x86-64 (còn gọi là x64, x86_64, AMD64 và Intel64) là phiên bản mở rộng 64bit của tập lệnh x86. Nó giới thiệu hai chế độ hoạt động mới, chế độ 64 bit và chế độ tương thích, cùng với chế độ phân trang 4 cấp độ mới. Với chế độ 64 bit và chế độ phân trang mới, nó hỗ trợ bộ nhớ ảo và bộ nhớ vật lý lớn hơn rất nhiều so với các phiên bản trước 32 bit, cho phép các chương trình lưu trữ lượng dữ liệu lớn hơn trong bộ nhớ. x86-64 cũng mở rộng các thanh ghi mục đích chung thành 64 bit, cũng như mở rộng số lượng của chúng từ 8 (một số trong đó có chức năng giới hạn hoặc cố định, ví dụ như để quản lý ngăn xếp) thành 16 (hoàn toàn chung) và cung cấp nhiều cải tiến khác. Các thao tác dấu phẩy động được hỗ trợ thông qua các nhóm lệnh giống như SSE2 bắt buộc và các thanh ghi kiểu x87/MMX thường không được sử dụng (nhưng vẫn khả dụng ngay cả ở chế độ 64 bit); thay vào đó, một bộ gồm 32 thanh ghi vector, mỗi thanh 128 bit, được sử dụng (Mỗi thanh có thể lưu một hoặc hai số kép hoặc một đến bốn số đơn hoặc các định dạng số nguyên khác nhau.) Trong chế độ 64 bit, các nhóm lệnh được sửa đổi để hỗ trợ toán hạng 64 bit và chế độ địa chỉ 64 bit. Chế độ tương thích cho phép các ứng dụng người dùng 16 và 32 bit chạy cùng tồn tại không thay đổi với các ứng dụng 64 bit nếu hệ điều hành 64 bit hỗ trợ chúng. Vì các tập lệnh x86 16 bit và 32 bit đầy đủ vẫn được triển khai trong phần cứng mà không có bất kỳ mô phỏng can thiệp nào, các tệp thực thi cũ này có thể chạy với ít hoặc không có hình phạt hiệu năng, trong khi các ứng dụng mới hơn hoặc được sửa đổi có thể tận dụng các tính năng mới của thiết kế bộ xử lý để đạt được cải tiến hiệu suất. Ngoài ra, bộ xử lý hỗ trợ x86-64 vẫn bật ở chế độ thực để tương thích ngược hoàn toàn Thông số ban đầu, được tạo bởi AMD và phát hành năm 2000, đã được AMD, Intel và VIA triển khai. Bộ xử lý AMD K8 là bản đầu tiên thực hiện nó. Đây là sự bổ sung đáng kể đầu tiên cho kiến trúc x86 được thiết kế bởi một công ty khác ngoài Intel. Intel đã buộc phải tuân theo và giới thiệu một họ NetBurst đã được sửa đổi, tương thích với phần mềm với đặc điểm kỹ thuật của AMD. VIA Technologies giới thiệu x86-64 trong kiến trúc VIA Isaiah của họ, với VIA Nano. Kiến trúc x86-64 khác với kiến trúc Intel Itanium (trước đây là IA-64), không tương thích ở cấp độ tập lệnh gốc với kiến trúc x86. Các hệ điều hành và ứng dụng được viết cho cái này không thể chạy trên cái kia. AMD64 được tạo ra để thay thế cho kiến trúc IA-64 hoàn toàn khác, được thiết kế bởi Intel và Hewlett Packard. Được công bố lần đầu vào năm 1999 trong khi thông số kỹ thuật đầy đủ có sẵn vào tháng 8 năm 2000, kiến trúc AMD64 được AMD định vị ngay từ đầu như một cách tiến hóa để thêm khả năng tính toán 64 bit vào kiến trúc x86 hiện tại, trái ngược với cách tiếp cận của Intel là tạo ra một cách hoàn toàn kiến trúc 64 