前言

64位元处理器并非是新消息，早在1992年迪吉多（Digital Equipment Co；DEC）便提出64位元运算架构的Alpha晶片，堪称全球第一颗64bit CPU，不过最近64位元处理器再度成为热门话题，主因在于今（2002）年的Computex Taipei国际电脑展上，Intel、AMD等以往在32位元领域较劲的业者，纷纷预告了今年下半年的64位元产品蓝图，Intel除了原有于2000年推出的第一颗IA-64架构晶片：Itanium（原研发代号：Merced）后，今年七月份也推出接替产品：Itanium 2（原研发代号：McKinley），同样的AMD预告已久K8、Hammer、SleidgeHammer/ClawHammer，也正式命名为Opteron，并于Computex展场上有静态的展示。为了了解64bit晶片会有如何的消长发展，且让我们逐一探讨各类64bit晶片的过往与现况。

《图一 Intel Itanium 2（McKinley）芯片图（Sorce：HP网站）》

Compaq/DEC Alpha 21x64晶片

64bit的Alpha晶片，是DEC为了接替该公司原有32bit的VAX电脑所设计，VAX电脑在当初也属相当前瞻的32bit电脑系统设计，使用MIPS的处理晶片，而MIPS（荷商美普思科技）于1991年与Compaq康柏、Microsoft微软、SGI视算、DEC迪吉多等重量级厂商合组先进运算环境（Advanced Computing Environment；ACE）联盟，此策略主要是MIPS针对打击Intel CISC CPU所提出，但后来效用不大，也因此DEC决定以当时32bit的MIPS晶片为基础，开发自家用的64bit Alpha晶片。

Alpha晶片主要有21064、21164、21264等型号演进，在1996年前后DEC将以21164、21264为基础衍生出21164PC、21264PC，锁定的对手即是Intel的Pentium、Pentium Pro/II，策略上是要让21164PC、21264PC的时脉为Pentium、Pentium Pro/II的2倍，但价格相同，以价格相同下之时脉效能优势与Intel对抗，然而此策略对Intel CPU的影响亦有限，之后到了1998年， DEC便被Compaq以96亿美元并购，自此Alpha晶片成为Compaq的产品，

既然Alpha晶片最初的设计用意是接替VAX电脑用的MIPS晶片，因此自然能执行VAX电脑用的VMS/OpenVMS作业系统，此外UNIX、Windows等开放式作业系统盛行，因此Alpha晶片也支援DEC UNIX与Windows NT，而在Compaq并购DEC后，DEC UNIX强化成Tru64 UNIX，Windows NT则在Compaq考量评估下，决定放弃Alpha的Windows（至NT v4.0版）支援，由Intel CPU持续提供Windows作业系统方案，让Alpha晶片专注于OpenVMS与UNIX的支援，除此之外，近年来盛行的Linux，也同样有Alpha版本。

Compaq并购DEC取得Alpha晶片，以及取得Alpha工作站、伺服器等的用意，是希望开拓高阶企业解决方案的资讯服务业务，用意虽佳，但实际执行却事与愿违，Compaq的Alpha业务拓展始终落后于同业的其他晶片或主机，在UNIX伺服器、工作站等领域其市占率都低于IBM、SUN以及HP，因此目前Alpha晶片与系统已逐渐淡出主流商务市场，转进科学领域运算的特殊利基市场。

由于Alpha系统与晶片逐渐式微，Compaq难以负担后续更高阶Alpha晶片的开发成本，已经于2001年决议将旗下150位Alpha晶片设计小组的成员移转给Intel，并将Alpha晶片的架构特点、设计技术用于后续的Itanium家族晶片中。而Compaq则将持续强化手边现有的Alpha晶片之效能，包括依照进度提升时脉、加大快取、加快与加宽汇流排等，预计提供销售至2003、2004年，服务将提供至2007年，未来Compaq的高阶电脑将由Alpha转为使用Itanium/IA-64晶片，而这样的策略不仅适用于Alpha，包括Compaq于1997年并购的Tandem电脑，其NonStop Himalaya专属主机，也会由现有的MIPS晶片换用Itanium/IA-64晶片。

