x64

x64 wird sowohl durch AMD als auch durch Intel implementiert:

• AMD64 (seit 2003) – für Prozessoren des Unternehmens Advanced Micro Devices (AMD)
• Intel 64 (seit 2005) – für Prozessoren des Unternehmens Intel; vormals auch IA-32e und EM64T bezeichnet[1]

Die Implementierungen von AMD und Intel weisen im Detail Unterschiede auf, die jedoch in der Praxis kaum Auswirkungen haben. Nicht nur die Bezeichnung „x64“ (wie z. B. von Windows genutzt), sondern auch „amd64“ (wie z. B. von Linux genutzt, aber teilweise auch von Windows[2]) und „x86-64“ (der Entwicklungsname von AMD64) stehen somit für beide Implementierungen gleichermaßen.[3]

Die x86-64-Architektur entstand als Gegenentwurf zur Itanium-Architektur „IA-64“ von Intel und Hewlett Packard. Während Intel eine ganz neue 64-Bit-Architektur erschuf, die mit der damals und auch danach in PCs meistverwendeten IA-32-Architektur nur wenig gemeinsam hatte, wählte AMD einen weit weniger radikalen Ansatz: Als Erweiterung des bestehenden Befehlssatzes ist ein 64-Bit-x86-Prozessor ebenfalls ein vollwertiger 32-Bit-x86-Prozessor, nur mit zusätzlichen Befehlen und Modi, die im hinzugekommenen Betriebsmodus verbreiterte Register zur Verfügung stellen. Dadurch bleibt die Befehlssatzarchitektur und die Kompatibität zu bestehender Software erhalten.

Intel stellte die ersten IA-64-Prozessoren (IA-64 entspricht Itanium) am 4. Oktober 1999 vor.[4] Tags darauf kündigte AMD seinen Gegenentwurf an[5] und veröffentlichte die „x86-64“-Spezifikation im August 2000.[6] Intel brachte die erste Generation des Itanium im Juni 2001 heraus und schob noch 2002 die zweite Generation hinterher. Bei AMD dauerte es bis zum April 2003, bis die ersten Opteron mit der nun „AMD64“ getauften 64-Bit-Erweiterung verfügbar wurden. Sie wurden so gut vom Markt angenommen, dass Intel ab Juni 2004 begann, die ersten Xeon-Prozessoren („Nocona“) mit der kompatiblen „EM64T“-64-Bit-Erweiterung auszustatten.

Nun stattete AMD alle Modellreihen mit der AMD64-Erweiterung aus, während Intel bei 64-Bit noch auf die Itanium-Reihe setzte – erst im Juli 2006 wurden die ersten Desktop- und Mobilprozessoren der Core-2-Reihe mit der nun „Intel 64“ getauften Architektur verkauft. Alle Folgegenerationen IA-32-kompatibler Prozessoren von AMD und Intel sind seither als 64-Bit-Architektur ausgelegt, zuletzt die Atom-Prozessoren von Intel ab 2008. Andere Hersteller folgten der Marktentwicklung, der 64-Bit-VIA-Nano etwa wurde ab Januar 2008 verfügbar.