bit mới với IA-64. Bộ xử lý dựa trên AMD64 đầu tiên, Opteron, được phát hành vào tháng 4 năm 2003. Đặc điểm xác định chính của AMD64 là sự sẵn có của các thanh ghi bộ xử lý đa năng 64 bit (ví dụ, rax và rbx), các phép toán số học và logic số nguyên 64 bit và các địa chỉ ảo 64 bit. Các nhà thiết kế đã nắm lấy cơ hội để thực hiện các cải tiến khác là tốt. Một số thay đổi quan trọng nhất được mô tả dưới đây. Mặc dù địa chỉ ảo rộng 64 bit ở chế độ 64 bit, nhưng việc triển khai hiện tại (và tất cả các chip được biết là đang trong giai đoạn lập kế hoạch) không cho phép sử dụng toàn bộ không gian địa chỉ ảo 264 bytes (16 EB). Con số này sẽ gấp khoảng bốn tỷ lần kích thước của không gian địa chỉ ảo trên các máy 32 bit. Hầu hết các hệ điều hành và ứng dụng sẽ không cần một không gian địa chỉ lớn như vậy trong tương lai gần, do đó, việc triển khai các địa chỉ ảo rộng như vậy chỉ đơn giản là làm tăng sự phức tạp và chi phí dịch địa chỉ mà không có lợi ích thực sự. Do đó, AMD đã quyết định rằng, trong lần triển khai đầu tiên của kiến ​​trúc, chỉ có 48 bit quan trọng nhất của một địa chỉ ảo thực sự sẽ được sử dụng trong dịch địa chỉ (tra cứu bảng trang). Ngoài ra, đặc tả AMD yêu cầu 16 bit quan trọng nhất của bất kỳ địa chỉ ảo nào, các bit 48 đến 63, phải là bản sao của bit 47 (theo cách gần giống với ký hiệu mở rộng). Nếu yêu cầu này không được đáp ứng, bộ xử lý sẽ đưa ra một ngoại lệ. Địa chỉ tuân thủ quy tắc này được gọi là "mẫu canonical." Địa chỉ dạng Canonical chạy từ 0 đến 00007FFF'FFFFFFFF, và từ FFFF8000'00000000 đến FFFFFFFF'FFFFFFFF, với tổng số 256TB không gian địa chỉ ảo có thể sử dụng. Con số này vẫn lớn hơn 65.536 lần so với không gian địa chỉ 4GB ảo của các máy 32 bit. Tính năng này giúp giảm khả năng mở rộng sau này thành địa chỉ 64 bit thực sự. Nhiều hệ điều hành (bao gồm, nhưng không giới hạn ở họ Windows NT) tự lấy một nửa không gian địa chỉ (địa chỉ kernel) có địa chỉ cao hơn và để lại một nửa địa chỉ thấp hơn (không gian người dùng) cho mã ứng dụng, chế độ người dùng ngăn xếp, đống, và các vùng dữ liệu khác. Thiết kế "địa chỉ canonical" đảm bảo rằng mọi triển khai tuân thủ AMD64 đều có hai nửa bộ nhớ, nửa dưới bắt đầu từ 00000000'00000000 và "tăng lên" khi có nhiều bit địa chỉ ảo hơn, trong khi nửa cao hơn được "neo" đến đỉnh của không gian địa chỉ và mở rộng xuống dưới. Ngoài ra, việc triển khai " kiểu canonical" của các địa chỉ bằng cách kiểm tra các bit địa chỉ không được sử dụng sẽ ngăn hệ điều hành sử dụng chúng trong các con trỏ được gắn thẻ như cờ, đánh dấu đặc quyền, v.v. địa chỉ bit. Các phiên bản Windows đầu tiên cho x64 thậm chí không sử dụng đủ 256 TB; chúng bị giới hạn chỉ 8 TB không gian người dùng và 8 TB không gian kernel. Windows không hỗ trợ toàn bộ không gian địa chỉ 48 bit cho đến Windows 8.1, được phát hành vào tháng 10 năm 2013. Chế