虽然Alpha晶片未来仅有数年光景，但Compaq仍持续提供升级方案给客户，2002年5月Compaq公布EV7代号的新Alpha晶片架构，新晶片的特点包括内建两组RDRAM的记忆体控制器、1.5 MB L2快取、晶片面积达400mm平方、使用0.18制程（韩国三星Samsung代工制造）、更后头的EV79则会使用0.13um制程与SOI（矽绝缘）技术制造，并将晶片面积降至300mm平方。

EV7预计推出后的型号为21364，最多可以连结128颗CPU，每颗最高记忆体定址达32GB，时脉可至1.2GHz，约2003/2004年推出，此应是Compaq所提出之末代Alpha晶片。 (注1)

SGI MIPS R1x000晶片

由史丹佛大学研究出的MIPS晶片架构，堪称是RISC晶片的经典教材，后来的研究人员走出校园创立MIPS，以贩售晶片技术为业，之后被SGI视算科技所并购。

MIPS晶片最初为32bit，当时即被各类电脑与资讯系统所采用，时至今日仍有许多嵌入式系统、IA产品都采用MIPS晶片，目前MIPS的处理核心，与英国ARM安谋的ARM处理核心，并列两大晶片技术的提供业者。

MIPS晶片的初期演进有R3000、R4000、R4400、R8000等，而64bit架构的MIPS晶片：R10000也于1995年推出，后续演进推出的还有R12000、R14000等，而MIPS的未来展望中也已经将R16000 、R18000等纳入规划，不过与其他64bit处理晶片相比，无论架构与时脉技术上，都已经有明显的落后差距，当今日IBM Power4晶片已达1.3GHz、SUN UltraSPARC-III已达1.05GHz、 Alpha 21264C已达1GHz、HP PA-8700达750MHz的同时，MIPS R14000仅有600MHz。

也因为MIPS晶片逐渐失去效能优势，因此采用MIPS晶片的业者也开始另觅出路，前面已经提过Compaq并购的Tandem，其NonStop Himalaya电脑将由现有R12000、R14000逐渐转换成Itanium/IA-64晶片，而使用MIPS最多的SGI电脑，目前除以NUMA架构提供多处理器的科学运算系统外，未来也将转用Itanium/IA-64晶片。

因此就现在来看，MIPS晶片若无革命性的架构突破与改变，未来追上主流64bit晶片的机会并不大，即便是在32bit的嵌入式应用领域中，也受ARM、IBM Power等的强力竞争，所以MIPS虽然是资讯与其历史教材中的经典，但未来不乐观的发展却令人相当惋惜。

最后若就高阶的工作站、伺服主机应用来看MIPS晶片，MIPS主要是支援SGI自家的IRIX作业系统（该公司的UNIX），而Linux也同样在支援之列。

IBM Power晶片

IBM Power晶片是自1990年便开始研究的架构，也是IBM RS/6000工作站(注2)、伺服器的源头，其最轰动的过去便是1991年Power-2架构提出后，IBM、Motorola、Apple等合组PowerPC联盟，与当年MIPS的ACE联盟颇有分庭抗礼之势。

1992年，IBM/Motorola提出PowerPC-601，后续还有PowerPC-602/603/603e/604/604e等，但这些皆为32bit RISC晶片，其中Apple用PowerPC接替原Motorola的68K CISC晶片（如68030、 68040）外，IBM也使用自己设计、生产的Power晶片，作为RS/6000电脑的运算核心，而支援的作业系统方面，Apple主要为Mac OS，IBM​​则为自家的UNIX作业系统：AIX，虽然PowerPC曾经支援过Windows NT，但后来仍是放弃支援，仅支援Windows NT v3.51，到了Windows NT v4.0即放弃，而近年来盛行的Linux，也有PowerPC版本。

由于Apple的产品持续停留在桌上个人电脑、笔记型电脑、媒体设计工作站等领域，近日才初步跨入伺服器，因此没有使用较高阶的64bit Power晶片，此方面多半为IBM使用，如今不仅是RS/6000，包括IBM大型主机的S/390、专属系统/迷你电脑的AS/400等都普遍使用Power晶片，64bit版的Power晶片自POWER3开始，之后有POWER3-II、POWER4，目前最高阶的即是POWER4，时脉达1.3GHz（Turbo版），也采用SOI、Copper、MCM等先进半导体设计、制造、封装技术而成，此类技术也是Intel、AMD、Sun、HP等同业竞相模仿的地方。

