问题

为什么没有普及128位操纵系统的计算机?

回答
你这个问题问得挺好,确实,现在市面上见到的绝大多数电脑,包括我们用的手机、平板,都是64位操作系统。128位的听都没怎么听过,更别说普及了。这背后不是因为技术上不行,而是有很多现实的考量和实际的权衡。我给你掰开了揉碎了说一说,争取让你听着就像是咱们老百姓聊天一样,没有那些生硬的机器话。

首先,我们得明白“位”这个东西说的是啥。

简单说,这个“位”指的是CPU一次能处理的数据宽度,也指的是CPU能够直接寻址的内存空间大小。你可以想象成一个水管。32位就像一根直径比较小的水管,它一次能通过的水量(数据)就那么多,能连接的水龙头(内存地址)数量也有限。64位就像一根直径大多了的水管,一次能过更多的水,也能连接更多的水龙头。

那64位是怎么来的?为什么会替代32位?

早些年,个人电脑刚普及的时候,主流是32位操作系统和CPU。那时候,电脑内存还很小,比如几十兆、几百兆,甚至只有个位数兆。32位系统能寻址的最大内存是4GB(2的32次方)。对于当时的电脑来说,4GB内存已经是天文数字了,完全足够用了。

但是,随着技术发展,软件越来越复杂,需要处理的数据也越来越多。尤其是到了2000年后,多媒体、图形处理、大型游戏、科学计算等等需求爆发,内存需求也水涨船高。当内存超过4GB的时候,32位系统就显得捉襟见肘了。它只能“看到”4GB以内的内存,即使你电脑里插了8GB、16GB内存,它也用不了。这就像你有一栋大房子,但钥匙只能开一小部分房间的门,其他的门你都进不去。

这时候,64位技术就应运而生了。64位CPU和操作系统理论上能寻址的内存空间是个极其庞大的数字,大概是1.8 x 10^19 字节,也就是1800万兆字节,这远远超过了我们目前能够制造出来的内存条的总和。所以,64位系统解决了内存上限的问题,让电脑可以充分利用越来越大的内存,性能自然就上去了。

那么,为什么不直接跳到128位呢?现在128位好像也没啥必要?

这才是问题的核心所在。就像刚才说的,64位系统已经提供了远超目前实际需求的内存寻址能力。你现在想在普通家用电脑上插个几百GB甚至几TB的内存,基本就是个概念,实际应用场景非常少。就算你有那么多内存,现在的软件和硬件也未必能充分利用起来。

我们来具体分析一下为什么128位没有普及的几个主要原因:

1. 内存需求远远未达128位的门槛:
当前实际内存容量: 咱们普通电脑的内存现在普遍是8GB、16GB、32GB,高性能工作站可能用到64GB、128GB,甚至更高。即使是服务器领域,内存容量也很大,但和128位能寻址的上限比起来,那简直是九牛一毛。
物理极限和成本: 要制造更大容量的内存条,不仅需要更先进的制程,还需要解决功耗、发热、信号干扰等一系列工程难题。而且,内存的制造成本和技术难度是呈指数级增长的。现在64GB、128GB的内存条已经不便宜了,要是再往上翻,价格会更让人咋舌。
128位理论上限: 128位系统理论上能寻址的内存空间是 2 的 128 次方字节。这个数字有多大呢?简单来说,它比宇宙中所有原子的数量还要多得多!对于任何目前以及可以预见的计算设备来说,这个内存寻址空间都是“过剩”的,甚至可以说是“ overkill ”。你没法想象需要多少内存才能用完它。

2. 软件和硬件的兼容性与迁移成本巨大:
应用程序重写和适配: 操作系统和CPU的架构改变,意味着所有的软件都需要重新编译和适配。很多老旧的应用程序,甚至是很多现在正在使用的软件,都是基于32位或64位架构开发的。如果升级到128位,所有这些软件都需要重新开发,或者至少是进行大量的修改和测试。想想看,这对软件开发者来说是多么巨大的工作量和成本!
驱动程序和固件: 不仅仅是应用程序,硬件的驱动程序、BIOS/UEFI固件等都需要针对新的架构进行更新。这会涉及到更底层的代码改动,工程量非常庞大。
生态系统迁移的困难: 整个计算机生态系统,从操作系统本身,到软件开发工具链,再到各种硬件设备,都建立在64位的基础上。要统一迁移到128位,需要整个行业共同努力,这几乎是不可能的任务,除非有极其重大的驱动力。