độ địa chỉ 64 bit ("long mode") là Physical Address Extensions (PAE); do đó, kích thước trang có thể là 4 KB (212 bytes) hay 2 MB (221 bytes). Long mode ũng hỗ trợ kích thước trang là 1 GB (230 bytes). Rather than the three-level page table system used by systems in PAE mode, systems running in long mode use four levels of page table: PAE's "Page-Directory Pointer Table" is extended from four entries to 512, and an additional "Page-Map Level 4 (PML4) Table" is added, containing 512 entries in 48-bit implementations. A full mapping hierarchy of 4 KB pages for the whole 48-bit space would take a bit more than 512 GB of memory (about 0.195% of the 256 TB virtual space). Intel đã đề xuất một sơ đồ với bảng trang năm cấp. Nếu được triển khai, điều này sẽ cho phép bộ xử lý Intel 64 hỗ trợ không gian địa chỉ ảo 57 bit. Hệ điều hành cũng có thể giới hạn không gian địa chỉ ảo. Chi tiết, nếu có, được đưa ra trong phần "Đặc điểm và tính tương thích của hệ điều hành". Bộ xử lý AMD64 hiện tại hỗ trợ không gian địa chỉ vật lý lên tới 248 bytes RAM, hay 256 TB. Tuy nhiên, , không có bo mạch chủ x86-64 nào hỗ trợ RAM 256 TB. Hệ điều hành có thể đặt giới hạn bổ sung cho dung lượng RAM có thể sử dụng hoặc được hỗ trợ. Chi tiết về điểm này được đưa ra trong phần "Đặc điểm và tính tương thích của hệ điều hành" của bài viết này. AMD64 được tạo ra để thay thế cho kiến trúc IA-64 hoàn toàn khác, được thiết kế bởi Intel và Hewlett Packard. Được công bố lần đầu vào năm 1999 trong khi thông số kỹ thuật đầy đủ có sẵn vào tháng 8 năm 2000, kiến trúc AMD64 được AMD định vị ngay từ đầu như một cách tiến hóa để thêm khả năng tính toán 64 bit vào kiến trúc x86 hiện tại, trái ngược với cách tiếp cận của Intel là tạo ra một cách hoàn toàn kiến trúc 64 bit mới với IA-64. Bộ xử lý dựa trên AMD64 đầu tiên, Opteron, được phát hành vào tháng 4 năm 2003. VIA Technologies đã giới thiệu triển khai đầu tiên của họ về kiến trúc x86-64 vào năm 2008 sau năm năm phát triển bởi bộ phận, Centaur Technology. Tên mã "Isaiah", kiến trúc 64 bit được công bố vào ngày 24 tháng 1 năm 2008, và ra mắt vào ngày 29 tháng 5 dưới tên thương hiệu VIA Nano. Bộ xử lý hỗ trợ một số phần mở rộng x86 dành riêng cho VIA được thiết kế để tăng hiệu quả trong các thiết bị năng lượng thấp. Dự kiến kiến trúc Isaiah sẽ có hiệu suất số nguyên nhanh gấp hai lần và nhanh gấp bốn lần hiệu suất điểm nổi so với VIA Esther thế hệ trước với tốc độ xung nhịp tương đương. Mức tiêu thụ năng lượng cũng được dự kiến sẽ ngang bằng với các CPU VIA thế hệ trước, với công suất thiết kế nhiệt dao động từ 5 W đến 25 W. Là một thiết kế hoàn toàn mới, kiến trúc Isaiah được xây dựng với sự hỗ trợ cho các tính năng như thiết lập x86-64 và ảo hóa x86 không khả dụng trên các phiên bản trước, dòng VIA C7, trong khi vẫn giữ lại các phần mở rộng mã hóa của chúng.