Die 64-Bit-Frage

Ist ein 64-Bit-Computer in Ihrer Zukunft?

Bei all dem Hype um 64-Bit-Prozessoren gehen Sie wahrscheinlich davon aus, dass meine Antwort ein eindeutiges Ja sein würde - und das auch verdammt bald! Aber lassen Sie den Marketing-Geschrei über Chips wie AMDs Athlon64 beiseite; Tatsächlich ist es viel weniger wichtig, 64 Bit zu haben, als die Computerindustrie vermuten lässt. In der Tat, es sei denn, Sie sind ein Macintosh-Benutzer, werden Sie möglicherweise erst in einem weiteren Jahrzehnt einen 64-Bit-Computer kaufen - falls Sie überhaupt jemals einen kaufen.

Zuerst ein wenig Hintergrund. Die Prozessoren in der überwiegenden Mehrheit der heutigen Desktop- und Laptop-Computer sind 32-Bit-Chips. Die meisten von ihnen basieren auf Intels unglaublich erfolgreicher IA32-Architektur, auch bekannt als x86 (wie in 286, 386, 486). Intels Celeron- und Pentium-Maschinen sind alle IA32, ebenso wie AMDs Athlon-Chips.



Aber auf einmal haben 64-Bit-Maschinen eine Art Cachet. AMD verkauft seit zwei Jahren Prozessoren, die sowohl 32-Bit- als auch 64-Bit-Code gleichzeitig ausführen können; Computer mit diesen Chips können entweder Linux oder eine spezielle 64-Bit-Version von Windows XP ausführen, die Microsoft Anfang dieses Jahres veröffentlicht hat. Apple liefert unterdessen alle seine Power Mac-Computer mit dem G5-Mikroprozessor aus, einem von IBM entwickelten 64-Bit-Gehirn. Und in gewisser Weise spielen all diese Desktop-Systeme eine Aufholjagd: Nintendo hat 1996 die 64-Bit-Umstellung vollzogen, als es seine Nintendo64-Spielekonsole auslieferte.

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Um zu verstehen, warum all dies wichtig ist, müssen Sie zunächst verstehen, dass der Begriff 32 Bit eine Art Abkürzung ist, die Computerdesigner verwenden. Diese Zahl bezieht sich auf zwei Dinge innerhalb der Architektur des Computers. Erstens gibt es an, wie viele Bits diese Computer verwenden, wenn sie den Speicherort angeben, an dem eine Information gespeichert wird. Zweitens gibt es die Größe der Register innerhalb des Mikroprozessors an, die für die Berechnung verwendet werden. Jedes Bit kann eine 1 oder eine 0 sein, sodass 32 Bits verwendet werden können, um 232 oder 4.294.967.296 verschiedene Werte darzustellen. Der offensichtliche Unterschied zwischen 32-Bit-Maschinen und 64-Bit-Maschinen besteht also darin, dass die 64-Bit-Systeme viel größere Maschinen sind: Sie können mehr Speicher adressieren und können mit größeren Zahlen rechnen.

Aber mehr bedeutet nicht unbedingt besser – es hängt davon ab, wovon Sie mehr bekommen.

Down Memory Lane

Der Wechsel von 32 Bit auf 64 Bit ist am wichtigsten, wenn es um die Fähigkeit dieser Computer geht, den Speicher zu adressieren. Ein Programm, das auf einem 32-Bit-Computer läuft, kann problemlos 4 Gigabyte Speicher abrufen, 232 entspricht ungefähr 4,3 Milliarden. Auf der anderen Seite kann ein Programm, das auf einem 64-Bit-Rechner läuft, 264 adressieren – das sind 4 Milliarden mal 4 Milliarden Bytes, eine erstaunlich große Zahl. Machen Sie einfach die Zahlen und es ist klar, dass auf einem 64-Bit-System viel mehr Spielraum vorhanden ist. Aber diese beiden Tatsachen sind tatsächlich für viel Verwirrung verantwortlich, wie wir sehen werden.

