2022年9月14日在Linux Plumbers Conference (LPC)会议上，Oracle的Matthew Wilcox宣讲了名为“Zettalinux: It's Not Too Late To Start”的报告，提出了尽快开始128位Linux开发的愿景。之后http://LWN.net发表了名为“The Road to Zettalinux”的文章并被广泛转载。这些都说明128位计算机系统的研究已经开始被工业界关注。

什么是128位计算机系统

计算机系统中大体上分为三种位宽（bit widith），指令位宽、数据位宽、地址（指针）位宽。当前指令和数据都已经存在128位以上的位宽，但是地址（指针）位宽最大只是64位，即所谓64位计算机。一般的，128位计算机的处理器应该具有128位宽的通用寄存器，具有128位的地址（指针）类型，线性地址位宽应该超过64位，具有超过2的64次方字节的用户地址空间。

为什么需要128位计算机系统

Matthew Wilcox主要从文件尺寸的发展趋势上给出128位操作系统的需求。回顾历史从32位到64位操作系统的主要驱动力就是对大尺寸文件的支持。文件尺寸增长趋势预测到2040年用户需要8EiB（2的60次方）的文件支持，只是单文件就需要63位线性地址位宽，操作系统应该在2035年完成支持。目前CPU处理器的最大57位线性地址位宽最大只能支持64PiB（2的50次方）。

从计算机用户地址空间的视角，Matthew Wilcox认为到2035年就应该出现支持128位用户地址空间的CPU处理器。

另外，本文认为值得注意的是无论CPU/GPU/TPU/DPU/NPU/FPGA等各种计算单元，还是新型存储工艺/统一共享内存/分层存储/分离存储/RDMA/NUMA/存算一体等等分布式存储系统，在地址空间上的需求是一致的的。

从更宏大的背景上看，大数据是未来信息技术的主要特征。据Statista网站分析，2023年大约每天产生的数据约为0.33 zetabytes，全年产生约120zettabytes数据，到2025年全年产生181zettabytes的数据，大概平均每年增长22%左右。按此趋势，到2035年全年新增数据将达到1.32yattabytes。Zetta量级的数据需要2的70次方空间表示，Yatta两级的数据需要2的80次方空间表示。

人工智能是未来信息技术的主要应用模式，而机器学习是主要计算范式。目前DNN模型的参数规模非常的庞大，例如大模型GPT-3具有175 Billion参数，如果每个参数用半精度浮点FP16表示，需要326GB的存储空间。据估算GPT-4具有100 Trillion参数，估计所需存储空间将达到200TB量级。而且机器学习大模型的规模仍然在加速增长。

https://medium.com/riselab/ai-and-memory-wall-2cb4265cb0b8

如何开展128位计算机系统研发

首先，128位RISC-V指令系统架构研究，开发指令级模拟器和系统集模拟器。笔者认为尤其关键的是128位虚拟内存的研究，解决虚实地址转换（MMU/TLB）相关的性能瓶颈和硬件开销，需要新型的有别于传统树形页表结构的虚拟内存系统。近些年出现的大量新型TLB研究，如混合大页TLB，Hash TLB和Range TLB，都是很好的技术积累。

其次，支持128位计算机系统的编程语言和编译器，Matthew Wilcox在报告中给出了一些Linux内核和C语言中128位指针类型表示的建议。CHERI项目已经在128位指针支持方面做了大量的工作，并联合ARM开展原型芯片和计算机系统的开发，在编译器和操作系统方面都积累了大量的成果，是未来128位计算机系统研发的重要技术积累。但值得注意的是CHERI的指针虽然是128/256位的，但是线性地址位宽仍然是64位，指针的高位保存的是支持内存安全检查的指针标记，因此CHERI并不能算作是纯128位计算机系统。与CHERI类似的还有IBM i virtual instruction set，是在IBM System/38 AS400等的基础上发展而来的。但也是采用标记指针（Tagged Pointer）的技术，只支持64位地址空间。

再次，支持128位计算机系统的Linux操作系统。Sun/Oracle开发的OpenZFS（Zettabyte File System）是128位的文件系统，是128位操作系统的重要研究基础。ZFS在32/64位计算机上开发，通过系统调用和函数库将128位指针拆分成64位计算和寻址。

总之，大数据应用对128位计算机的需求非常急迫，世界上128位计算机系统的指令系统架构、编程语言和编译器、操作系统内核和文件系统等等已经存在一定技术积累。128位计算机系统的研究势在必行，是未来信息技术发展的基础性研究和新赛道，应该引起工业界和学术界的广泛重视。马上开始行动！