Geschichtlich wurde die 64-Bit-Befehlssatzerweiterung für die bestehende x86-Architektur, die von Intel IA-32 genannt wird, ab 1999 von AMD unter dem Namen „x86-64“ entwickelt. Auf einigen Systemen wurde sie auch x86_64 genannt, weil ein Bindestrich in einigen Situationen als Trennzeichen interpretiert wird. Dies ist z. B. beim Linux-Kernel, aber u. a. auch bei XNU (dem Kernel von Darwin und damit u. a. macOS) der Fall, weshalb auch uname die Schreibweise mit Unterstrich ausgibt. Als die ersten Opteron-Prozessoren von AMD 2003 mit der 64-Bit-Erweiterung vorgestellt wurden, änderte AMD den Namen dafür in „AMD64“.[3] Die meisten Linux-Distributionen nutzen daher die offizielle Bezeichnung amd64 zur Kennzeichnung von 64-Bit-x86, wie auch der Kernel von FreeBSD bei uname. Für 32-Bit-x86 unterscheidet indes nicht nur Linux bereits nach den Befehlssatzerweiterungen, die nach dem „i386“ (die erste 32-Bit-Architektur von Intel, ohne Erweiterungen) kamen, etwa „i586“ (i386 mit den Erweiterungen des Pentium) oder „i686“ (die Erweiterungen des Pentium Pro bzw. Pentium II, auch P6-Generation genannt, d. h. mit zumindest MMX und SSE) oder sogar „i686-pae“ (i686, zusätzlich mit der PAE-Erweiterung). Bei „amd64“ ist auf jeden Fall die SSE2-Erweiterung des Prozessors nutzbar.

Die Bezeichnung x64 (für 64-Bit) wurde, angelehnt an „x86“, von Microsoft und Sun eingeführt. Teilweise wurde die 32-Bit-x86-Architektur („IA-32“) daraufhin auch als „x32“ (für 32-Bit) oder x86-32 bezeichnet, da beide technisch gesehen x86-Befehlssätze darstellen. Da Intel die x86-ISA („Instruction Set Architecture“) später IA-32 nannte und mit IA-64 (Itanium) eine neue, aber inkompatible 64-Bit-Architektur einwickelte, entsteht oft Verwirrung zwischen den Begriffen „x64“ und „IA-64“: Als Befehlssatzerweiterung ist x64 Teil der x86-Architektur und eine Erweiterung von IA-32, denn jeder Prozessor mit x64-Befehlssatz ist auch ein vollwertiger 32-Bit- und 16-Bit-x86-Prozessor – IA-64 („Intel Architecture 64-Bit“) hingegen wird auch als die Itanium-Architektur bezeichnet, die nicht x86-kompatibel ist und daher im Grundsatz auch nichts mit x64 oder IA-32 zu tun hat (außer einer IA-32-Emulation bei der ersten Itanium-Generation – da IA-64 von Intel als Nachfolger von IA-32 geplant war, wollte man so die Möglichkeit eines sanften Übergangs schaffen, allerdings war die Emulation sehr langsam und somit überwiegend unbrauchbar).

Das erste Betriebssystem, das eine funktionierende Unterstützung für den 64-Bit-Modus der AMD64-Prozessoren bot, war Linux (offizielle Einführung in den Linux-Kernel 1. März 2002).[7] Von Microsoft war seit April 2005 die Windows XP Professional x64 Edition für 64-Bit-x86 verfügbar, die allerdings nur als Zwischenlösung gedacht war, bis Windows Vista im Januar 2007 auf den Markt kam.

Die x64-Edition von Windows XP wurde von Microsoft nur sehr zurückhaltend als OEM- und Systembuilder-Version vermarktet, um den „Support“-Aufwand in Grenzen zu halten und die zukünftigen Vista-Verkäufe nicht zu gefährden. Es gibt keine Home-Variante, keine Schachtel-Version für den Einzelhandel und keine vollständige Lokalisierung für Sprachen außer Englisch. Allerdings ist es möglich, diese Version mit MUI-(Multi User Interface)-Packs zu „übersetzen“.

Mac OS X (seit 2016 „macOS“) unterstützt die x64-Architektur seit Beginn der Umstellung seiner Plattform von PowerPC zu Intel-Prozessoren im Jahr 2006, der Kernel XNU lief jedoch auch auf 64-Bit-Intel-CPUs anfangs im 32-Bit-Kompatibilitätsmodus des Long Mode. Der erste 64-Bit-Kernel wurde in Snow Leopard Ende 2009 verfügbar gemacht und wurde bei einigen Macs automatisch verwendet, wenn die Voraussetzungen dafür gegeben waren: neben einem 64-Bit-Prozessor ist dies auch eine in 64-Bit implementierte Firmware (EFI war zuanfangs teilweise als 32-Bit-Variante implementiert) und dass alle benötigten Treiber in 64-Bit verfügbar sind.[8] Seit dem Mitte 2012 veröffentlichten Mountain Lion ist nur noch ein 64-Bit-Kernel vorhanden.

