Я использую Linux x86_64 и clang 3.3.

Это вообще возможно в теории?

std::atomic<__int128_t> не работает (неопределенные ссылки на некоторые функции).

__atomic_add_fetch также не работает («ошибка: пока не удалось скомпилировать этот атомарный вызов библиотеки»).

Обеstd::atomic а также__atomic_add_fetch работать с 64-битными числами.