛、混淆的情形，然而这多半是受业者推销时的说词所致。

过去有业者为了促销其80386DX计算机，刻意将80386SX计算机说成假的32-bit计算机，理由是80386SX CPU仅有16-bit的数据总线（Data Bus），但事实上无论数据总线还是地址总线（Address Bus），都无法作为运算系统的位架构依据，真正的依据是「通用缓存器的位宽度」，亦即：整数运算时的单笔最高整数数据表示宽度。

举例来说，8086、8088、80286等的通用缓存器宽度都为16-bit，但8086、8088有20-bit的地址线，而80286更有24-bit地址线，但两者都仍为16-bit CPU，同样的Pentium Pro的通用缓存器的宽度为32-bit，但却有36-bit地址线，依然是个32-bit CPU。类似的，Pentium的通用缓存器宽度为32-bit，而其外部数据总线却为64-bit，也还是一颗32-bit CPU。

另外，其他数据型态的缓存器也不能算数，以及指令集长度也不算数，例如x86 CPU的浮点运算缓存器宽度为80-bit，且多媒体运算缓存器更是达128-bit，但却不能因此称为80-bit CPU或128-bit CPU。

《图二 HP于90年代初提出的EPIC架构，于1994年与Intel合作研发，成为今日的IA-64之64-bit架构，2001年有首颗商品化芯片：Itanium，2002年后则统一称为Itanium 2。》

＜@資料來源:数据源：Intel＞

而指令集长度也同样不能为准，x86的CISC指令长短不一，最短1-byte（8-bit），最长15-Byte（120-bit），根本无以为据。又如Transmeta的Crusoe、Effineon CPU皆实行VLIW架构，一次可加载64-bit/128-bit/256-bit宽度的molecule平行指令，并在执行时拆解成多个32-bit宽的Atoms近似RISC指令，而Intel Itanium CPU一次可加载128-bit的平行指令，但其实是含有3个41-bit的执行指令及1个5-bit的执行卷标。事实上Crusoe、Effineon的整数通用缓存器不过32-bit，因此是32-bit CPU，相对的Itanium的通用缓存器为64-bit，所以是64-bit CPU。

会有以指令集长度认定的看法，其实是受过去最初的RISC架构所影响，RISC CPU一起头即采32-bit的通用缓存器宽度，且每个指令都固定为32-bit长度，所以有此错觉的产生，该以缓存器宽度为依据，却改成以指令长度为依据。

为何AMD Athlon 64为64-bit？

至于AMD的Athlon 64是如何认定成64-bit的？答案也是通用缓存器宽度，而非其他认定法。然Athlon 64真的是第一个64-bit PC的心脏吗？其实这样的宣示意义已经不大。

首先，1996年起，用Wintel架构所构成的Windows工作站开始盛行，使高阶桌上型个人计算机与工作站间的分界日益模糊，至今大概只剩绘图卡的组件差异，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系统所用的Windows XP 64-bit Edition，这都比2003年9月的Athlon 64更早出现。

甚至更往前推，1992年DEC就推出64-bit的Alpha CPU（21064-200MHz），Microsoft的Windows NT早于1993年即在64-bit Alpha计算机上执行，如此64-bit桌面运算早已存在。

其次，2003年4月AMD就发表了Opteron CPU，与Athlon 64同为AMD64架构（更早之前称为x86-64架构），只是Opteron诉求在服务器与工作站之用，而非个人计算机，然还是就笔者所言：工作站不过是高阶的桌上运算系统，与高阶的桌上计算机无太大差异。

最后，2003年6月Apple发表PowerMac G5个人计算机，使用IBM PowerPC G5 CPU（即PowerPC 970），也标榜是64-bit，比AMD Athlon 64早三个月发表。确实，Mac也属个人计算机，只是全球占有率最高只到12％，如今更是到最低的跌破3％，不被认为是主流。

而9月AMD推出Athlon 64，完全针对个人计算机，而非工作站或其他运算系统，所以才有64-bit PC之称。接着Intel也于今（2004）年中推出具有EM64T（Extended Memory 64 Technology）的Xeon与Pentium 4 CPU。Intel CPU在个人计算机领域的市占高达81％，AMD则为18％，其余1％由Transmeta、VIA等其他所共享，至此PC算真正进入64-bit的发展。

《图三 IBM于2002年发表64-bit的PowerPC970（亦称PowerPC G5），并于2003年用于Apple的PowerMac G5个人计算机上，之后于2004年改以更先进制程制造，改称PowerPC 970FX。》

