128ビットコンピューティング

コンピュータ アーキテクチャでは、128 ビットの 整数、メモリ アドレス、またはその他のデータユニットは、128ビット(16オクテット) 幅のものです。また、128 ビットの中央処理装置(CPU) および算術論理装置(ALU) アーキテクチャは、そのサイズのレジスタ、アドレス バス、またはデータ バスに基づくものです。

一般的な家庭用コンピューティングおよびゲーム ユーティリティは、自然なデータ単位である2 ⁸ =256ワードが可能になったため、8 ビット ワード サイズで登場しました。初期の 8 ビット CPU ( 1977 年のPET、TRS-80、Apple IIで使用されたZilog Z80やMOS Technology 6502など) は、パーソナル コンピューティングの時代を切り開きました。1970 年代半ばには、すでに多くの 16 ビット CPU が存在していました。その後 30 年間で、16 ビット、32 ビット、64 ビットのコンピューティングへの移行により、それぞれ 2 ¹⁶  = 65,536 個のユニーク ワード、2 ³²  = 4,294,967,296 個のユニーク ワード、2 ⁶⁴  = 18,​446,​744,​073,​709,​551,​616 個のユニーク ワードが可能になり、64 ビットに到達するまで、各ステップで大きな利点が得られました。64 ビットから 128 ビットのコンピューティングに移行すると、レジスタ内の可能な値の数が約 18京(1.8 × 10 ¹⁹）から340ウンデシリオン（3.4 × 10 ³⁸ ) という数字は、多くの一意の値が決して利用されないためです。したがって、2 ^{128 個の}値を格納できるレジスタでは、家庭用コンピューティングやゲームでは、64 ビット コンピューティングを超える利点はありません。ワード サイズが大きい CPU は、より多くの回路を必要とし、物理的に大きくなり、より多くの電力を必要とし、より多くの熱を発生します。したがって、現在、128 ビットの整数またはアドレスで動作するように構築された主流の汎用プロセッサはありませんが、128 ビットのデータ チャンクで動作するための特殊な方法を備えたプロセッサが多数あります。これらは § 履歴で説明されています。

128ビットバイトアドレス指定を持つプロセッサは、2 ¹²⁸（3.40 × 10 ³⁸バイトとなり、2018年時点で地球上でキャプチャ、作成、複製されたデータの総量は約33 ゼタバイト（2 ⁷⁴ バイト以上）と推定されており、これを大幅に上回ることになる。^[1]

128 ビット レジスタには 2 ¹²⁸ (3.40 × 10 ³⁸以上) の異なる値を格納できます。128ビットに格納できる整数値の範囲は、使用される整数表現によって異なります。最も一般的な2つの表現では、範囲は、（符号なし）2進数として表現する場合は0から340、​282、​366、​920、​938、​463、​463、​374、​607、​431、​768、​211、​455 （2 ¹²⁸ − 1）で、2進数として表現する場合は-170、​141、​183、​460、​469、​231、​731、​687、​303、​715、​884、​105、​728（-2 ¹²⁷）から170、​141、​183、​460、​469、​231、​731、​687、​303、​715、​884、​105、​727 （2 2の補数として表現する場合は¹²⁷ − 1となります。

4 倍精度 (128 ビット) 浮動小数点数は、113 ビットの固定小数点数または整数を精度を失うことなく正確に保存できます (特に 64 ビット整数)。4 倍精度浮動小数点数は、観測可能な宇宙の任意の位置を少なくともマイクロメートルの精度で表現することもできます。 ^{[引用が必要]}

Decimal128 浮動小数点数は、最大 34 桁の有効数字を持つ数値を表すことができます。

128ビットのマルチコンパレータは1976年に研究者によって説明されました。^[2]

IBM System/360 Model 85 [ ^3]およびIBM System/370とその後継機は、128ビット浮動小数点演算をサポートしています。

シーメンス7.700および7.500シリーズのメインフレームとその後継機は128ビット浮動小数点演算をサポートしています。^[4]

