64位處理器是指處理器內(nèi)部的通用寄存器的寬度為64比特，支持整數(shù)為64比特寬度的算術(shù)與邏輯運算。歷史上出現(xiàn)了4位、8位、12位、16位、32位、以及128位(比如1976年亮相的Comparator)等類型的處理器。

現(xiàn)在我們通常說的64位處理器，常常被用來描述CPU與外部進行通信的數(shù)據(jù)總線和地址總線為64比特位寬。相比目前廣泛使用的32位處理器，64位處理器占用相同的數(shù)據(jù)會消秏更多的存儲器空間(更龐大的指針)，從而增加進程對存儲器的需求，且可能會影響高性能處理器高速緩存的使用。

然而，由于64位處理器采用的是64比特的位寬，一次可提取64位數(shù)據(jù)，比32位提高了一倍，擁有更大的尋址能力，性能自然也會提升1倍，而且它還支持更大的內(nèi)存管理。

當然，這種性能提升和實際應用，是需要借助相應的操作系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)來支撐的，也即是俗稱的64位操作系統(tǒng)。另外，還需要有專門的硬件驅(qū)動程序(不同架構(gòu)需要有不同的驅(qū)動)，而常見的32位驅(qū)動并不能在64位架構(gòu)平臺上進行兼容。

在大家對64位處理器有了初步了解之后，下面，我們來回顧歷史上最為經(jīng)典的64位處理器。

1961年，IBM推出了IBM 7030 Stretch超級計算機，這款超級計算機所搭載的技術(shù)仍然被沿用至今，也是1961年至1964年間，全世界運行速度最快的計算機。

這款超級計算機應用領(lǐng)域包括核彈開發(fā)、氣象、國家安全和阿波羅登月計劃的開展。它擔負如此重任，當然與其超過的計算性能息息相關(guān)。而在當時堪稱世界上最快運行速度的這款超級計算機，其實主要得益于采用了大量內(nèi)存(256000個64位字節(jié))和64位處理器模組。

IBM 7030 Stretch超級計算機

在當時，它可以執(zhí)行650000的浮點和1秒內(nèi)完成35萬次乘法運算。多達6個指令可被用在索引單元，5個指令專門用在并行運算單元。因此，在某些情況下可提供最多11條指令來執(zhí)行運算。

IBM 7030 Stretch數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

IBM 7030 Stretch超級計算機采用的是7101型CPU，它包含有大約169000個晶體管。整個IBM 7030數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的尺寸為67.5英寸*64.25英寸*29.5英寸(相當于1.7145m*1.63195m*0.7493m)。該系統(tǒng)包含了 7101型CPU、7803功耗分布單元、7302 Core Storage、7619交換通道(提供8個I/O通道)、7620通道擴展、353磁盤存儲單元、磁盤控制器、磁帶控制器、打印機控制器、以及卡片穿孔機、控制臺等模塊組成，功耗為21.6KW。

IBM 7030 Stretch數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)一角

為了讓如此龐大的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮它的動能，該超級計算機配備有Master Control Program(MCP)主控程序，STRAP II assembler(STRetch Assembly Program)延伸匯編程序、FORTRAN IV編譯器和Autocoder 2。

剛才介紹的是首開64位計算先河的超級計算機，其搭載的并不是真正意義上的64位處理器。全球首個商用的64位處理器應該屬MIPS公司于1991年推出的R4000。

R4000并不是無中生有而被創(chuàng)建出來，而是MIPS早期32位R2000、R3000和R6000的擴展——它們都在處理器發(fā)展史上獲得突破，但最大不同的地方是，R4000增加了內(nèi)外部的數(shù)據(jù)通道帶寬，也就是將尋址、寄存器和ALU算術(shù)邏輯單元增加到了64位。

NEC D30400RJ-40(40MHz，左)和東芝TC85R4000SC-50(50MHz)