根据了解，IBM已经将POWER5、POWER6晶片纳入研发进度，研发小组的成员与初步规格都已经确立，其中POWER5将采行与Intel Xeon MP晶片类似的HyperThreatingxxx（超执行绪）技术，并且将具有一种称为「快速路径」的加速架构，此外更会将以往eLiza专案研究中的自动侦测错误、自动修正错误技术纳入，以及将作业系统常用的软体常式服务（如网路传输的资料封包编制）以硬体电路方式实现。至于POWER6，更会将高阶的企业级软体功能（如Oracle资料库、IBM应用伺服器WebSphere等）以硬体电路型式呈现。

HP PA-RISC晶片

HP的PA-RISC晶片架构早在1986年即出现（原IBM 801计画之研发团队），初期为32bit RISC架构，后亦演进为64bit架构（1997年的PA-8000型），而PA-RISC的「PA」字样为「Precision Architecture；精准架构」之意。

PA-RISC晶片主要应用于HP自家的UNIX工作站、UNIX伺服器，所支援的作业系统即是HP自家的UNIX：HP-UX，而64bit的PA-RISC从PA-8000型晶片开始后，一路又有PA-8200、PA-8500、PA-8600以及PA-8700，目前最新的PA-8700自去（2001）年开始全面汰换PA-8600，最高时脉为750MHz。

《图二 HP PA-8700芯片图（Sorce：HP网站）》

由于HP与Intel早在1994年便开始合作，希望能开发一颗同时相容HP PA-RISC与Intel x86的新​​系列统合型晶片，此即是后来2000年推出的Itanium，因此HP对于既有PA-RISC晶片的后续研发投资心力，也有部分受Itanium影响而降低，原本计画在PA-8500之后将转移至Itanium，但由于Itanium晶片的进度不断落后，使得HP不得不持续维护原有的PA-RISC系列，除PA-8500外后续又有PA-8600、PA-8700，也由于Itanium虽已正式发表但接受与成熟度仍不足，因此HP在PA-RISC上的备胎晶片还有两颗仍在产品展望规划中，即是PA-8800（研发代号：Mako）以及PA-8900之后将视Itanium家族晶片之进展，再行转移或保持。

据了解（HP 2001年10月16日的网站文件），PA-8800将会仿效IBM POWER4，采用「双CPU电路整合于单一裸晶上」的设计方式，将原有PA-8700的CP​​U两颗整合为一，并持续保有各768KB程式与768KB资料的L1快取，以及晶片外连接32MB DRAM L2快取，预计使用0.13um、SOI（矽绝缘）、Copper（铜导线）、Low-K（低电介质）等先进半导体技术，电晶体使用数将达3000万，逻辑闸达250万，晶片面积23.6x15.5mm，时脉1GHz以上。

《图三 HP IA-32、IA-64、PA-RISC架构发展蓝图（Sorce：HP网站）》

SUN UltraSPARC晶片

SUN早期在80年代的主业务为工作站之设计、制造、销售，当时以Motorola的CPU为主，之后才转入自行研发RISC CPU的路线，并称为SPARC（Scalable Processor ​​ARChitecture）晶片，其技术设计源自柏克莱（Berkeley）大学的RISC-1、RISC-2晶片架构。

SPARC晶片初期为32bit，第一颗SPARC晶片出现于1987年，之后接替晶片SuperSPARC于1993年发表，但市场反应并不佳，直至Sun于1995、96推出64bit架构的UltraSPARC（也称为SPARC V9架构），才又渐入佳境，自SPARC、UltraSPARC的成功后，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，专攻特殊应用领域市场之用，而最新的第三代UltraSPARC-III，以及以铜导线制程制造的UltraSPARC-III Cu，也于去（2001）年正式发表，衍生的UltraSPARC-IIIi也已推出。

UltraSPARC-III初期仍使用传统的铝制程，最高时脉为750MHz，为往上突破时脉，采用铜制程，目前达950MHz与1050MHz，预计时脉仍会持续推升，最高可能至1.8GHz，直至UltraSPARC-IV接手为止，而Sun未来的计画除UltraSPARC-IV外，UltraSPARC-V也在规划之列。

