Этот процессор содержит два ядра Athlon 64, выполненных на одном кристалле. Ядра имеют в своём распоряжении общий двухканальныйконтроллер памяти / северный мост и дополнительную логику управления. Первоначальные версии основаны на Athlon 64 степпинга E и, в зависимости от модели, имеют 512 или 1024 КБкэша второго уровня на каждое ядро. Athlon 64 X2 поддерживает набор инструкций SSE3 (которые ранее поддерживались только процессорами компании Intel), что позволило запускать с максимальной производительностью код, оптимизированный для процессоров Intel. Эти улучшения не уникальны для Athlon 64 X2 и также имеются в релизах процессоров Athlon 64, построенных на ядрах Venice, San Diego и Newark.
AMD официально начала поставки Athlon 64 X2 на выставке Computex 1 июня 2005 года.
Основным преимуществом двухъядерных процессоров является возможность разделения запущенных программ на несколько одновременно выполняемых потоков. Способность процессора выполнять одновременно несколько программных потоков называется параллелизм на уровне потоков (thread-level parallelism или (TLP)).
При размещении двух ядер на одном кристалле Athlon 64 X2 обладает двойным TLP по сравнению с одноядерным Athlon 64 при той же скорости. Необходимость в TLP зависит от конкретной ситуации в большей степени и в некоторых ситуациях она просто бесполезна. Большинство программ написаны с расчётом на работу в однопоточном режиме, и поэтому они просто не могут задействовать вычислительные мощности второго ядра, в то же время операционная система, поддерживающая двухъядерные процессоры (например, Windows XP SP2 и выше) использует вычислительные мощности второго ядра для собственных системных процессов.
Программы, написанные с учётом работы в многопоточном режиме и способные использовать вычислительные мощности второго ядра, включают в себя множество приложений для обработки музыки и видео, а также специфические профессиональные программы рендеринга. Программы с высоким TLP чаще используются в серверах/рабочих станциях, чем на стандартных настольных компьютерах. Многозадачность позволяет запустить множество потоков задач; интенсивное использование многозадачности становится актуально при запуске в одно и то же время более двух приложений.
Имея два ядра, Athlon 64 X2 обладает увеличенным количеством транзисторов на кристалле. Процессор Athlon 64 X2 с 1МБ КЭШа 2-го уровня имеет 233.2 миллиона транзисторов, в отличие от Athlon 64, имевшего всего 114 миллионов транзисторов. Такие размеры требуют использования для производства более тонкого технологического процесса, который позволяет добиться выхода необходимого количества исправных процессоров с одной кремниевой пластины.
'64 'Было исключено из названия Brisbane' BE 'серии; 64-разрядная маркетинговая кампания,
инициированная AMD стала незначительной, так как практически все потребительские процессоры стали 64-битными процессорами.