چرا پردازنده‌ ۱۲۸ بیتی وجود ندارد؟

کلمه‌ی بیت (Bit) یکی از شناخته‌شده‌ترین واژگان در علم کامپیوتر و پایه‌ی محاسبات پردازنده‌‌ها و نرخ انتقال داده‌ها به حساب می‌آید. همه‌ی ما دیده‌ایم که یک سیستم‌عامل‌ یا نرم‌افزار می‌تواند نسخه‌ی ۳۲ یا ۶۴ بیتی داشته باشد، حتی عمق رنگ نمایشگرها هم وابسته به مفهوم بیت است.

اولین پردازنده‌‌های ۶۴ بیتی در اوایل دهه ۱۹۷۰ در سوپرکامپیوتر‌ها و پس از آن در ورک‌استیشن‌ها (کامپیوتر‌های مخصوص محاسبات سنگین) و سرورها مورد استفاده قرار گرفتند. در سال ۲۰۰۱، Itanium اینتل با معماری ia64 تولید شد که اولین تراشه‌ی ۶۴ بیتی با کاربرد عمومی در جهان بود. ریزپردازنده‌های اولیه به‌تدریج از ۴ بیتی به ۸، ۱۶ و ۳۲ بیت ارتقا یافتند و در نهایت جای خود را به معماری ۶۴ بیتی دادند. بنابراین بعد از گذشت بیش از سه دهه از ساخت پردازنده‌ ۶۴ بیتی و طراحی نرم‌افزارهای سازگار با آن، به‌طور طبیعی باید منتظر آمدن معماری ۱۲۸ بیتی باشیم؛ اما در ادامه خواهیم دید که چرا هنوز هیچ پردازنده‌ی ۱۲۸ بیتی به‌صورت تجاری ساخته نشده است.

پیش از توضیح چرایی ساخته نشدن پردازنده‌های ۱۲۸ بیتی، لازم است کمی بیشتر با مفهوم بیت آشنا شویم. هر بیت یک رقم باینری (دومقداری) است؛ یعنی می‌تواند ۰ یا ۱ باشد. یک بیت به‌تنهایی کاربرد چندانی ندارد، اما وقتی تعداد بیشتری، مثلاً ۴ بیت در کنار هم قرار بگیرند می‌توانند بیانگر یک عدد، حرف یا کاراکتر باشند. بیت‌ها کوچک‌ترین واحد داده‌ها هستند و پایه‌ی محاسبات پردازنده‌ها را شکل می‌دهند. هر بایت از مجموع ۸ بیت به وجود می‌آید.

در معماری یک پردازنده، هرچه تعداد بیت‌ها بیشتر باشد، اندازه‌ی اعدادی که می‌توانند تولید شوند بزرگتر خواهد بود؛ مثلاً اگر ۴ بیت موجود باشد، ارقام قابل تولید از ۰ تا ۱۵ و اگر تعداد بیت‌ها ۸ باشد از ۰ تا ۲۵۵ خواهد بود. بزرگی اعداد تولید شده برحسب تعداد بیت‌ها به‌ شکل نمایی رشد پیدا می‌کند؛ یعنی وقتی تعداد بیت از ۴ به ۳۲، ۶۴ و در نهایت به ۱۲۸ می‌رسد، اندازه‌ی عدد‌ها جهش ناگهانی پیدا خواهند کرد. برای درک بهتر این موضوع، در جدول زیر بزرگ‌ترین عدد قابل تولید با هر تعداد بیت آورده‌ شده است.

همانطور که می‌بینید، دوبرابر شدن تعداد بیت‌ها منجر به رشد نمایی شدیدی در اعداد قابل محاسبه توسط پردازنده می‌شود که به‌معماری بسیار پیچیده‌تری برای کنترل این حجم از عدد و دستور نیاز است و طراحی و ساخت آن هزینه‌بر خواهد بود. بنابراین، اگرچه دوبرابر شدن تعداد بیت‌ها می‌تواند پرداز‌ش‌های سریع‌تر و سنگین‌تری را قابل اجرا کند، هنوز هیچ اقبالی از سوی سازندگان پردازنده‌ها نسبت به این کار صورت نگرفته است.

تاریخ پردازنده‌ها با اینتل ۴۰۰۴ در سال ۱۹۷۱ شروع شد که یک پردازنده‌ی ۴ بیتی بود و قابلیت آدرس‌دهی ۴ کیلوبایت حافظه را داشت. از آن پس به‌سرعت پردازنده‌های ۸ بیتی وارد بازار شدند که در کامپیوترهای خانگی دهه ۸۰ مانند کومودور ۶۴ و کنسول‌های بازی آتاری ۲۶۰۰ و سگا و همچنین در ساخت ماشین‌حساب‌ها و تجهیزات الکترونیکی دیگر استفاده می‌شدند. با پیشرفته شدن فناوری ساخت تراشه‌ها، قیمت تمام‌شده‌ نیز کاهش پیدا کرد و تولید پردازنده‌های سریع‌تر و قدرتمندتر عملی شد و پردازنده‌ها به‌سرعت جای خود را به نسل بعدی دادند.