数据源:数据源：IBM

64-bit优势：数据更宽？寻址更大？执行防护？

在此暂不谈论大幅变革的Intel Itanium（IA-64）架构，以AMD的AMD64架构，或Intel的EM64T来说，主要只在于通用缓存器的拓宽，从32-bit提升成64-bit，以及与内存寻址相关的缓存器也跟随提升，如此在整数运算及内存存取上，具有64-bit的能力，但除此之外，其余仍大致与过去的IA-32（即x86）架构相同。

这样的拓宽想法，是AMD在1999年发表完Athlon后开始的，经过4年研发于2003年发表，但大体架构仍承袭Athlon，仅有15％左右的新改变。AMD64架构可以兼容执行现有的32-bit的操作系统、应用程序，但由于其内存寻址方式随新架构而有所改变，以致BIOS及驱动程序必须对应改变，原有的32-bit BIOS、驱动程序无法直接沿用。

既有软件的兼容性是AMD64架构的最大好处，AMD现有Opteron、Athlon 64 FX、Athlon 64、Mobile Athlon 64等都使用此架构。而Intel的相仿架构：EM64T则有Xeon及Pentium 4。比较需要的提醒的是：AMD之后推出低价诉求的Sempron，并非全然使用AMD64架构，其桌上型Sempron强化自原有的Athlon XP（IA-32架构），而笔记型Sempron虽然使用AMD64架构，但寻址方面仍维持过往的IA-32设计。

兼容是对过往的好处，然AMD64对未来的好处，仍是要改写程序才能将其发挥。虽然AMD标榜AMD64架构能加速过往程序的执行，但这其实与运算架构无关，纯粹是与半导体制程提升、频率加速、快取扩充等芯片制造技术有关连。而改写后的好处是整数数据的宽度提升为64-bit，及寻址空间的加大，AMD方便标榜可突破IA-32架构的4GB。

不过，这些益处其实诱因有限，对整数运算而言，现有32-bit已相当足够，而4GB限制的问题，其实已有36-bit的PAE（Page Address Extension）寻址模式可以暂代，只是地址转换多了道程序，且现有PC的内存都在128MB～1GB间，尚未有突破4GB的需要，即便是工作站，也只有部分高阶机种需要突破4GB，达8GB～16GB之需。

另外有一项好处是与数据运算宽度、程序寻址范畴无关的，是信息安全防护的益处，由于64-bit架构在寻址设计上有较多宽裕的状态表示字段，而现在许多资安漏洞多是来自内存中的堆栈缓冲区，远程黑客（Hacker）、蠕虫（WORM）、特洛伊木马程序（Troj）会密集塞数据给计算机，使其破坏原有堆栈架构，并以此取得计算机的执行权，此称为缓冲区溢出攻击（Buffer Overflow），而Microsoft于Windows XP的Service Pack 2上加入DEP（Data Execution Prevention）功能，防止数据区被当成程序来执行，这就必须倚赖AMD64的寻址能力来达成，而Linux也同样可用AMD64来发挥此一能力，AMD方面将此能力称为NX（No Execute）。

但是，DEP/NX并非AMD64架构的专利，现有Itanium的IA-64架构也可实现，此外新款的32-bit CPU也在追加修改后也能支持，例如Transmeta即是修改CMS软件，完全不修改CPU电路，一样可以使用DEP防护功能，同样的VIA的新款C7处理器也会支持DEP/NX。

此外，并非一定要新的硬件芯片才能防堵缓冲区溢出攻击，现有Windows XP Server Pack 2也可用纯软件方式实现DEP，只是防护层面仅在系统区，无法顾及程序区，而若有新硬件芯片支持则可顾及更多，现在有些防病毒软件也强调可防御溢位攻击。

《图四 IBM的POWER架构处理器发展沿革图，PowerPC G5即是PowerPC 970（2002年）与PowerPC970FX（2004年），不仅用于Apple的计算机，也用于IBM的刀锋服务器（Blade Server）中。》

＜@資料來源:数据源：IBM＞

从64-bit CPU到64-bit应用程序

很明显的，现在的情形其实与286、386时代相近，过去使用286的强化型16-bit PC，或者是32-bit的386 PC，但所执行的DOS操作系统、DOS应用程序，依然是只支持8088的16-bit架构，只是纯加快，并未发挥硬件芯片的新架构优势，之后才渐进发挥，先用Windows 3.0取得内存的延伸使用，之后Windows 95才更澈底运用。

从1986年有80386 PC，1990年有Windows 3.0，已是历经4年，至Windows 95则是历经9年，才让16-bit拉拔至32-bit，而今AMD64一样要有一段过渡期，然AMD于2003年发表AMD64芯片，Microsoft将于2005年发表Windows XP for x64操作系统，即同时适用于AMD64与EM64T，已比过去快上许多，甚至Linux现在就有支持，只是Linux并非PC的主流操作系统，而是在x86 Server领域快速兴起的操作系统。

