Athlon 64 X2 este primul procesor cu doua nuclee fabricat de AMD. A fost lansat in 2005, la o saptamana dupa lansarea Venice si San Diego. Initial a avut doua revizii de nuclee valabile, Manchester si Toledo, singura diferenta intre ele fiind cantitatea de cache-ul L2. Ambele au fost lansate pentru socket 939, ca raspuns la procesorul cu doua nuclee de la Intel, Pentium D. Este constituit din 2 nuclee Athlon 64 unite pe o singura placheta cu control logic aditional. Nucleele impart un controler de memorie dual-channel, fiind bazate pe revizia E a lui Athlon 64, in functie de model avand 512 sau 1024 de KB de cache L2 pe nucleu. Athlon 64 X2 este capabil sa decodeze instructiuni SSE3 (in afara de cele specifice arhitecturii Intel), astfel putand beneficia de optimizarile software suportate ulterior doar de procesoarele Intel. Aceasta aditie de suport SSE3 nu este unica pentru X2, fiind suportata si de nucleele anterioare Venice si San Diego. In 2007, AMD a lansat variante cu voltaj scazut ale variantei low-end pe 65 de nanometri a lui Athlon 64 X2, denumita Athlon X2. Aceasta varianta a scazut TDP-ul procesorului pana la 45 de W. Principalul beneficiu al procesoarelor cu mai multe nuclee, asa cum este X2 este abilitatea acestora de a procesa mai multe instante software in acelasi timp. Aceasta abilitate se numest TLP (Thread Level Parallelism). Prin implementarea a doua nuclee pe aceeasi placheta a CPU, X2 reuseste dublarea TLP-ului fata de un Athlon 64 cu un singur nucleu la aceeasi viteza. Anumite programe sunt scrise pentru rularea cu o singura instanta, nefiind astfel capabile sa beneficieze de procesoarele cu doua nuclee.
Nucleele pentru Athlon 64 X2 sunt:
Manchester (90 nm)
Toledo (90 nm)
Windsor (90 nm)
Brisbane (65 nm)
Nucleele pentru Athlon X2 sunt:
Brisbane (65 nm)