Двухъядерные процессоры — микропроцессоры, на кристалле которых (площадью около 200 мм2) размещено два независимых процессора, работающих одновременно (параллельно). Это ведет к увеличению производительности персонального компьютера на 80-100%. Двухъядерные процессоры компании AMD построены на основе ядер Opteron (в версиях с тактовой частотой 1, 8-2, 2 ГГц) и Athlon. Первым присвоена дополнительная маркировка — 2xx и 1xx, вторым — X2 (например — Athlon 64 X2 4200). В начале 2006 AMD объявила о выпуске новых высокопроизводительных модификаций серверных двухъядерных процессоров Opteron: Model 885 — для серверов уровня предприятия, имеющих до 8 процессоров; Model 285 — для высокопроизводительных двухпроцессорных серверов и рабочих станций; Model 185 — для однопроцессорных серверов и рабочих станций. В середине 2006 фирма AMD выпустила на рынок двухъядерные процессоры Athlon 64X2 4000+, 4400, 4600 и 4800+ с пониженным уровнем потребляемой энергии — 65 Вт.
В основе конструкции первых наиболее производительных двухъядерных процессоров компании Intel (например Intel Pentium Extreme Edition 840) лежало использование двух процессоров Prescott, снабженных согласующей их работу логикой. Все двухъядерные Pentium 4 получили наименование Pentium D и номера восьмисотой, а также девятисотой серий (Pentium D 8xx и 9xx). В ноябре 2005 компания Intel анонсировала четыре модели процессора 7000 серии на базе двухъядерных Xeon`ов, различающихся тактовой частотой, объемом кэш-памяти второго уровня для каждого процессорного ядра и частотой поддерживаемых системных шин. В марте 2006 компания Intel продемонстрировала на форуме IDF разработку новой микроархитектуры высокопроизводительных двухъядерных процессоров — Intel Core. В последней реализованы 5 ключевых инноваций, названных Wide Dynamic Execution. В частности одним ядром обеспечивается выполнение 4-х инструкций за такт (на одну больше, чем в Pentium M и процессорах построенных на основе архитектуры NetBurst); использовано лучшее «наследство» Pentium M (например, в части технологии управления питанием, объединения групп операций перед их выполнением и др.); в каждом ядре имеет место одно устройство предварительной выборки инструкций и четыре — предварительной выборки данных (по 2 в кэш-памяти первого и второго уровня); одна из инноваций (Advanced Digital Media Boost) обеспечивает поддержку выполнения за один такт всех 128-разрядных инструкций Streaming SIMD Extencions и др. Летом 2006 Intel начала выпуск на основе этой архитектуры процессоров Intel Core 2 Duo и Intel Core 2 Extreme.
Активно ведутся работы по увеличению количества ядер на одном кристалле. По отношению к таким многопроцессорным системам и технологии их производства используются термины: многоядерные процессоры и многоядерные технологии. Первым примером реализации одного из вариантов таких технологий может служить разработка компании SUN Microsystems — 8-ядерный многопотоковый (обрабатывающий 4 потока каждым ядром) микропроцессор UltraSPARC T1 (кодовое название — Niagara). Данный микропроцессор обеспечивает значительное увеличение производительности серверов при весьма низком энергопотреблении (менее 70 Вт). В свою очередь Intel планирует в 2007 г. выпустить на основе архитектуры Intel Core 4-ядерных процессоров под кодовым названием Kentsfield (для настольных систем, рабочих станций и однопроцессорных серверов; предполагается, что процессоры получат коммерческое название Intel Core 2 Quad), Clovertown (для двухпроцессорных серверов) и Tigerton (для многопроцессорных систем). Корпорация Intel планирует, что к концу 2007 г. доля выпускаемых ею многоядерных процессоров для настольных и мобильных систем составит 90%, а для серверов — почти 100%.