3. 性能提升并不显著(在当前需求下):
数据处理宽度问题: 理论上,128位CPU可以一次处理更多的数据,这在某些特定领域,比如科学计算、密码学、或者处理超大型向量数据时,可能会带来性能提升。但对于大多数日常应用,比如浏览网页、办公、玩普通游戏,64位的处理宽度已经足够了。你不会因为水管直径从“超大”变成“巨型”而让一杯水更快地流过来。
其他瓶颈: 电脑的性能不仅仅取决于CPU的位宽。硬盘读写速度、显卡性能、内存带宽、网络速度等等,都是影响整体体验的重要因素。很多时候,这些其他方面的瓶颈会比CPU位宽更能限制性能。即使CPU能处理128位的数据,如果硬盘读取数据慢得像蜗牛,整体速度也提不上去。
指令集复杂性: 更高的位宽通常意味着更复杂的指令集。这可能会增加CPU的设计难度,也可能导致功耗和发热的增加,在性能提升不明显的情况下,得不偿失。

4. 缺乏明确的市场驱动力:
用户需求不迫切: 普通消费者和大多数企业用户并没有强烈的需求去升级到一个128位系统。他们使用的软件、玩的游戏,以及日常工作对内存和处理能力的要求,在64位系统下已经得到了很好的满足。
技术革新方向不在此: 目前计算机技术的发展方向更多地集中在提高能效比(比如 ARM 架构在移动设备上的成功)、AI 加速、量子计算、更快的内存技术(如 DDR5、DDR6)、更快的存储技术(如 NVMe SSD)等方面,而不是简单地堆砌位宽。

那么,未来有没有可能出现128位计算机呢?

理论上,是有可能的,但不会是现在。除非出现以下几种情况:

出现能够充分利用超大内存的革命性应用场景: 比如一些极其复杂的科学模拟、大规模的生物信息学分析、或者全新的虚拟现实/增强现实交互方式,需要远超目前想象的内存容量和处理能力。
内存技术发生颠覆性突破: 如果出现了成本极低、容量极大、功耗也极低的全新内存技术,使得动辄TB级别的内存成为普通现象,那么128位系统才有可能被考虑。
CPU设计和指令集出现重大优化: 专门为128位架构设计出更高效的指令集和更低功耗的CPU,使得其在特定计算领域能带来压倒性的优势。

总结一下就是:

128位操作系统没有普及,不是因为我们做不到,而是因为:

现在用不上: 64位已经远远满足了我们对内存的需求,128位的内存上限是天文数字。
成本太高,工程量太大: 软件、硬件生态系统的迁移是一个浩大的工程,投入产出比极低。
其他瓶颈限制: 即使有128位CPU,电脑的整体性能也可能被其他硬件或技术限制住。
没有迫切的市场需求: 用户觉得现在的电脑已经够用了。

所以,与其说是技术上的停滞,不如说是现实需求和成本效益的权衡。就像我们不需要用卡车来拉一瓶酱油一样,128位目前对于绝大多数的计算机应用来说,都显得过于“大材小用”了。我们更关注的是如何在现有技术基础上,让电脑更省电、更便宜、运行更流畅、处理特定任务(如AI)更快,这些都是比单纯提高位宽更有实际意义的发展方向。

希望我这样解释,你能听明白,也像是在和朋友聊天一样。

网友意见

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我记得之前好像有类似的问题,我好像还回答过。

128位计算机不会普及,真正纯正的128位计算机是不太可能存在的。

假设有一台计算机是128位的,那么给它插满内存(2^128 Bytes),它的实际数据容量是2^128 * 8 bit,大概是2.72*10^39这么多bit。

地球的地壳质量是0.026*10^24(百度的,有错误请指正),假设按照硅元素占1/4计算(实际要多一点,大约算一下即可),地壳硅的总质量是0.0065*10^24 = 6.5*10^21 kg => 6.5*10^24 g,硅的原子量以28计算,摩尔质量是28g,一共是2.32*10^23 mol,大概是 1.3975 * 10^47个硅原子。

现在晶体管的开关部分是7nm,大概70个硅原子,假设它是一个正方体,需要70*70*70=343000个硅原子,那么地壳上的所有硅原子可以造出来大概4.074*10^41个晶体管(仅开关部分),对比前面128位计算机的bit总数是2.72*10^39,只有两个数量级的差别。