حتی وقتی پردازنده‌های ۸ و ۱۶ بیتی را با هم مقایسه می‌کنیم، تأثیر رشد نمایی در قدرت پردازش با افزایش تعداد بیت‌ها را به‌وضوح درک خواهیم کرد. به‌عنوان نمونه کنسول بازی ۱۶ بیتی سگا جنسیس یا سوپر نینتنو (SNES) را با نسل قبل ۸ بیتی آن، NES از لحاظ پردازش گرافیکی مقایسه کنیم. Super Mario Bros 3 پیچیده‌ترین بازی از لحاظ گرافیکی در کنسول بازی NES بود و نسبت به بازی Super Mario World که دو سال بعد از آن در کنسول ۱۶ بیتی SNES اجرا می‌شد بسیار ابتدایی به نظر می‌رسید.

صنعت تولید پردازنده به‌سرعت از ۱۶ بیت به ۳۲ بیت و در نهایت به ۶۴ بیت در اوایل دهه ۲۰۰۰ حرکت کرد. برخی پردازنده‌های ۶۴ بیتی اولیه عبارت بودند از MIPS-R4000 و Athlon 64 و Opteron (ساخت شرکت AMD). از سوی دیگر نرم‌افزارها نیز خود را با معماری جدید تطبیق دادند و سیستم‌های عامل لینوکس و ویندوز نسخه‌های ۶۴ بیتی خود را ایجاد کردند. در این بین تولیدات ناموفقی هم وجود داشت؛ مثلاً پردازنده‌‌ی سرور ایتانیوم اینتل جزو بدترین پردازنده‌های تولیدشده توسط این شرکت محسوب می‌شود.

ممکن است فکر کنید علت اصلی ساخته نشدن پردازنده‌های ۱۲۸ بیتی، پیچیدگی یا عدم امکان تولید آن‌ها باشد؛ اما این تصور درستی نیست. در همین پردازنده‌های ۶۴ بیتی، قسمت‌ها و دستوراتی وجود دارند که با ۱۲۸ بیت یا حتی بیشتر عمل می‌کنند. مثلا واحد SIMD که به پردازش موازی در CPU مربوط می‌شود؛ با رجیسترهایی به طول ۱۲۸ و ۲۵۶ بیت کار می‌کند. همچنین دستور AVX از رجیسترهای ۲۵۶ بیتی به اسم YMM استفاده می‌کند. AVX-512 نیز رجیستر ۵۱۲ بیتی به‌ اسم ZMM را به‌ کار می‌برد؛ یعنی در هر کلاک پردازنده، ۵۱۲ بیت داده را پردازش می‌کند. چالش اصلی در خواندن و کنترل کردن یک عدد صحیح به‌بزرگی ۱۲۸ بیت است. اگرچه CPUهای ۱۲۸ بیتی در مقیاس آزمایشگاهی و برای کاربردهای خاصی مثل سوپرکامپیوترها ساخته شده‌اند؛ هیچ شرکتی به سمت تولید تجاری آن‌ها نرفته است. علت آن ممکن است ناامید‌کننده باشد؛ زیرا کاربردی نیستند.

یک پردازنده‌ی ۶۴ بیتی می‌تواند از ۰ تا عددی به بزرگی ۱۸٬۴۴۶٬۷۴۴٬۰۷۳٬۷۰۹٬۵۵۱٬۶۱۵ را محاسبه کند. از طرفی برای پردازنده‌ی ۱۲۸ بیتی، این بازه به‌ بیشتر از ۳۴۰ آندسیلیون (۱۰ بتوان ۳۶) می‌رسد. اغلب محاسبه‌ی اعدادی در این مقیاس عملا کاربردی نخواهد بود.

آدرس‌های IPv6 (در ارتباطات شبکه)، سرویس UUID که برای کاربرها آی‌دی یکتای جهانی تولید می‌کند (بازی ماینکرفت استفاده‌ی زیادی از آن دارد) و فایل‌های سیستمی مانند ZFS، ازجمله معدود استفاده‌های شاخص اعداد ۱۲۸ بیتی هستند. اما نکته این است که تا الان هم این موارد بدون نیاز به پردازنده‌ی ۱۲۸ بیتی انجام شده‌اند؛ بنابراین علت اصلی اینکه وارد فضای سخت‌افزاری و نرم‌افزاری ۱۲۸ بیتی نشده‌ایم این است که تقاضای جدی برای آن وجود نداشته‌ است.

اگرچه هم‌اکنون هیچ پردازنده‌ی ۱۲۸ بیتی در مقیاس تجاری وجود ندارد و از قرار معلوم به‌ این زودی هم ساخته نخواهد شد؛ نمی‌توان پیش‌بینی کرد که هیچ‌گاه اتفاق نمی‌افتد. مشخصات RISC-V راهی به‌ آینده‌ی معماری ۱۲۸ بیتی باز کرده، اما جزئیات آن مشخص نیست؛ احتمالاً به‌خاطر اینکه نیاز قطعی برای طراحی آن وجود نداشته‌ است.

همانطور که امروزه داشتن یک گوشی‌ هوشمند، لپتاپ یا کامپیوتر با پردازنده‌ و سیستم‌عامل ۱۲۸ بیتی کاربردی برای افراد ندارد؛ سال‌ها پیش هم صحبت از رم یک ترابایتی همین حس را در کاربران ایجاد می‌کرد. بنابراین ممکن است در آینده، تحقق معماری ۱۲۸ بیتی به یک نیاز ضروری تبدیل شود. لطفاً نظر خود را در بخش دیدگاه‌ها با ما به اشتراک بگذارید.