64位元

64位元最大的記憶體上限是“16 EiB”，即1677萬7216 TiB、或171億7986萬9184 GiB。即使是目前世界最大的內存，其容量也远远低于这个上限，故64位元在現實世界中可暫時視做為無限大。

記憶體的大小的算法是“2的XX次方”，例如16位元位的內存上限是“2的16次方”即65536=64 KiB，而32位元為“2的32次方”即4,294,967,296 B=4 GiB，以此類推而64位元就是“2的64次方”即17179869184 GiB=16777216 TiB=16384 PiB=16 EiB。

64位元的上限足足有171億GiB，這已經完全滿足了個人所能用到的全部儲存量；不過仍應提到，直至2007年IBM的System/370及後繼者使用128位元浮點數，且許多現代處理器也內含128位元浮點數暫存器；System/370及後繼者尤其顯著，在這方面，他們也使用多達16位元組的可變長度十進制數（即128位元）。

早在1960年代，64位架构便已存在於当时的超級電腦，且早在1990年代，就有以RISC為基礎的工作站和伺服器。2003年才以x86-64和64位元PowerPC處理器架構的形式引入到（在此之前是32位元）個人電腦領域的主流。

目前大部分的CPU（截至2005年），其單個暫存器可存放虛擬記憶體中任意資料的記憶體位址（本機）。因此，虛擬記憶體（電腦在程式的工作區域中所能保留的資料總量）中可用的位址取決於暫存器的寬度。自1960年的IBM System/360起，然後1970年的 DEC VAX微型電腦，以及1980年中期的Intel 80386，在事實上一致開發合用的32位元大小的暫存器。32位元暫存器意味著2³²的位址，或可使用4 GB的記憶體。當時在設計這些架構時，4GB的記憶體遠遠超過一般所安裝的可用量，而認為已足夠用於定址。認為4GB位址為合適的大小，還有其它重要的理由：在應用程式中，如資料庫，42億多的整數已足夠對大部分可計算的實體分配唯一的參考引用。

然而在1990年初，成本不斷降低的記憶體，使安裝的記憶體數量逼近4GB，且在處理某些類型的問題時，可以想像虛擬記憶體的使用空間將超過4GB上限。而64位元系统的记忆体上限非常高，因此一些公司開始釋出新的64位元架構晶片家族，最初是提供給超級電腦、頂級工作站和伺服器機器。64位元運算逐漸流向個人電腦，在2003年，某些型號的苹果公司Macintosh產生線轉向PowerPC 970處理器（苹果公司稱為「G5」），並在2006年，轉向EM64T處理器，且x86-64處理器在頂級的PC中遂漸普及。64位元架構的出現，有效的將記憶體上限提升至2⁶⁴位址，相當於1844多京或16 EB的記憶體。從這個角度來看，在4 MB主記憶體很普遍時，最大的記憶體上限2³²的位址大約是一般安裝記憶體的1000倍。如今，當1GB的主記憶體很普遍時，2⁶⁴的位址上限大約是1百億倍。

今天市面上大部分的消費級PC存在著人為的記憶體限制，因受限於實體上的限制，而幾乎不太可能需要用到16EB的容量。舉例來說，Apple的Mac Pro最多可安裝實體記憶體至128GB，而無必要支援超過的大小。最新的Linux核心（版本3.11.2）可編譯成最高支援64GB的記憶體。

