64ビット

64ビットアーキテクチャとは

64ビットとは、連続した64個のビット（8オクテット）で構成され、約1844京の数を表現できる情報単位です。この技術は、コンピュータの様々な側面、特にアーキテクチャ、プロセッサ、オペレーティングシステム（OS）、アプリケーションに深く関わっています。

64ビットの定義

64ビットアーキテクチャ: 整数型、メモリアドレスなどのデータサイズが最大64ビット幅である設計。
64ビットCPU: 64ビットサイズのレジスタ、アドレスバス、データバスを持つプロセッサ。
64ビットオペレーティングシステム: 64ビットCPUを前提に設計されたOS。
64ビットアプリケーション: 64ビットCPUおよびOSを前提に設計されたソフトウェア。
64ビットコンピュータ: 64ビットプロセッサを搭載したコンピュータ。

64ビットプロセッサの歴史

64ビットプロセッサは、1960年代にスーパーコンピュータで初めて使用されました。1990年代初頭には、RISCベースのワークステーションやサーバーに採用され、2003年には、x86-64や64ビットPowerPCプロセッサが登場し、パーソナルコンピュータ市場にも広がりました。

ビット幅と内部構造

プロセッサの内部ビット数と、外部のデータバスやアドレスバスのビット幅は必ずしも一致しません。例えば、Pentium Proは内部32[[ビット]]ですが、外部アドレスバスは36ビット、データバスは64ビットです。一部の16[[ビット]]プロセッサも内部に32[[ビット]]の機能を持つものがあり、ビット幅の定義は多様です。

一般的に「64ビット」という場合、64ビット幅の整数レジスタを持ち、64ビットの整数データを内部的にも外部的にもサポートしていることを指します。ただし、どの観点でのビット数なのかは注意が必要です。

32[[ビット]]からの進化

小規模なデータセットを扱う場合、32[[ビット]]環境と64ビット環境で速度差は大きくありません。しかし、64ビット環境ではメモリアドレス空間が大幅に拡大されるため、より多くのメモリを搭載でき、大規模なデータセットを扱えるようになります。

レジスタの役割

プロセッサのレジスタは、主に整数レジスタ、浮動小数点レジスタ、その他のレジスタに分類されます。整数レジスタは、メモリ内のデータのアドレスを格納し、プロセッサがアクセスできるアドレス空間の大きさを決定します。

レジスタの種類

整数レジスタ: メモリアドレスを格納。
浮動小数点レジスタ: 浮動小数点数を格納。
その他のレジスタ: 制御情報などを格納。


ほとんどの汎用プロセッサには浮動小数点演算ハードウェアが内蔵されており、64ビットのレジスタにデータを格納することがあります。例えば、x86アーキテクチャではx87浮動小数点命令やSSE命令が使用され、これらのレジスタは浮動小数点演算を高速化します。

メモリの拡張

多くのCPUでは、1つの整数レジスタに仮想記憶空間内の任意のアドレスを格納できます。そのため、仮想記憶空間内のアドレスの総数はレジスタの幅で決まります。32[[ビット]]レジスタでは、4GiBのRAMにアクセスできますが、1990年代にメモリの低価格化が進み、4GiBを超えるメモリの搭載が現実的になると、64ビットアーキテクチャへの移行が始まりました。

メモリ拡張の歴史

32[[ビット]]レジスタ: 最大4GiBのRAMにアクセス可能
64ビットレジスタ: 最大16EiBのRAMにアクセス可能


64ビットアーキテクチャにより、メモリの上限は16EiBにまで拡張され、大規模なデータ処理が可能になりました。ただし、64ビットのアドレス空間をフルに活用するにはハードウェアの設計が複雑になるため、仮想アドレス空間は48[[ビット]]、物理アドレス空間は48～52ビットに制限されることもあります。