Der ursprüngliche Personalcomputer von IBM verwendete den Intel 8088-Mikroprozessor – einen lustigen kleinen Chip, der mit seltsamen technischen Kompromissen gefüllt war. Im Kern war der 8088 ein 16-Bit-Prozessor: Er hatte 16-Bit-Mathematikregister, die es ihm ermöglichten, Zahlen zwischen 0 und 65.535 (oder zwischen -32.768 und 32.767) problemlos darzustellen, und 16-Bit-Adressregister, die es ihm ermöglichten, problemlos mit 64 Kilobyte Hauptspeicher kommunizieren. Nun, 64K reichten nicht aus, um viel zu tun, selbst im Jahr 1981, als der PC zum ersten Mal ausgeliefert wurde, also hatte der 8088 eine Reihe von Segmentregistern, die um 4 Bit nach links verschoben und dem Adressregister hinzugefügt wurden, bevor die Speicheradressen tatsächlich vergeben wurden gelesen oder geschrieben. Dadurch konnte der 8088 problemlos auf bis zu einem Megabyte Speicher zugreifen. 1981 war ein Megabyte viel Arbeitsspeicher. Tatsächlich konnten sich Computerdesigner damals nicht vorstellen, dass ein typischer Heim- oder Geschäftsanwender so viel Arbeitsspeicher benötigen würde, geschweige denn, sich diesen über viele Jahre leisten kann. Also zogen die IBM-Designer einen Strich über die Speicherkarte des Computers und platzierten den Speicher für die Videoanzeige genau in der Mitte der oberen Hälfte, was die frühen PCs effektiv auf nicht mehr als 640 Kilobyte RAM beschränkte. Dies war die Entstehung der 640K-Grenze, die von IBMs Computern auf seinem DOS-Betriebssystem auferlegt wurde.

Einige Jahre später stellte Intel seinen nächsten Mikroprozessor vor, den 80286. (Der 80186 hat es nie wirklich in Personal Computer geschafft.) Der 286 war die Grundlage von IBMs PC/AT. Es hatte einen Emulationsmodus (als Real-Modus bezeichnet), mit dem der 286 die gleiche Software wie der 8088 ausführen konnte, aber er hatte auch einen erweiterten, geschützten Modus, der es ermöglichte, mit bis zu 16 Megabyte RAM zu arbeiten. Die überwiegende Mehrheit dieser Maschinen wurde im Real-Modus betrieben, damit sie Microsofts DOS und alle anderen Programme ausführen konnten, die für den ursprünglichen IBM-PC geschrieben wurden. Tatsächlich war der 286 beim Ausführen von 8088-Software weitaus beliebter als der 8088 jemals, weil der 286 so viel schneller war. Genau genommen wurden nur sehr wenige 286-Chips tatsächlich im geschützten Modus betrieben.

1985 stellte Intel den 80386-Chip vor – den ersten 32-Bit-Prozessor der x86-Familie. Auch dieser Mikroprozessor hatte einen sogenannten Real-Modus, damit er DOS und den Rest der 8088-Softwarebasis ausführen konnte. Diese Maschinen konnten den ursprünglichen 8088 umrunden – nicht weil sie 32-Bit-Maschinen waren, sondern weil sie schnellere Taktraten und ein ausgeklügelteres internes Design hatten. Es gab auch eine Reihe von Unternehmen, die DOS-Extender verkauften, die es Programmen ermöglichten, die unter DOS geladen wurden, den vollen 32-Bit-Adressraum zu nutzen. Diese Extender schalteten den Computer für Mathematik in den 32-Bit-Modus, kehrten den Computer jedoch immer dann in den 16-Bit-Modus zurück, wenn das Programm auf die Festplatte des Computers zugreifen musste. Trotzdem waren 32-Bit-Programme, die auf diesen 32-Bit-Prozessoren liefen, die Ausnahme, nicht die Regel.

Erst als die 32-Bit-Maschinen auf dem Gebiet die 16-Bit-Maschinen zahlenmäßig weit überlegen waren, begann Microsoft mit der Auslieferung seines ersten echten 32-Bit-Betriebssystems - Windows 95. Zu diesem Zeitpunkt hatte Intel zwei weitere Generationen von x86-basierten herausgebracht Maschinen-der 80486 und der Pentium. Ja, Microsoft hätte Jahre vor der Auslieferung von Windows 95 ein 32-Bit-Betriebssystem liefern können. Aber das wäre wahrscheinlich ein Fehler gewesen: Warum ein Betriebssystem verkaufen, das auf den meisten PCs auf dem Markt nicht läuft?

