Mit Einführung der AMD K10 Mikroarchitektur im November 2007, wurde das Ende der K8 Ära eingeläutet. Die K10 Generation, die von Grund auf als Mehrkernprozessor konzipiert wurde, basiert auf der schon seit längerem verwendeten AMD64-Mikroarchitektur. Im ersten Familienmitglied, dem Phenom X4, wurden vier Rechenkerne untergebracht. Jeder Kern kann exklusiv auf seinen eigenen 128 KB großen L1-Cache, und 512 KB großen L2 Cache zugreifen. Der Phenom hat einen Dual Channel DDR2-Speichercontroller und unterstützt DDR2-SDRAMs mit bis zu 1066MHz. Eine der wichtigsten Neuerung aber ist ein von allen Kernen gemeinsam genutzter 2 MB großer L3-Cache.
 

Die Eckdaten der K10 Mikroarchitektur:
- 65 nm SOI Fertigungsprozess, ab der„AMD Next Generation Processor Technology“ 45 nm SOI Fertigungsprozess
- HyperTransport 3.0 Unterstützung
- Die Datenanbindung zwischen Prozessorkern und L2-Cache wurde von 128 Bit auf 256 Bit erweitert
- Alle Prozessorkerne können auf einen shared L3-Cache zugreifen
- Einführung von SSE4a
     - das pro Taktzyklus und Kern das Einlesen von zwei 128-Bit-SSE-Befehlen ermöglicht
     - es sind bis zu vier Gleitkomma-Operationen mit doppelter Genauigkeit pro Taktzyklus möglich
     - es gibt neue SSE4a-Befehle
- Mittels eines unabhängigen Speicher-Controller sind mehr DRAM-Bänke möglich
- Verbesserter Translation Lookaside Buffer
     - der TLB unterstützt 1 GB große Pages
     - jeder Prozessorkern adressiert den Speicher mit 48 Bit gegenüber 40 Bit beim K8
     - es kann ein Speicherbereich von bis zu 128 TB adressiert werden
- Advanced Branch Prediction, eine erweiterte Sprungvorhersage mit 512 Einträgen und Verdopplung des Return Stacks
- Der Sideband Stack Optimizer ist neu hinzugekommen und führt Stack-Optimierungen bei POP/PUSH-Operationen durch

Im Januar 2009 war Verkaufsstart der 2. Generation Prozessoren mit K10 Mikroarchitektur. Die ersten Phenom II Prozessoren wurden noch kurzzeitig in den Sockel AM2+ gesteckt, mit der Konsequenz dass sie mit DDR2-SDRAM zusammenarbeiten mussten. K10-Prozessoren der 2. Generation haben jedoch neben dem Dual-Channel DDR2 Speichercontroller auch einen schnelleren Dual-Channel Speichercontroller für DDR3-SDRAM. Deshalb können Phenom II, Athlon II, Opteron, Sempron und Turion II Prozessoren, mit Einführung des Sockel AM3 im Februar 2009 über diesen ihre berechneten Daten im Speicher ablegen.