不过SUN对未来的晶片技术细节透露不多，目前所知，UltraSPARC-IV将采用类似IBM POWER4、HP Mako类似的双CPU整合制造技术，以及采行与Intel Itanium、Transmeta Crusoe类似的VLIW（Very Large Instruction Words）运算架构，且此架构可相容执行既有已使用十多年的SPARC软体程式，不需要系统转移或模拟执行，SPARC晶片主要是执行Sun自家的UNIX作业系统：Solaris，但目前也有SPARC版的Linux可以使用。

Intel IPF/IA64晶片

Intel一脉相承的CISC/x86晶片32bit架构已逐渐至瓶颈，为跨入64bit架构，特别于1994年与HP技术合作，希望能100％硬体相容执行HP PA-RISC系统与Intel x86/IA-32系统之程式，不过事与愿违，Itanium正式发表后，不能100％相容执行PA-RISC的HP-UX 11i v1.5作业系统，是以模拟程式（Emulator）方式模拟执行，效能有相当幅度的折损，而新版针对Itanium所推出的HP-UX 11i v1.6才能真正原生（Native）执行。

至于Itanium相容执行现有x86程式，根据文件说明，是可以100％硬体相容执行，但由于Itanium采行EPIC（其实即是VLIW）运算架构，使其无法以超序（Out-Of-Order ）方式执行原有x86/IA-32程式，因此虽可执行但效能低落，程式虽原生执行但与无相容之模拟执行无异。

Itanium依据Intel与HP的合作规划有3颗M开头的主轴晶片，即是Merced（Itanium）、McKinley（Itanium 2）、Madison（尚未正式命名）、旁系将有以Madison为基础的低价晶片（Deerfield），针对工作站或高阶桌上电脑而设计，HP已将大部分的PA-RISC晶片设计小组（约90人）转移给Intel，Compaq也将整个Alpha晶片设计小组（约150人）转移给Intel，未来Alpha、PA-RISC系统将逐渐转用Itanium是可想而知的，包括SGI亦是，而Alpha设计小组预计将在Madison之后加入参与新Itanium之研发行列，目前已有两颗新Itanium家族晶片将是由Alpha小组规划。

最后Itanium可支援的作业系统相当广泛，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晶片传闻已久，在K7、Athlon发表初期便有风声，当时的研发代号为K8，后改为Hammer，之后又以等级差异分成低阶的ClawHammer与高阶的SleidgeHammer，并以ClawHammer先推出，正式名称为Opteron，预计1GHz以上时脉。

有别于Intel的EPIC/IA-64架构，AMD的64bit架构称为x86-64，与Intel最大的差异在于强调原有IA-32/x86程式、软体之效能相容，并以此为基础往上提供64bit位元运算能力，其晶片运算架构的变革没有Intel EPIC/IA-64剧烈。

AMD一直以相容Wintel为主路线，因此新的64bit晶片受Microsoft Windows作业系统的支援相当重要，不过初期Microsoft仅愿意支援Intel EPIC/IA-64架构，对AMD x86-64架构不感兴趣，但在Intel Itanium晶片迟无起色，以及Linux阵营一致支持x86-64的情况下，支持态度也已经软化，事实上Intel亦有备案，若EP​​IC/IA-64再无市场起色，将推出与AMD x86-64架构理念相同的YamHill、PreScott晶片，但目前Intel不愿多透露此两款路线修正晶片的相关规格细节。

结论

在传统32bit、CISC发展已久的业者，如今将运算架构革新与强化，进入64bit的晶片市场，然而原有64bit、RISC晶片/系统业者，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，都不会坐视Intel、AMD的举动而不闻不问，对此也纷纷强化现有晶片的制程、时脉，甚至提前公布晶片产品的发展蓝图（roadmap） ，由此可知，下半年将会是64bit晶片新市场版图争夺的先发战。

〈注解:注1:Compaq与AHP于2001年9月提出合并,并于2002年5月确定正式合并,但本文仍暂以未合并前的方式进行描述、说明。

注2：IBM RS/6000中的「RS」字样，其意为「RISC System」。 〉