• 1961年：IBM發表IBM 7030 Stretch 超級電腦。它使用64位元資料字組，以及32或64位元的指令字組。
• 1974年：Control Data Corporation推出CDC Star-100向量超級電腦，它使用64位元字組架構（先前的CDC系統是以60位元架構為基礎）。
• 1976年：Cray Research發表第一台Cray-1超級電腦。它以64位元字組架構為基礎，它成為後來的Cray向量超級電腦的基礎。
• 1983年：Elxsi推出Elxsi 6400平行微型超級電腦。Elxsi架構具有64位元資料暫存器，不過位址空間仍是32位元。
• 1991年：MIPS科技公司生產第一台64位元微處理器，作為MIPS RISC架構R4000的第三次修訂版本。該款CPU使用於以IRIS Crimson啟動的SGI圖形工作站。然而，IRIX 作業系統並未包含對R4000的64位元支援，直到1996年釋出IRIX 6.2為止。Kendall Square Research發表他們的第一台KSR1超級電腦，以專有的執行於OSF/1的64位元RISC處理器架構為基礎。
• 1992年：Digital Equipment Corporation（DEC）引入純64位元Alpha架構，其誕生自PRISM專案。
• 1993年：DEC釋出64位元OSF/1 AXP 類Unix作業系統（後來改名為Tru64 UNIX）和OpenVMS作業系統給Alpha系統。
• 1994年：Intel宣布64位元IA-64架構的進度表（與HP共同開發）作為其32位元IA-32處理器的繼承者。以1998–1999推出時間為目標。SGI釋出IRIX 6.0，即支援64位元的R8000 CPU。
• 1995年：Sun推出64位元SPARC處理器UltraSPARC。富士通所有的HAL電腦系統推出以64位元CPU為基礎的工作站，HAL獨立設計的第一代SPARC64。IBM釋出64位元AS/400系統，能夠轉換作業系統、資料庫、應用程式的升級。DEC釋出OpenVMS Alpha 7.0，第一個全64位元版本的OpenVMS for Alpha。
• 1996年：HP釋出PA-RISC處理器架構的64位元2.0版本的實作PA-8000。任天堂引入Nintendo 64電視遊戲主機，以低成本的MIPS R4000變體所打造。
• 1997年：IBM釋出RS64全64位元PowerPC處理器。
• 1998年：IBM釋出POWER3全64位元PowerPC/POWER處理器。Sun釋出Solaris 7，以完整支援64位元UltraSPARC。
• 1999年：Intel釋出IA-64架構的指令集。AMD首次公開64位元集以擴充給IA-32，稱為x86-64（後來改名為AMD64）。
• 2000年：IBM推出他自己的第一個相容ESA/390的64位元大型電腦zSeries z900，以及新的z/OS作業系統。緊接著是64位元Linux on zSeries。
• 2001年：Intel推出64位元處理器產品線，標記為Itanium，主打頂級伺服器。但因價錢太高(Itanium 9560價錢約為4650美金)，因一再拖延IA-64市場而導致失敗。Linux是第一個可執行於該處理器的作業系統。
• 2002年：Intel引入Itanium 2作為Itanium的繼承者。
• 2003年：AMD產出他的AMD64架構Opteron以及Athlon 64處理器產品線。苹果也推出了64位元「G5」PowerPC 970 CPU courtesy of IBM，並連同升級他的Mac OS X作業系統，其增加對64位元模式的部分支援。若干Linux 發行版本釋出對AMD64的支援。微軟宣布將為AMD晶片建立新的Windows作業系統。Intel堅持Itanium晶片仍維持只有64位元的處理器。
• 2004年：Intel承認AMD在市場上的成功，並著手開發AMD64延伸的替代品，稱為IA-32e，稍後改名為EM64T。升級版本的Xeon和Pentium 4處理器家族支援了新推出的指令。Freescale宣布64位元e700 core，以繼承PowerPC G4系列。VIA Technologies宣布64位元的Isaiah處理器。[1]
• 2005年：Sun於1月31日釋出支援AMD64和EM64T處理器的Solaris 10。3月，Intel宣布他的第一個雙核心EM64T處理器Pentium Extreme Edition 840和新的Pentium D晶片將於2005第二季推出。4月30日，微軟公開釋出提供給AMD64和EM64T處理器的Windows XP Professional x64 Edition。5月，AMD引入他的第一個雙核心AMD64 Opteron伺服器CPU，並宣布其桌上型版本，稱為Athlon 64 X2。將原本的Athlon 64 X2（Toledo）處理器改為兩個核心，並為每個核心的L2配上1 MB快取記憶體，以大約2.332億個電晶體組成。它有199 mm²那麼大。7月，IBM宣布他最新的雙核心64位元PowerPC 970MP（codenamed Antares），由IBM和Apple使用。微軟釋出Xbox 360遊戲主機，其使用由IBM生產的64位元、三核心Xenon PowerPC處理器。
• 2006年：雙核心Montecito Itanium 2處理器進入生產。Sony、IBM、Toshiba開始生產用於PlayStation 3、伺服器、工作站以及其它應用的64位元Cell處理器。蘋果公司在新的Mac Pro和Intel Xserve電腦中採用64位元EM64T Xeon處理器，稍後更新iMac、MacBook、MacBook Pro使用EM64T Core 2處理器。
• 2013年：Apple推出世界上第一款64位智能手机iPhone 5s，采用ARM架构A7处理器；同年晚些时候，Apple推出iPad Air，采用同款处理器，将64位处理器带入移动设备。
• 2014年：HTC推出世界上第一款以Android系統的64位元處理器手機HTC Desire 820

從32位元到64位元架構的改變是一個根本的改變，因為大多數作業系統必須進行全面性修改，以取得新架構的優點。其它軟體也必須進行移植，以使用新的性能；較舊的軟體一般可藉由硬體相容模式（新的處理器支援較舊的32位元版本指令集）或軟體模擬進行支援。或者直接在64位元處理器裡面實作32位元處理器核心（如同Intel的Itanium處理器，其內含有x86處理器核心，用來執行32位元x86應用程式）。支援64位元架構的作業系統，一般同時支援32位元和64位元的應用程式。