Auch die drei wichtigsten BSD-Derivate unterstützen die AMD64-Architektur: FreeBSD, NetBSD sowie OpenBSD (ab Version 3.5).

Alle Register haben bei AMD64 eine Breite von 64 Bit. Wenn der Prozessor im 32-Bit-Kompatibilitätsmodus läuft, werden die obersten 32 Bit jedes Registers auf 0 gesetzt. Im 64-Bit-Modus bietet der Prozessor außerdem je 8 zusätzliche Integer- und SSE-Register, die im 32-Bit-Modus aus Kompatibilitätsgründen nicht verfügbar sind.

Die AMD64-Architektur besitzt folgende Anwendungsregister, die in normalen Anwendungsprogrammen zur Verfügung stehen:

Die gelb hinterlegten Register R8–R15 und XMM8–XMM15 stehen ausschließlich im 64-Bit-Modus zur Verfügung. Die Register RAX–RSP sowie RFLAGS und RIP sind im 32-Bit-Modus nur 32 Bit groß und heißen dort EAX–ESP, EFLAGS und EIP, wie schon beim 80386. Der Zugriff auf die 64-Bit-Register erfolgt über neu eingeführte Befehlspräfixe. Hierfür werden Opcodes verwendet, welche im 32-Bit-Modus bereits für andere Befehle stehen. Aus diesem Grund sind die 64-Bit-Register – anders als die 32-Bit-Präfixe, die auch im 16-Bit-Modus zur Verfügung stehen – nur im 64-Bit-Modus verfügbar.

Für Gleitkommaoperationen ist zwar aus Kompatibilitätsgründen eine x87-FPU auf dem Prozessor vorhanden. Der Hersteller empfiehlt jedoch, für Gleitkommaberechnungen generell nur noch die performantere und problemärmere SSE-Einheit zu benutzen. Problematisch ist hierbei allerdings, dass die SSE-Einheit bis heute keine transzendenten Funktionen (Sinus, Cosinus, Arcustangens, Logarithmus) beherrscht; diese müssen weiterhin über die x87-FPU berechnet oder per Software emuliert werden. Außerdem beherrscht die SSE-Einheit nur 64-Bit-Gleitkommaarithmetik, während die x87-FPU-Einheit je nach Einstellung des FPU Control Words mit bis zu 80-Bit-Gleitkommaarithmetik arbeitet.

Da im 64-Bit-Modus keine Speichersegmentierung mehr unterstützt wird, können Systemaufrufe stark beschleunigt werden, da keine Segmentierungsinformationen mehr gespeichert und wiederhergestellt werden müssen. AMD trug dem durch Einführung eines neuen SYSCALL-Maschinenbefehls Rechnung. Obwohl man theoretisch auch im 64-Bit-Modus wie bisher über Interrupts oder den SYSENTER-Befehl einen Systemaufruf durchführen könnte, ist SYSCALL schneller.

Nachteil – Speicherverbrauch

Alle Adresswerte sind 64 Bit statt 32 Bit breit. Ihre Speicherung verbraucht daher im RAM und in den Caches doppelt so viel Platz und bei Bewegungen zwischen RAM und CPU müssen somit doppelt so viele Bytes bewegt werden. Sichtbar wird dieses in den erzeugten Programmdateien, die im Vergleich zum 32-Bit-Programm etwa 25 bis 30 Prozent größer sind. Allerdings wurde im 64-Bit-Modus eine IP-relative Adressierung mit vorzeichenbehafteten 32-Bit-Offsets eingeführt. Damit wird eine Zunahme der Befehlslänge verhindert.