雖然這種擴展帶來的處理器面積的增加，但其擁有更加顯著的優(yōu)勢。首先，它支持更大的尋址空間，允許操作系統(tǒng)對TB級以上的文件直接進行存入到內(nèi)存中進行訪問。相比之下， 32位尋址空間只能支持不超過4GB的容量。

另外，64位數(shù)據(jù)通道能夠在單個字節(jié)組中支持8位長的單精度IEEE浮點數(shù)值和字符串。在更為重要的數(shù)字加密特定的算法中，更大的數(shù)據(jù)通道自然會有更好的性能表現(xiàn)。

R4000擁有六種不同的指令——兩種非條件轉(zhuǎn)移和4中條件轉(zhuǎn)移——它們又可被稱為subroutines子程序。一旦啟動執(zhí)行，這些指令就會返回一個鏈接或者返回地址。

東芝生產(chǎn)的TC86R4400MC-200 9636YJA(R4400)

另外，MIPS在推出R4000的時候，還兼顧到了之前的32位MIPS架構(gòu)直接的代碼兼容性。在1992年，MIPS在R4000的基礎(chǔ)上推出了 R4400處理器，它擁有更高的主頻(100MHz、133MHz、150MHz、200MHz和250MHz)，而且緩存也從R4000的8KB提升到 16KB，包括230萬個晶體管。

上世紀九十年代后，64位處理器發(fā)展如火如荼，各大芯片廠商都陸續(xù)推出了各自的看家本領(lǐng)，或直接推出64位處理器，或者宣布64位處理器架構(gòu)加快市場布局。

在MIPS科技公司推出首個純正版64位處理器之后，DEC、英特爾、Sun、惠普、IBM相繼推出了相應的產(chǎn)品和架構(gòu)方案。DEC公司在1992年，引入純64位 Alpha 架構(gòu)，并于次年發(fā)布64位OSF/1 AXP 類Unix 操作系統(tǒng)(后來改名為 Tru64 UNIX)和 OpenVMS操作系統(tǒng)給Alpha系統(tǒng)。

1994年，半導體巨頭英特爾宣布了64位IA-64 架構(gòu)的進度表(與HP共同開發(fā))作為其32位IA-32處理器的繼承者，路線圖定位在1998-1999期間。

IA-32向IA-64架構(gòu)演進

1995年，Sun推出64位SPARC處理器UltraSPARC。UltraSPARC是一款superscalar超標量體系架構(gòu)的微處理器，以順序形式執(zhí)行指令。

主頻為200MH的UltraSPARC處理器

該處理器擁有主次兩級緩存，主緩存有兩個，分別對應指令和數(shù)據(jù)，總共容量為16KB。UltraSPARC需要有外部的次級緩存(L2)，容量為 512KB至4MB，而且是直接影射(direct-mapped)緩存。外部緩存與同步SRAM(SSRAM)會以處理器的頻率進行同步。

1997年，IBM推出了RS64全64位PowerPC處理器，并于次年發(fā)布了POWER3全64位PowerPC/POWER處理器。

PowerPC的歷史可以追溯到早在1990年隨RISC System/6000一起被介紹的IBM POWER架構(gòu)。該設計是從早期的RISC架構(gòu)(比如IBM 801)與MIPS架構(gòu)的處理器得到靈感的。

1990年，IBM、Apple和Motorola開發(fā)PowerPC芯片成功，并制造出基于PowerPC的多處理器計算機。PowerPC架構(gòu)的特點是可伸縮性好、方便靈活。第一代PowerPC采用0.6微米的生產(chǎn)工藝，晶體管的集成度達到單芯片300萬個。

IBM PowerPC 601處理器

2000年，IBM開始大批推出采用銅芯片的產(chǎn)品，如RS/6000的X80系列產(chǎn)品。銅技術(shù)取代了已經(jīng)沿用了30年的鋁技術(shù)，使硅芯片多CPU的生產(chǎn)工藝達到了0.20微米的水平，單芯片集成2億個晶體管，大大提高了運算性能;而1.8V的低電壓操作(原為2.5V)大大降低了芯片的功耗，容易散熱，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