明顯的例外是AS/400，其軟體執行在虛擬的指令集架構，稱為TIMI（技術獨立機器界面），它會在執行之前，以低階軟體轉換成原生機器碼。低階軟體必須全部重寫，以搬移整個OS以及所有的軟體到新的平台。例如，當IBM轉移較舊的32/48位元「IMPI」指令集到64位元PowerPC（IMPI完全不像32位元PowerPC，所以這比從32位元版本的指令集轉移到相同指令集的64位元版本的規模還要龐大）。

64位元架構無疑可應用在需要處理大量資料的應用程式，如數位視訊、科學運算、和早期的大型資料庫。在其它工作方面，其32位元相容模式是否會快過同等級的32位元系統，這部分已有很多爭論。在x86-64架構（AMD64和Intel 64）中，主要的32位元作業系統和應用程式，可平滑的執行於64位元硬體上。

Sun的64位元Java虛擬機的啟動速度比32位元虛擬機還慢，因為Sun仍假定所有的64位元機器都是伺服器，而且只有為64位元平台實作「伺服器」編譯器（C2）。[2]「客戶端」編譯器（C1）產生較慢的代碼，不過編譯較快速。所以儘管在64位元JVM的Java程式在一段很長的週期會執行的較好（一般為長時間運作的「伺服器」應用程式），它的啟動時間可能更久。對於短生命期的應用程式（如Java編譯器javac）增加啟動時間可控制執行時間，使64位元的JVM整體變慢。

應當指出，在比較32位元和64位元處理器時，速度並不是唯一的考量因素。應用程式，如多工、應力測試（stress testing）、叢集（clustering，用於HPC）可能更適合64位元架構以正確部署。為了以上原因，64位元叢集已廣泛部署於大型組織，如IBM、Vodafone、HP、微軟。

一個常見的誤解是：除非電腦安裝的記憶體大於4GB，否則64位元架構不會比32位元架構好。這不完全正確：

• 部分作業系統保留了一部分行程位址空間供作業系統使用，減少使用者程式可用於映射記憶體的位址空間。例如，Windows XP DLL以及userland OS元件映射到每一個行程的位址空間，即使電腦裝有4 GB的記憶體，也僅剩下2至3.8 GB（端視其設定）的可用位址空間。這個限制在64位元Windows中不會出現。
• 檔案的記憶體映射不再適合32位元架構，尤其是相對便宜的DVD燒錄技術的引入。大於4 GB的檔案不再罕見，如此大的檔案無法簡單的映射到32位元架構的記憶體，只能映射檔案的一部分範圍到位址空間，並以記憶體映射存取檔案。當有需要時，就必須將這些範圍映射進或映射出位址空間。這是一個問題，因為充裕的記憶體映射仍是從磁碟至記憶體最有效率的存取方法，如果作業系統能適當實行的話。

64位元架構主要的缺點是，相對於32位元架構，佔用相同的資料會消秏更多的記憶體空間（由於腫漲的指標，以及其它型態和對齊補白等可能）。這會增加行程對記憶體的需求，且可能會影響高效能處理器快取的使用。解決方法之一是維持一部分32位元模型，且大致合理有效。高效能導向的z/OS作業系統便採取這個方法，要求程式代碼存放在32位元位址空間的任一數字，資料物件則可（選擇性）存放在64位元區域。

目前主要的商業軟體是建立在32位元代碼，而非64位元代碼，所以不能取得在64位元處理器上較大的64位元位址空間，或較寬的64位元暫存器和資料路徑的優點。然而，免費或自由軟體作業系統的使用者已經可以使用專有的64位元運算環境。並非所有的應用程式都需要大量的位址空間或操作64位元資料項，所以這些程式不會享受到較大的位址空間或較寬的暫存器和資料路徑的好處；主要受益於64位元版本的應用程式，並不會享受到使用x86的版本，會有更多的暫存器可以使用。

64位元系統往往缺乏對應的軟體，多數軟體均按32位元架構編寫。最嚴重的問題是不相容的驅動程式。儘管32位元相容模式（又稱作模擬模式，即微軟WoW64技術）可執行大部分軟體，但通常無法執行驅動程式（或類似軟體），因為驅動程式通常在作業系統和硬體之間執行，無法使用直接模擬。許多開放源始碼軟體封包可簡單的從源始碼編譯為可執行於64位元環境作業系統，如Linux。所需的條件是供給64位元機器的編譯器（通常是gcc）。

因為裝置的驅動程式通常執行於作業系統核心（Kernel）的內部，有可能以32位元行程執行核心，同時支援64位元的使用者行程。以在核心裡的額外消耗為代價，如此可為使用者提供受益於64位元的記憶體和效能，且不破壞現存32位元驅動程式的二進制相容性。這個機制源於OS X啟用64位元行程，同時支援32位元的驅動程式。

大多數32位元軟件都在新的64位元作業系統上執行，但是防毒軟件會有相容性問題。