换句话说,把地壳里的所有硅全挖出来,全造晶体管,大概也就只满足不到200台128位计算机插满内存的需求,这还不算导线和其它。

所以,显然地球上的资源都不够满足这种需求,就不要谈论造它的问题了。

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写完这个答案之后,我相信有人质疑,说地址线肯定用不了那么多。

那么,还可以换一种算法:用上128的CPU的前提是64位不够用了,也就是64位地址线不够用了。

地址线的能力上限也是可以算出来的:

首先,人类的能力其实很有限,从一个非官方的渠道了解到的情况:人类一年的土石方总量大概是1立方公里,也就是10亿立方米(注:三峡的体积是1600多万立方米)

假设人类一年啥都不干,这些土石方全用来挖二氧化硅造芯片,那么就是1立方千米这么大的二氧化硅。提炼以后大概剩下4/10的单晶硅(实际上根本不会有这么高的效率)。

芯片的硅片厚度大概是100-200微米,以200微米算,这么大的体积无损切片的话,可以切出来2*10^18平方毫米的硅片。

在这里:SK Hynix Details DDR5-6400. 找到一个DDR5的内存资料,其中一个关键数据是:

die size: 76.22 mm2
容量:16 Gb (2GB)

除一下,原材料一年极限产能就是2.62*10^16片*2GB内存,总容量是2.62*10^16*2^31=5.63*10^25字节。

64位地址线的上限是2^64=1.84*10^19字节。

除一下,5.63*10^25/1.84*10^19大约是3*10^6,也就是3百万。

也就是说,人类一年啥都不干,所有的土石方产能都用来挖二氧化硅,提炼单晶硅造内存,全造内存,没有任何损耗,良品率百分百的情况下,一年造的内存总量也就够3百万个64位设备用满地址线

实际情况是,人类连这个产能的万分之一都到不了。

所以从这个材料限制上看,人类也不会真正出现有大量设备把64位地址线用满的情况。

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你可能陷入这样一个误区

通常情况下,认为64位是32位的两倍。

但就这个问题而言,33位是32位的两倍,34位是33位的两倍。

使用64位,理论上可以访问17,179,869,184 GB RAM。

而32位处理器,则为4GB,虽然存在PAE技术等,使得32位系统能识别出4G以上的内存空间,不过毕竟是黑科技,有很多的局限性与兼容性问题存在。

随着时间的推移,人类很快便达到了32位的使用极限,然后逐步升级到了64位(SPARC,MIPS,POWER等在Intel和AMD之前就达到了64位)

对于普通的计算机用户来说,或者包含一部分计算机从业者的角度而言,超过64位的想法还很遥远。

实际上,我觉得128位操作系统在我的有生之年可能不会得到普及。

以我目前的这个笔记本为例:12GB

也就是说,即使将我的需求扩大一亿倍,这个庞大的数字将依然很舒适地处于64位的限制之内,仅占128位容量的7%。

我相信这个预言不会打脸,因为它并不同于比尔盖茨那句“640KB的内存对任何人来说足够用了”,这是完全不同的一件事。

前者相当于普通人和大胃王的饭量作比较,后者相当于大胃王的胃部容量和银河系空间大小作比较,两个概念。

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32位x86 CPU:80386,1985年发布,主频12MHz,后来陆续又出了16/20/25/33/40MHz的版本。这时标配的内存大概是1M或2M,硬盘20或40M。(dos3.31以前的版本只支持最大33M的分区,超过33M的硬盘必须分成多个区。dos3.31开始硬盘分区最大可以达到2G。)

16/32位混合操作系统:Win95,1995年发布,这时主流CPU是Pentium100或133,一般标配8M或16M内存,540M或1G硬盘。

纯32位操作系统:WinXP,2001年发布,从386算起,过了16年。(之前的WinNT4和Win2000也是纯32位,但是影响力有限。) 这时的CPU已经是P4 2.0GHz了,比386快几百倍,不光看主频,同频性能也快几倍。内存标配512M或1G,硬盘则是20G或40G了,基本是386时代的几百倍到一千倍。以及,32位的各项极限基本快到顶了,比如内存大一点的服务器已经经常要靠PSE36、PAE之类扩展来支持4G以上内存了。

2001年到现在又快20年了,现在的CPU主频没怎么增加,算上多核,大概快了十倍不止、一百倍不到。内存和硬盘容量只增加了十几到几十倍。之前那16年的爆发式进化很难重现了。

如果不出现什么大的技术突破,按这个趋势再过20年,64位也还不至于不够用。实际上未来20年的发展可能更慢,128位估计还早吧。

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