Im neuen Jahrtausend konnte AMD sogar die Technogieführerschaft übernehmen: Als erstes lieferte man einen 64-bit-x86-Prozessor, der zudem den North-Bridge-Speichercontroller und skalierbare Prozessor-zu Prozessor-Verbindungen auf dem Chip integrierte. Die limitierten Ressourcen von AMD und – um es diplomatisch zu formulieren – eine optimierungsfähige Produkteinführung haben dazu geführt, dass der technische Vorsprung nicht 1:1 in einen Markterfolg umgewandelt werden konnte. Auch 2006 konnte sich AMD nochmals einen Vorsprung erarbeiten, als man den ersten x86-Prozessor mit integrierter GPU ankündigte. Erneut haben Verzögerungen bei der Produkteinführung auch diese Innovation zurückgeworfen.
Schon 1999 kündigte AMD an, mit dem „Hammer“ den ersten 64-bit-x86-Prozessor bauen zu wollen. Die Opteron-Server-Prozessoren und die Athlon64-PC-Versionen vereinten drei Innovationen in einem Produkt: Die 64-bit-Erweiterungen des x86-Befhlssatzes, den On-Die-Speichercontroller für verringerte Latenzzeiten sowie Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen für Verbindung zu weiteren Prozessoren. AMD zeigte „Hammer“ zwar schon 2002, die ersten Opterons wurden jedoch erst 2003 ausgeliefert.
Die Herausforderung für AMD bestand darin, „Hummer“ sowohl was die Preisgestaltung als auch was die Energieeffizienz angeht, für den Mainstream-Markt attraktiv zu machen. Es zeigte sich, dass die 64-bit-Erweiterungen essentiell für große Server-Systeme waren und dass die Energieeffizienz durch das optimierte Chipdesign zunahm. Durch die Unterstützung von Microsoft wurden die 64-bit-Erweiterungen zum de-facto-Industriestandard. Während Intels Pentium-4-NetBurst-Architektur durch eine hohe Leistungsaufnahme auffiel, erzielten die Opteron-basierten Server von HP, IBM und Sun wachsende Marktanteile und konnten sich vor allen Dingen im Bereich Hochleistungsrechnen (High-Performance-Computing, HPC) durchsetzen, wo Kunden eher gewillt sind, neue Hersteller oder Systemarchitekturen auszuprobieren.
AMD hatte mit Athlon64 und Opteron zwei echte Gewinner-Chips und begann ab 2005, Intel Marktanteile abzunehmen. Das Problem war, dass man dank der limitierten Ressourcen bis auf weiteres keine weiteren Asse aus dem Ärmel ziehen konnte und Intel dank seiner Möglichkeiten schnell – zu schnell für AMD – wieder technisch aufschließen bzw. die Führung zurückerobern konnte: 2006 kam mit dem Core-2 der erste Multicore-Prozessor auf den Markt. AMD erreichte niemals mehr als 25 % Marktanteil und fiel bis heute wieder unter 20 % zurück (Bild 3).