Für Linux wurde aus diesem Grund die x32-ABI geschaffen, welche nur 32 Bit breite Adressen verwendet, aber trotzdem in Genuss der anderen Vorteile von AMD64 (wie z. B. mehr Register) kommt.

Neutral – Vektoroperation

Die SSE-Einheit übernimmt den weitaus größten Teil der Berechnungen für Multimedia und Mathematik, sowohl für Gleitkommawerte als auch für ganzzahlige gepackte Zahlen mit mehreren Werten, darunter vor allem Vektoren und Matrizen. Die Erweiterung der ALU-Register auf 64 Bit tangiert diese Einheit gar nicht, da die SSE-Register schon immer 128 Bit breit waren, so dass SSE-Berechnungen unverändert ablaufen. Die nachfolgend genannte Verdoppelung der Registerzahl betrifft jedoch auch die SSE-Mediaregister.

Vorteil – mehr Speicher pro Prozess

Die Grenze der klassischen IA-32-Architektur von 2 (bzw. 4) GiB adressierbarem Hauptspeicher pro Prozess („linearer Adressraum“) entfällt.

Vorteil – Registeranzahl

Zusätzlich zur 64-Bit-Aufweitung weist die AMD64-Architektur eine doppelte Zahl an allgemeinen Registern auf. Das ist vorteilhaft bei vielen Zwischenwerten in einer Prozedur, die nicht mehr zeitweise auf den Aufrufstapel im Hauptspeicher ausgelagert werden müssen. Da die althergebrachten acht Register schon immer knapp waren, setzt man hier 25 bis 30 Prozent[11] Geschwindigkeitsvorteil bei Programmen im Long Mode an. Zusätzlich ist eine neue Funktionsaufruf-Konvention eingeführt worden, die die zusätzlichen Register zur Übergabe von Funktionsparametern vorschreibt. Diese Art der Parameterübergabe ist deutlich schneller als die herkömmliche Parameterübergabe auf dem Stapelspeicher.

Vorteil – Adressbreite

Wenn Datenmengen im Gigabyte-Bereich verarbeitet werden, entfallen aufwendige Zugriffsberechnungen mit 32-Bit-Differenzen zu Basisadressen. Insbesondere beherrschen alle modernen Betriebssysteme das Einblenden von Dateien auf der Festplatte in den Hauptspeicher (virtual file mapping): Statt stückweiser Abarbeitung kann nun im Prinzip die gesamte Festplatte für den Direktzugriff in einem Stück eingeblendet werden. Hilfsfunktionen mit Dateizeigern entfallen und degenerieren zu einfachen ALU-Operationen.

Vorteil – Vektoreinheiten

Sollen 32-Bit-Programme auch auf älteren Prozessoren laufen, können diese Programme keine SSE-Einheit voraussetzen und werden meistens ohne SSE-Unterstützung kompiliert. Alle AMD64-fähigen Prozessoren verfügen hingegen mindestens über SSE2, das somit bei 64-Bit-Software immer zur Verfügung steht.

Vorteil – 64-Bit-Register für Integerarithmetik

Anwendungen, die auf Integerarithmetik angewiesen sind, profitieren sehr davon, dass Multiplikationen mit ganzen Zahlen größer als 32 Bit erheblich schneller verarbeitet werden. Beispielsweise wird für die Verarbeitung von 64-Bit-Ganzzahlen auf 32-Bit-Systemen etwa das 2,5 Fache an Rechenzeit benötigt.[12] Dies kann zum Beispiel Kryptographie und Audio- beziehungsweise Videoencodingsoftware betreffen.

Der letztgenannte Vorteil betrifft vor allem Datenbanken und die Videobearbeitung, die von der Aufweitung von Adressen auf 64 Bit erheblich profitiert. Die SSE-Einheit bestimmt weitgehend die Abarbeitung von Spielen und mathematischen Programmen – soweit sie komplexe Teilberechnungen auf wenigen Speicherobjekten beinhalten, profitieren diese stärker von den Vorteilen. Das betrifft vor allem Bereiche der 3D-Modellierung.