最近の CPU のほとんどは、単一命令複数データ(SIMD) 命令セット (ストリーミング SIMD 拡張命令、AltiVecなど) を備えており、128 ビットのベクター レジスタを使用して、4 つの 32 ビット浮動小数点数などの複数の小さな数値を格納します。単一の命令で、これらすべての値を並列に操作できます。ただし、これらのプロセッサは、長さが 128 の 2 進数である個々の数値を操作するのではなく、ベクター レジスタのみが 128 ビットのサイズを持ちます。

DEC VAX は、128 ビット整数 ('O' またはオクタワード) および 128 ビット浮動小数点 ('H-float' または HFLOAT) データ型の演算をサポートしていました。このような演算のサポートは、標準機能ではなく、アップグレード オプションでした。VAX のレジスタは 32 ビット幅であったため、128 ビット演算では、連続する 4 つのレジスタまたはメモリ内の 4 つのロングワードが使用されました。

ICL 2900 シリーズは128 ビットのアキュムレータを備え、その命令セットには 128 ビットの浮動小数点演算とパック 10 進演算が含まれていました。

1999年に研究者によって128ビットのマルチメディア拡張機能を備えたCPUが設計された。^[5]

第6世代のビデオゲーム機の中で、ドリームキャストとプレイステーション2は、その機能を説明するためにマーケティングで128ビットという用語を使用しました。プレイステーション2のCPUは128ビットのSIMD機能を備えていました。^{[6] [7]}どちらのコンソールも128ビットのアドレッシングや128ビットの整数演算をサポートしていませんでした。

2016年のRISC -V ISA仕様には128ビットバージョンのアーキテクチャの予約が含まれていますが、そのような大きなワードサイズでの実用的な経験がまだほとんどないため、詳細は意図的に未定義のままになっています。^[8]

コンパイラが、例えばレジスタサイズが64ビット未満のアーキテクチャで64ビット整数演算をエミュレートするのと同じように、一部のコンパイラは128ビット整数演算もサポートしています。たとえば、 GCC Cコンパイラ4.6以降には、一部のアーキテクチャ用の128ビット整数型があります__int128。^[9] GCCおよび互換コンパイラは、マクロ__SIZEOF_INT128__が定義されているときに128ビット演算の存在を通知します。^[10] Cプログラミング言語の場合、128ビットのサポートは、たとえばint128_t型を介してオプションであるか、コンパイラ固有の拡張機能によって実装できます。Rustプログラミング言語には、128ビット整数のサポートが組み込まれており（元々はLLVM経由）、すべてのプラットフォームで実装されています。^[11] Cコンパイラによって提供される128ビット型は、モジュールを介してPerlで使用できます。^[12]Math::Int128

• ユニバーサルユニーク識別子(UUID) は 128 ビットの値で構成されます。
• IPv6 は、コンピュータ ネットワーク トラフィックを 128 ビットのアドレス範囲にルーティングします。
• ZFS は128 ビットのファイル システムです。
• 128 ビットは、暗号化における対称暗号の共通キー サイズであり、ブロック暗号の共通ブロック サイズです。
• IBM iマシン・インターフェースは、すべてのポインタを 128 ビットとして定義しています。マシン・インターフェース命令は、必要に応じてハードウェアの実際の命令セットに変換されるため、ソフトウェアを再コンパイルすることなく、基礎となるハードウェアを変更できます。過去のハードウェアは48 ビット・アドレッシングのCISC命令セットでしたが、現在のハードウェアは 64 ビットのPowerPC / Power ISAです。PowerPC/Power ISA 実装では、最初の 4 バイトには参照されるオブジェクトのタイプを識別するために使用される情報が含まれ、最後の 8 バイトは仮想メモリ・アドレスとして使用されます。^[13]残りの 4 バイトは未使用であり、将来コードを変更することなく、IBM i アプリケーションを 96 ビット・アドレッシングに拡張できるようになります。
• ワード サイズを大きくすると、暗号化に応用される多重精度数学ライブラリの速度が向上し、複雑な数学処理 (数値解析、信号処理、複雑な写真編集、オーディオおよびビデオ処理)で使用されるアルゴリズムの速度が向上する可能性があります。
• MD5 は128 ビットのハッシュ値を生成するハッシュ関数です。
• Apache Avroは、データファイルを効率的に分割するために、128ビットの乱数を同期マーカーとして使用します。^{[14] [15]}