主な64ビットプロセッサ

以下は、主な64ビットプロセッサの例です。

ARMv8-Aアーキテクチャ (Apple A7以降、NVIDIA Tegra K1以降など)
MIPSアーキテクチャ (R4000以降)
IBM POWER (POWER3以降)、PowerPC (G5以降)
HP PA-RISC (PA-8000以降)
HP Alpha (最初から64ビット)
Sun SPARC (SPARC64以降)
AMD AMD64 (Opteron、Athlon 64など)
Intel Intel 64 (Xeon Nocona以降)
Intel IA-64 (Itaniumなど)
Apple M1, M1 Pro/Max/Ultra, M2
IBM z/Architecture (zSeriesなど)

64ビットプロセッサの年表

1961年: IBM 7030 (Stretch) スーパーコンピュータ
1974年: CDC Star-100ベクトル型スーパーコンピュータ
1976年: Cray-1スーパーコンピュータ
1983年: Elxsi 6400並列型ミニスーパーコンピュータ
1991年: MIPS R4000 64ビットマイクロプロセッサ
1992年: DEC Alpha
1994年: Intel IA-64アーキテクチャ計画発表
1995年: Sun UltraSPARC、IBM 64ビットAS/400
1996年: 任天堂 NINTENDO64、HP PA-8000
2000年: IBM zSeries z900、64ビット版Linux on zSeries
2001年: Intel Itanium
2003年: AMD Opteron、Athlon 64、Apple PowerPC 970
2004年: Intel Nocona Xeon、Pentium 4
2005年: Sun Solaris 10、Windows XP Professional x64 Edition
2006年: Apple Mac Pro、Intel Core 2プロセッサ
2007年: Windows Vista for x64-based Systems
2009年: Windows 7 for x64-based Systems

32[[ビット]]と64ビットの比較

32[[ビット]]から64ビットへの移行は根本的な変更であり、OSやソフトウェアには大幅な拡張や変更が必要です。古いソフトウェアは互換モードやエミュレータで動作させることができますが、64ビットアーキテクチャの利点を活かすには、ソフトウェアの移植が必須となります。

移行の課題

ソフトウェアの互換性: 古いソフトウェアの互換性維持
OSの変更: 新しいアーキテクチャに対応したOSが必要
リソースの最適化: 64ビット環境に最適化されたソフトウェアが求められる

64ビットの利点

メモリ空間の拡張: 各プロセスが利用できるメモリ空間が大幅に拡大されます。
大容量ファイルの処理: 4GiB以上のファイルを効率的に処理できます。
レジスタ数の増加: プロセッサのパフォーマンスが向上します。

64ビットの欠点

メモリ消費の増加: データサイズが大きくなるため、メモリ消費量が増加します。
キャッシュ効率の低下: データサイズが増大し、キャッシュ効率が低下する可能性があります。
システムリソースの消費増大: OSやドライバのメモリ消費が増加します。
ソフトウェアの入手可能性: 32[[ビット]]環境向けのソフトウェアは、64ビット環境で利用できない場合があります。

64ビットデータモデル

C言語やC++では、整数型のサイズは必ずしも固定ではありません。そのため、32[[ビット]]から64ビットへの移行時には、型のサイズに関する注意が必要です。特に、ポインタとint型やlong型のサイズが異なる場合、情報が失われる可能性があります。型変換を行う際には、sizeof演算子やlimits.hで定義される定数を利用し、サイズを意識したプログラミングが必要です。

データモデルの種類

ILP32: int型、long型、ポインタが全て32[[ビット]]。
LP64: int型が32[[ビット]]、long型とポインタが64ビット。
ILP64: int型、long型、ポインタが全て64ビット。
LLP64: long long型とポインタだけが64ビット、int型やlong型は32[[ビット]]。


これらのデータモデルはコンパイラごとに採用されるため、異なるデータモデルが混在することもあります。また、デバイスドライバがどのデータモデルを採用するかも重要です。

まとめ

64ビットアーキテクチャは、コンピュータ技術の進化において重要なマイルストーンです。メモリ空間の拡大や処理速度の向上をもたらす一方で、メモリ消費の増加やソフトウェアの互換性といった課題も抱えています。64ビットへの移行は、単なる技術的な変更ではなく、ソフトウェア開発やシステム設計において、より高度な知識と注意が求められる変革です。

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