Athlon 64 X2 (posteriormente renomeados para Athlon X2) em sua maioria são baseados na arquitetura K8*, lá dos primeiros Athlon 64, enquanto os Athlon II X2 são baseados na arquitetura K10, inaugurada com o Phenom.
* Saíram alguns Athlon X2 baseados na arquitetura K10 também.
K10 é uma revisão da arquitetura K8 com algumas melhorias, as principais são caminho interno de dados de 128 bits, cache L3 compartilhado entre os núcleos em alguns modelos, HyperTransport 3.0, SSE4a, "split planes" (alimentação separada para o controlador de memória -- suportado a partir do soquete AM2+), suporte a DDR3 quando instalados em placas AM3.