All diese Geschichte ist plötzlich wieder relevant, wenn wir den nächsten großen Sprung in der PC-Architektur betrachten – den Wechsel von 32-Bit- zu 64-Bit-Computing. Aber während der Wechsel von einem 16-Bit-Adressraum (oder 20-Bit, wenn Sie die segmentierte Architektur des 8088 in Betracht ziehen) auf 32 Bit enorm war, wird der Wechsel von 32 Bit auf 64 Bit von den meisten Computerbenutzern kaum wahrgenommen. Der Grund dafür ist, dass 32 Bit tatsächlich groß genug sind, um die allermeisten Rechenaufgaben zu lösen – nicht nur die heutigen, sondern auch die von morgen.

Es ist unwahrscheinlich, dass der Wechsel von 32 Bit auf 64 den gleichen Quantensprung in Geschwindigkeit oder Fähigkeiten mit sich bringt, den wir von 16 Bit auf 32 haben. Ja, 64 Bit Adressen sind wirklich riesig, aber 32 Bit sind nichts zu verachten.

Heutzutage gibt es nur wenige Anwendungen, die wirklich mehr als 4 Gigabyte Arbeitsspeicher benötigen. Wenn Sie Textverarbeitung, Tabellenkalkulation, E-Mail und Webbrowsing betreiben, bieten 32 Bit genügend Adressraum für die denkbare Zukunft. Mein Windows-Desktop-Computer ist ein Speicherfresser - seine Kopie von Internet Explorer bläst routinemäßig bis zu 64 Megabyte auf. Aber das ist immer noch ein Vierundsechzigstel der Größe der 4-Gigabyte-Speicherkarte der Maschine. Ich kann mir nicht vorstellen, dass ich einen Webbrowser betreiben könnte, der eine 4-Gigabyte-Speicherkarte benötigt: Es würde fast 10 Stunden dauern, um nur so viele Informationen über meine DSL-Leitung herunterzuladen!

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Man könnte meinen, Multitasking mit anderen, ähnlich überdimensionierten Anwendungen würde einen immer größeren Speicherdruck verursachen, bis zu einem Punkt, an dem man tut sich Sorgen um die Nutzung des Adressraums machen. Aber das ist nicht der Fall. Windows, Unix und andere moderne Betriebssysteme verwenden eine Technik namens virtueller Speicher, um jedem Programm seine eigene isolierte Speicherzuordnung zuzuweisen. Auf einem 32-Bit-Computer bedeutet dies, dass jedes laufende Programm seine eigenen 4 Gigabyte virtuellen Speicher zum Herumspielen bekommt. Während also eine einzelne Instanz eines laufenden Programms nicht auf mehr als 4 Gigabyte zugreifen kann, kann ein 32-Bit-Rechner mit Windows XP mit 10 oder 20 Gigabyte Arbeitsspeicher diesen Speicher problemlos zwischen einem aufgeblähten Browser oder einer aufgeblähten Kopie von Word teilen 2003 und eine aufgeblähte Kopie von Access.

Der 64-Bit-Adressraum macht den großen Unterschied, wenn ein einzelnes Programm auf mehr als 4 Gigabyte Speicher gleichzeitig zugreifen muss. Wenn Sie beispielsweise ein Data Warehouse für ein multinationales Unternehmen mit 10 Terabyte Online-Speicher betreiben, kann Ihr Datenbankserver ernsthaft davon profitieren, dass 10 oder 20 Gigabyte Indexdateien im Arbeitsspeicher gespeichert sind. Eine groß angelegte Simulation könnte ebenfalls davon profitieren, dass viel Arbeitsspeicher zur Verfügung steht, um beispielsweise das Wetter für übermorgen zu modellieren.

Da Unternehmen wie Dell Heimcomputer mit 512 Megabyte RAM ausliefern und Windows XP-Computer routinemäßig 1,5 Gigabyte Arbeitsspeicher verwenden, um alle ihre Programme zu speichern, werden die Vermarkter, die 64-Bit-Computing vorantreiben, sagen, dass Sie einen 64-Bit-Computer benötigen um die sich schnell nähernde 4-Gigabyte-Grenze zu durchbrechen. Glaube es nicht. Tatsächlich verkauft Dell bereits 32-Bit-Computer mit 8, 16 und 32 Gigabyte RAM. Die Vermarkter möchten, dass Sie 64-Bit-Maschinen kaufen, weil diese Systeme mehr kosten.

Die andere Art, wie 64-Bit-Maschinen die heutigen 32-Bit-Systeme übertreffen, ist die Mathematik. Während die heutigen 32-Bit-Maschinen Prozessoren haben, die jede ganze Zahl zwischen 0 und 4.294.967.295 (also 232-1) darstellen können, kann eine 64-Bit-Maschine ganze Zahlen zwischen 0 und 18.446.744.073.709.551.615 (264-1) darstellen.