Grundsätzlich ist der Nutzen stark spezifisch für jede Anwendung und die eingesetzten Algorithmen: Viele alte Programme verwenden auf 32 Bit optimierte Algorithmen, die erst nach Anpassung durch Programmierer von der 64-Bit-Erweiterung profitieren können. Das betrifft sowohl mathematische Hilfsfunktionen (auch Multimedia und Spiele) als auch die Speicherverwaltung. Viele Programme aus dem Unix-Bereich haben hierbei einen Vorsprung, da dort 64-Bit-Architekturen schon lange üblich sind.

Im Gegensatz zu einigen anderen Architekturen wird x86-64 aktiv weiterentwickelt, sodass sich irgendwann das Problem ergab, dass Code für die erste, ursprünglich auf der AMD-K8-Architektur aufgebauten Version von x86-64 und nicht für moderne x64-Systeme optimiert war, was aber nicht mehr zeitgemäß ist. 2020 schlossen sich daher AMD, Intel, Red Hat und SUSE zusammen, um Versionen von x86-64 zu definieren, was nicht nur für Linux Binärschnittstellen-Profile (ABI) optimierten Code ermöglicht.[13] Diese sind für Unix und unixartige Systeme, die auf System V basieren, als „psABI“ (ps steht für „Processor Supplement“) zusammengefasst.[14]

• x86-64 – die erste, auf der AMD-K8-Mikroarchitektur aufbauende 64-Bit-x86-Architektur; sie beinhaltet u. a. SSE2
• x86-64-v2 – nutzt SSE4.2 und SSSE3 sowie die Instruktionen POPCNT und CMPXCHG16B
• x86-64-v3 – beinhaltet zusätzlich AVX2 und MOVBE (für den Zugriff auf Daten in der Byte-Reihenfolge „big-endian“)
• x86-64-v4 – zusätzlich AVX-512

• Mehr Performance: Linux mit 64-Bit-Programmen – detaillierter Vergleich von 32-Bit- und 64-Bit-Anwendungsbenchmarks unter Linux
• Intel vs AMD x86-64, Linus Torvalds, 17. Februar 2004 (englisch) im „the (unofficial) Linux Kernel Mailing List archive“ (LKML); Diskussion über die Benennungen von x86-64 bzw. x64 und die Unterschiede zwischen den Implementierungen von AMD (AMD64) und Intel (Intel 64, damals IA-32e)