IBM PowerPC 604e(主頻200MHz)

PowerPC 處理器有廣泛的實現(xiàn)范圍，包括從諸如 Power4 那樣的高端服務器CPU 到嵌入式 CPU 市場(PowerPC 任天堂Gamecube使用了PowerPC)。PowerPC 處理器有非常強的嵌入式表現(xiàn)，因為它具有優(yōu)異的性能、較低的能量損耗以及較低的散熱量。除了象串行和以太網(wǎng)控制器那樣的集成 I/O，該嵌入式處理器與臺式機CPU 存在非常顯著的區(qū)別。PowerPC處理模型要從內(nèi)存檢索數(shù)據(jù)、在寄存器中對其進行操作，然后將其存儲到內(nèi)存中。

早在1994年，英特爾宣布推出64位IA-64架構(gòu)的進度表(與惠普共同開發(fā))作為其32位IA-32處理器的繼承者。并在2001年，正式推出了英特爾自己的64位處理器產(chǎn)品Itanium(安騰)。

Itanium處理器代號為 Merced，是英特爾第一款專門應用在高端企業(yè)級64位技術(shù)環(huán)境中的產(chǎn)品(Intel Architecture 64，簡稱IA-64架構(gòu))。這是為頂級、企業(yè)級服務器及工作站設計的，在Itanium處理器中體現(xiàn)了一種全新的設計思想，完全是基于平行并發(fā)計算而設計(EPIC) 。對于最苛求性能的企業(yè)或者需要高性能運算功能支持的應用(包括電子交易安全處理、超大型數(shù)據(jù)庫、電腦輔助機械引擎、尖端科學運算等)而言，Itanium處理器正是大展身手的好舞臺。

Intel Itanium內(nèi)核

Intel Itanium

2002年，英特爾對Itanium進行了更新，推出Itanium 2。得益于其平行處理架構(gòu)(Parallel Computing Microarchitecture)，在同樣工作頻率下其效能約為CISC與RISC的八倍。

Itanium 2

Itanium 2處理器專為要求苛刻的企業(yè)和技術(shù)應用而設計?；贗tanium 2處理器的平臺以較低的成本，提供了業(yè)界領(lǐng)先的性能 ，以及比專有RISC技術(shù)更廣泛的選擇空間，可幫助企業(yè)和機構(gòu)最大地提高其投資回報。Itanium 2處理器得到了廣泛生態(tài)系統(tǒng)的 支持，包括由40多家領(lǐng)先硬件廠商的具有出色可擴充的開放標準64位解決方案，諸如Windows Server 2003、HP-UX和Linux等的 超過5款操作系統(tǒng)，以及數(shù)百種應用和工具。

Poulson內(nèi)核

近日，英特爾與惠普宣布推出新一代的安騰9500，該芯片的研發(fā)代號為“Poulson”。Itanium 9500的片上內(nèi)存容量為54MB，包含8 個內(nèi)核、31億個晶體管;在4插座配置下，可以支持最高2TB的低電壓內(nèi)存條。

2003年，AMD推出Opteron皓龍?zhí)幚砥?。Opteron處理器主要用于多路服務器的領(lǐng)域上。較早期的 Opteron 處理器采用了K8微處理器架構(gòu)，及至2007年后期逐步過渡至K10微處理器架構(gòu)。

AMD在64位處理器領(lǐng)域，其實有賴于AMD64位架構(gòu)的出爐。Opteron和Athlon 64也都屬于其64位處理器，后者更傾向于消費級市場。

Opteron六核心處理器透視圖

首批Opteron的產(chǎn)品型號使用了三位數(shù)字，第一位代表服務器與工作站的路(1路, 2路, 4路和8路)，第二和第三位代表處理器的時鐘頻率速度。其后推出的Socket F及AM2腳位的 產(chǎn)品改用四位數(shù)字，開頭數(shù)字越大代表性能越好。