Wieder einmal kann es bei einer kleinen Anzahl wissenschaftlicher Anwendungen ein enormer Vorteil sein, mit diesen riesigen Zahlen in einer einzigen Anweisung rechnen zu können. Es stellt sich jedoch heraus, dass 64-Bit-Integer-Mathematik für die meisten alltäglichen Büroaufgaben nicht allzu nützlich ist. Für den Anfang liegt das daran, dass wir bereits Maschinen haben, die 64-Bit können: Die heutigen Maschinen tun dies nur mit speziellen Gleitkomma-Verarbeitungseinheiten oder sie tun es mit mehreren 32-Bit-Anweisungen. Für die meisten Operationen wird einfach keine spezielle 64-Bit-Mathematik-Hardware benötigt.

Sie brauchen mir diesbezüglich nicht mein Wort zu nehmen. Schauen Sie sich einfach die Geschichte anderer 64-Bit-Architekturen an. Während 64 Bit in der Welt von x86 neu sind, haben andere Mikroprozessoren in den 1990er Jahren den Übergang zu 64 Bit vollzogen. Alpha, MIPS64 und Sparc64 sind alle 64-Bit-Maschinen. Die meisten Programme, die auf diesen Computern ausgeführt werden, ignorieren jedoch effektiv die oberen 32-Bits jeder Zahl – das liegt daran, dass diese Ziffern ausnahmslos 0 sind.

Die echte 64-Bit-Zahlung: Neuere Designs

All diese Argumente gegen 64-Bit-Maschinen verschmelzen jedoch mit dem Holzwerk, wenn Sie sich jedoch vor den neuen G5-Computer von Apple setzen: Egal, ob Sie Videos bearbeiten oder einfach nur im Internet surfen, die Maschine fühlt sich dramatisch schneller an als 32-Bit G4-Cousins. Was gibt es also?

Mit der bemerkenswerten Ausnahme von Intels Itanium-Prozessor führen die heutigen 64-Bit-Maschinen 32-Bit-Code im Allgemeinen schneller aus als ihre 32-Bit-Cousins ​​aus dem gleichen Grund, aus dem der 32-Bit-Intel 80386 16-Bit-Code schneller ausführte als der 8088 und der 80286 Der Grund ist, dass die 64-Bit-CPUs einfach modernere Geräte sind. Diese Chips werden mit fortschrittlicheren Siliziumprozessen hergestellt, haben höhere Taktraten und enthalten mehr Transistoren. AMDs Athlon64 und IBMs G5 haben nicht nur breitere Register, sondern auch mehr Funktionseinheiten in ihrem Silizium-Gehirn. Diese Chips leisten bessere Arbeit bei Dingen wie der gleichzeitigen Ausführung mehrerer Befehle, der Ausführung außerhalb der Reihenfolge und der Verzweigungsvorhersage. Der 64-Bit-PowerMac G5, der im Apple Store läuft, läuft größtenteils mit 32-Bit-Code. Die beeindruckende Geschwindigkeit der Maschine kommt von der Kombination von zwei Prozessoren, den schnelleren Taktraten, einem größeren Cache und einem besseren Speicherbus.

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Ja, AMD und IBM hätten dieselbe Technologie in ein neues 32-Bit-Design integrieren können. Aber heutzutage kostet die Entwicklung eines neuen Chips Milliarden von Dollar. Ein 64-Bit-Prozessor kann einen höheren Preis verlangen als eine 32-Bit-CPU, daher ist es im besten Interesse dieser Unternehmen, ihre neueste und beste Technologie in ihre 64-Bit-Produkte zu integrieren.

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Mit Blick auf die Zukunft wird sich 64-Bit-Computing wirklich durchsetzen, da die 64-Bit-Maschinen zufällig einen besseren Job beim Ausführen des heutigen 32-Bit-Codes machen als die heutigen 32-Bit-Prozessoren. Aber der Markt könnte sich leicht in eine andere Richtung entwickeln. Diese zusätzlichen 32 Bit verbrauchen viel Strom, sodass Unternehmen, die CPUs für Laptops und Handhelds bauen, die für 64-Bit-Maschinen entwickelten Tricks einfach in ihre 32-Bit-Geräte integrieren könnten.