更具体地说，先是CPU，之后芯片组，然后主板、BIOS、驱动程序，最后操作系统也支持，往后才有可能有64-bit的应用程序出现，然而现阶段也很难推想有什么PC端的应用程序需要用上64-bit，大体依然是3D电玩，或家庭娱乐视讯的转换、编辑等。

64-bit的外围配套设计

只有CPU是64-bit也是不够，如同车内引擎转速提升，但传动轴、轮胎也必须配合才能发挥效力，所幸高速总线的及时出现，使64-bit PC能有较通畅的运算发挥，如AMD的HyperTransport，或PCI-Express（简称PCI-E）等，都是新一代高速的I/O接口。若持续使用过往的PCI接口，即便是服务器级所用的PCI-X，都仅有1～4GB/Sec的传输率，而AGP8X后也遭遇提升瓶颈，这些都因PCI-Express的出现而解决。

HyperTransport依据频率速度而有不同传输率，16-bit的HyperTransport以800MHz传输可达3.2GB/Sec，而1GHz可达4GB/Sec，现在最高达6.4GB/Sec。同样的PCI-E现有1X至16X，1X为500MB/Sec，16X达8GB/Sec。HyperTransport仅用于同一电路板上的芯片间沟通（如CPU与CPU，或CPU与芯片组），而PCI-E则是在此之外也可形成I/O插槽，支持各类适配卡的插置，不过2004年11月9日，新的HyperTransport Expansion Specification（简称：HTX）延伸规格正式提出，也开始有插槽式的设计。

另外，CPU与内存间也必须更紧密加速，为此AMD直接在AMD64架构的CPU上整合了内存控制器（Memory Controller），加速CPU与Memory间的速度响应，同时尽可能拓宽CPU与Memory间的并行传输宽度，一般的Athlon 64、Mobile Athlon 64仅有64-bit的内存总线（即是：数据总线，Data Bus），然而更高强的Athlon 64 FX就有128-bit的Data Bus，更能发挥64-bit CPU的效能。

《图五 Apple PowerPC G5机内的PowerPC G5（PowerPC 970FX）在1.8GHz、2.0GHz频率时尚使用气冷，只是导流空间与进气量有较严谨的设计与要求，然2.5GHz则非用上水冷系统不可。》

＜@資料來源:数据源：Apple＞

64-bit非动用到液态冷却（水冷）？

或许，就是因为AMD总是在频率竞速上不易超越，所以往更宽的64-bit先行，而Intel也已经许久无法再提升频率，长时间停在3.6GHz，AMD也大致在2.4GHz，加上AMD的进逼，所以推出EM64T。

然而CPU持续的耗电与高热一直没有适当的解决，通常以更多的外部散热机制来因应，过去90年代的Alpha计算机即用过水冷，如今Apple的PowerMac G5个人计算机，以往在1.8GHz、2.0GHz都只是预留较大的空间给予散热，而2.5GHz版竟然也用上水冷系统。

类似的，NEC于10月18日发表的PC服务器（Express5800/110Ca），同月27日发表的Pentium 4 PC（VALUESTAR G Type TX），也都开始用上水冷系统，为320cc的丙二醇做为冷媒。这不禁令人怀疑：更高效能的副作用，就是更吵的风扇、更高的散热与用电成本？

结语──2005年，双核版的64-bit系统

既然在时间（频率）上无法提升，就往空间（宽度）延展，从32-bit CPU变成64-bit CPU，内存宽度自64-bit变成128-bit。更进一步的，AMD与Intel都预告2005年将推出双核版本的64-bit CPU，且多半暗示双核CPU的接脚、用电、体积、散热，与现有单核一致，不会超越，这表示既有系统只要换装新的双核CPU，即可再次获得效能拉升。而这也等于再次验证了笔者所言的「频率至极，改拓宽度」推断。

延 伸 阅 读	还记得 Intel 从 2003 年开始主导的「 Big Water 计划」吗？这就是 BTX 平台的前身， BTX 平台预计将取代目前主流的 ATX 规格，成为未来计算机平台的标准规格。相关介绍请见「64位运算普及化之路」一文。 Windows XP 64 位版本提供可延展的高效能平台，可执行以 Win64TM API 为基础的新一代应用程序。与 32 位系统相较之下，其架构在处理极大量之数据时有更高的处理效率，最多可支持 8 TB 的虚拟内存。你可在「Windows XP 64 位版本技术概观」一文中得到进一步的介绍。 CPU 的速度是一年比一年快，如今却在 20GHz 处「摔了个觔斗」。即使 Intel 完成了超高速的新款 CPU ，是否就能赢得市场呢？在「CPU的下一步」一文为你做了相关的评析。