Opteron 170(早期皓龍產(chǎn)品采用3位數(shù)字命名規(guī)則)

Opteron的優(yōu)點是能以正常速度來運行現(xiàn)有的32比特程序，以及能運行新的64位程序，它們當中可直接訪問多于4GB的存儲器。Opteron集成了存儲器控制器，訪問RAM的數(shù)據(jù)不需通過北橋。

Opteron 6300晶圓

前不久，AMD推出了基于下一代"打樁機"核心架構(gòu)的全新AMD皓龍6300系列服務器處理器。Opteron 6300系列產(chǎn)品線的基頻最高達到了3.5GHz，智能超頻模式最高可達3.8GHz。全線提供對頻率為1866Mhz的四通道內(nèi)存支持，并且是目前x86架構(gòu)處理器中僅有的超低壓至1.25V的內(nèi)存支持。所有產(chǎn)品均支持最高達384GB的內(nèi)存容量，覆蓋12條DIMM槽，最多支持4條x16的HyperTransport總線(每條帶寬為6.4GT/s)。

在AMD推出64位處理器取得巨大成功后，英特爾公司也不甘示弱，并著手開發(fā)AMD64的替代品，也就是稱為IA-32e——后來改名為EM64T的處理器產(chǎn)品。

2005年，英特爾公司推出了90納米Nocona至強處理器，支持EM64T技術(shù)的Nocona核心Xeon處理器，這是第一個64位至強處理器核心。它采用Prescott核心，90nm工藝，配備1MB L2緩存。Nocona Xeon頻率包括2.8/3.0/3.2/3.4/3.6GHz等幾款，能動態(tài)調(diào)整功率并降低處理器的耗電需求。

Nocona至強處理器

Nocona至強兼容32、64位運算模式，支持市場上所有的基于16位和32位軟件，同時對64位架構(gòu)下開發(fā)的應用軟件也能夠完全兼容。

Opteron與Nocona至強處理器

從內(nèi)存尋址來說，它打破了以往純32位架構(gòu)最大232字節(jié)尋址能力的極限，最高可實現(xiàn)近4.5TB的尋址能力，如此大量的內(nèi)存足以滿足當前高端工作站、網(wǎng)絡服務器、數(shù)據(jù)服務器的處理需求以及未來軟件應用的需求。

Opteron與Nocona至強處理器針腳

從技術(shù)角度來看，Nocona新至強處理器比傳統(tǒng)的32位增加了8組寄存器，可減少CPU對L1、L2緩存以及內(nèi)存的訪問次數(shù)，從而提高CPU的工作速度;再加上英特爾處理器既有的耗電低、體積小、輻射少、兼容性強等特點，促成了Nocona新至強處理器在計算平臺上無可比擬的優(yōu)勢，可為諸如媒體和游戲等應用帶來出色的系統(tǒng)響應能力。

至強融核協(xié)處理器

作為當今企業(yè)級市場上，應用最廣的處理器，至強一直深受用戶青睞。今年，英特爾進一步更新了SNB架構(gòu)的至強E5-2600以及IVB架構(gòu)的至強 E3-1200 V2、SNB-EP架構(gòu)至強E5-4600。并且，協(xié)同去年的至強E7以及今日發(fā)布的至強融核產(chǎn)品，為企業(yè)計算打造無縫的應用方案。

以上，就是筆者介紹了最為經(jīng)典的幾款64位處理器，當然，在整個64位處理器發(fā)展長河中，還有很多其他富有代表意義的產(chǎn)品。這些64位處理器的發(fā)展，也需要有相應的操作系統(tǒng)和應用程序的支持，在運算速度方面，以及多任務處理、應力測試、簇等都需要有更寬的算術(shù)與邏輯運算，從而更好地支撐這些應用并帶來更高的性能。

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