Das gleiche ist bei Spielekonsolen passiert. Obwohl es vor einigen Jahren viel Aufregung gab, als Nintendo sich entschied, den 64-Bit-Prozessor R4300i für sein Nintendo 64-System zu verwenden, profitierten Videospielspieler nicht wirklich von den zusätzlichen 32 Bit an Adresse oder Mathematik. Der R4300i war zu dieser Zeit ein schneller Chip, da er viele andere hochmoderne Techniken zur Beschleunigung der Programmausführung implementierte. Es hätte das gleiche Leistungsniveau bieten können, wenn diese Tricks auf einen 32-Bit-Prozessor angewendet worden wären. Es waren die Tricks, die die Geschwindigkeit brachten, nicht die Bits.

128-Bit-gebunden?

Nachdem wir den Sprung von 8 auf 16 Bit, dann 16 auf 32 und jetzt 32 auf 64 erlebt haben, ist es nur natürlich zu denken, dass wir irgendwann in ferner Zukunft den Übergang von 64-Bit- auf 128-Bit-Systeme vollziehen werden. Halten Sie nicht den Atem an.

Wichtig hierbei ist, dass Bits exponentiell sind. Ein 32-Bit-System kann adressieren 65 Tausend mal so viel Speicher wie ein 16-Bit-System, während ein 64-Bit-System einen theoretischen Speicheradressraum hat 4 Milliarden mal größer als die eines 32-Bit-Systems. Sie könnten mit heutiger Hardware tatsächlich ein einzelnes Speichersystem bauen, das 264 Bytes Speicherplatz fassen würde – aber Sie müssten mehr als 200 Millionen Festplatten verwenden, von denen jede 256 Gigabyte an Informationen enthält. Das ist mehr Speicher, als 2003 von der gesamten Festplattenindustrie der Welt geliefert wurde. Während es also heute denkbar ist, ein Speichersystem mit 264 Byte Speicher aufzubauen, müsstest du wahrscheinlich jeden Computer der Welt verwenden, der mit dem Internet verbunden ist .

Obwohl es möglich ist, sich eine Zukunft vorzustellen, in der Computer auf 264-Byte-Datenbanken zugreifen werden, ist es schwer, sich ein einzelnes Problem vorzustellen, bei dem ein Programm auf so viel Speicher in einem einzigen Adressraum zugreifen muss. Ein Grund, warum ein so unglaublich großes System keinen Sinn macht, ist, dass Sie ein solches System nicht mit einem einzigen Prozessor und einem einzigen einheitlichen Adressraum aufbauen würden: Sie würden stattdessen Millionen oder Milliarden von Verarbeitungselementen verwenden, alle mit überlappendem Speicher und Verantwortung. Auf diese Weise würden die anderen Systeme nahtlos übernehmen, wenn ein Prozessor oder ein Speicherblock ausfiel.

Angesichts solcher Argumente ist es ziemlich unvernünftig, sich vorzustellen, dass Sie 2128 Bit Speicher benötigen würden – nicht zu unseren Lebzeiten, nicht zu den Lebzeiten von irgendjemandem.

Auf der anderen Seite könnte ich mit all dem völlig falsch liegen: 64 Bit könnten genau das Richtige sein, um eine Ganzkörper-Virtual-Reality mit Mind-meets-Mind-Morphing-Fähigkeiten zu machen. Oder wahrscheinlicher, Unternehmen wie Dell könnten sich dafür entscheiden, dem Beispiel von Apple zu folgen und den Verkauf von Low-End-Maschinen mit 32-Bit-Prozessoren einzustellen, anstatt sich auf den Marketing-Hype von 64-Bit-Maschinen zu verlassen, um die höheren Gewinnmargen zu rechtfertigen.

Aber denken Sie daran, unten ist immer Platz. Und da 32-Bit-Rechner wahrscheinlich noch mindestens ein Jahrzehnt, wenn nicht sogar länger, nützlich sein werden, wäre ich überrascht, wenn Dell diesen Markt an ein anderes Unternehmen abtreten würde. Schauen Sie sich nur Apple an: Während alle von Apples verkauften PowerMac-Desktop-Computer mit G5-Prozessoren ausgestattet sind, verwendet das Unternehmen immer noch G4s in seinen iMac-, eMac- und PowerBook-Computern.

Ich persönlich denke, dass 32-Bit-Systeme uns noch lange begleiten werden.

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