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Mit Einführung der K8 Mikroarchitektur im September 2003 startete AMD in das 64-Bit Zeitalter. Neben der neuen AMD64-Mikroarchitektur ist die Integration des Speichercontrollers, von der auf dem Mainboard befindlichen Northbridge, in den Prozessor die wichtigste Neuerung. Dadurch wurden die Speicherzugriffszeiten erheblich verkürzt. Eine weitere Leistungssteigerung erreichte AMD durch größere und effizientere Caches, sowie Verbesserungen an den Vorstufen der Recheneinheiten wie der Sprungvorhersage und dem Translation Lookaside Buffer.
Effektivere Energiespartechniken sind weitere Neuerungen der K8 Mikroarchitektur. Ermöglicht werden diese vor allen Dingen durch den erstmals in Großserie eingesetzte SOI-Prozess (Silicon on Insulator), in Kombination mit der dynamischen Reduzierung von Spannung und Takt bei niedriger Auslastung der CPU, “CoolnQuiet” genannt. Diese Funktion war bisher nur den Mobile-Prozessoren vorbehalten. Beide Maßnahmen führen zu einer stark reduzierten Verlustleistung im Teillastbetrieb der CPU.
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