1. Chris Lomont: Introduction to x64 Assembly. In: Intel Developer Zone. Intel, 19. März 2012, abgerufen am 20. November 2016 (englisch): „x64 is a generic name for the 64-bit extensions to Intel's and AMD's 32-bit x86 instruction set architecture (ISA). AMD introduced the first version of x64, initially called x86-64 and later renamed AMD64. Intel named their implementation IA-32e and then EMT64. There are some slight incompatibilities between the two versions, but most code works fine on both versions;“
2. BeemerBiker: Q: WAIK-Difference of x86, amd64 and ia64? (Forum) In: Microsoft Community. Microsoft, 25. Februar 2011, abgerufen am 6. Januar 2018 (englisch): „I installed Windows Automated Installation Kit and got three directories named x86, IA64 and AMD64. I expected to see x64.“
3. Christof Windeck: 64-Bit-Namen. In: Heise online. 28. April 2008. Abgerufen am 19. November 2016.; Zitat: „In Bezug auf x86-Prozessoren mit 64-Bit-Erweiterung meinen x86-64, AMD64, EM64T, Intel 64 und x64 praktisch dasselbe.“.
4. Michael Kanellos: Intel Names Merced Chip Itanium. In: CNET News.com. 4. Oktober 1999, abgerufen am 7. August 2013 (englisch).
5. AMD Discloses New Technologies at Microprocessor Forum. In: press release. AMD, 5. Oktober 1999, abgerufen am 9. November 2010 (englisch).
6. AMD Releases x86-64 Architectural Specification; Enables Market Driven Migration to 64-Bit Computing. In: press release. AMD, 10. August 2000, abgerufen am 9. November 2010 (englisch).
7. Herbert Schmid: 64-Bit-Linux für AMDs Hammer offiziell. In: Heise online. 1. März 2002. Abgerufen am 6. Januar 2018.
8. Prince McLean: Road to Mac OS X Snow Leopard: 64-bit to the Kernel. AppleInsider, 28. Oktober 2008, abgerufen am 13. Oktober 2018 (englisch).
9. Michael Matz, Jan Hubicka, Andreas Jaeger, Mark Mitchell: System V Application Binary Interface – AMD64 Architecture Processor Supplement – Draft Version 0.99.4. (PDF; 552 kB) 13. Januar 2010, abgerufen am 7. August 2013 (englisch).
10. Rod Smith: Boot 32bit UEFI from file. (Q&A) Antwort auf die gestellte Frage. In: superuser.com. Stack Exchange, 31. Januar 2016, abgerufen am 20. Januar 2018 (englisch, Roderick W. Smith ist Herausgeber des Bootloaders rEFInd).
11. x86-64 Machine-Level Programming (PDF; 230 kB) S. 5–6, 3.2 Assembly Code Example.
12. Myth and Facts About 64-bit Linux. (PDF; 233 kB; englisch) – verschiedene Performancevergleiche von AMD64 und IA32, auf Seite 27 werden ganzzahlige Additionen auf 32- und 64-Bit-Systemen verglichen
13. Florian Weimer: Building Red Hat Enterprise Linux 9 for the x86-64-v2 microarchitecture level. In: Developer Blog. Red Hat, 5. Januar 2021, abgerufen am 25. April 2023 (englisch, Abschnitt Background of the x86-64 microarchitecture levels): „In the summer of 2020, AMD, Intel, Red Hat, and SUSE collaborated to define three x86-64 microarchitecture levels on top of the x86-64 baseline.“
14. Where is the x86-64 System V ABI documented? In: Stack Overflow. 8. August 2013, abgerufen am 25. April 2023 (englisch).
15. Marie Pavlosky: Bit-Rauschen: Nvidia-Höhenflug, x86-Altlasten, Intel-Baupläne. In: Heise online. 19. Juni 2023. Abgerufen am 20. Juni 2023.; Zitat: „Kommende, einfachere 64-Bit-Prozessoren würden dann die Bezeichnung "x86S" tragen, das "S" steht für Simplification. 32-Bit-Anwendungen könnten dann so wie jetzt schon unter 64-Bit-Windows im WoW64-Subsystem laufen.“.
16. Michael Larabel: Intel Publishes ‘X86-S’ Specification For 64-bit Only Architecture. Phoronix, 20. Mai 2023, abgerufen am 20. Juni 2023 (englisch).
17. Sanjiv Sathiah: Intel x86-S could bring a major 64-bit only revision to its chip architecture. Notebookcheck.net, 21. Mai 2023, abgerufen am 20. Juni 2023 (englisch): „Intel has outlined its plans to switch to 64-bit only CPU architecture in a new white paper it has published on its website. The chipmaker is seeking feedback on its architectural proposal which it hopes will lead to a more efficient, stable and secure user experience in the near future.“
18. Valentin Sattler: x86S: Intel schlägt neuen Befehlssatz für 64-Bit-Systeme vor. In: PC Games Hardware. 21. Mai 2023, abgerufen am 20. Juni 2023: „Eine unmittelbare Einführung von x86S ist aber nicht zu erwarten. Stattdessen will das Unternehmen erst Feedback aus der Industrie sammeln und den neuen Befehlssatz entsprechend anpassen. Falls AMD mitzieht, wäre eine Änderung in einigen Jahren aber durchaus denkbar, sofern es durch den neuen Befehlssatz tatsächlich nennenswerte Vorteile gibt.“