Longtemps attendue et de multiples fois reportée (notamment du fait de la technologie de gravure employée), l'architecture K8 apporte de nombreuses innovations sans toutefois être une révolution technologique. En effet, elle est très fortement basée sur l'architecture K7, avec ses qualités intrinsèques reconnues (notamment sur le plan de l'efficacité de traitement) mais aussi ses défauts, le plus flagrant étant ses difficultés à monter en fréquence. Et ce problème n'est pas résolu étant donné qu'aujourd'hui l'Athlon 64 le plus hautement cadencé ne tourne qu'à 2.6 Ghz.

Voici un résumé des apports de l'Athlon 64 par rapport à l'architecture K7 :

l'intégration du jeu d'instructions SSE2 jusqu'alors réservé au Pentium 4. Pour rappel, il permet d'optimiser les applications en automatisant certaines fonctions/tâches tout en réduisant le taux d'occupation du processeur.

l'intégration du contrôleur mémoire au sein du processeur qui jusqu'alors était exclusivement géré par la carte mère. Ceci permet de réduire les temps de latences et d'ainsi augmenter les performances globales de la machine.

l'intégration du contrôleur HyperTransport dont le bus relie le processeur au southbridge et qui reliait auparavant le SPP/IGP et le MCP dans les premiers chipsets nForce.

l'ajout des instructions 64 bits qui bien qu'étant très peu employées par les diverses applications et jeux aujourd'hui, le sont bien plus dans le monde Linux qui a pris une bonne avance face à Microsoft. Ce dernier, suite à l'implémentation des instructions 64 bits sur les derniers processeurs Intel, a une nouvelle fois retardé la sortie de sa version 64 bits de Windows XP disponible gratuitement en version bêta et limité dans son utilisation jusqu'à la fin de l'année.

augmentation du nombre de niveaux de pipelines qui est passé de 10 pour le K7 à 12 pour le K8.