В октябре 2001 появилось новое ядро Palomino, на основе которого были разработаны три наследника Athlon-а, первым из которых стал Athlon 4.
По сравнению с последней моделью Athlon процессор Athlon 4 включал в себя следующие возможности: 52 инструкции SSE, ранее появившиеся в процессоре Pentium III; технологию QuantiSpeed, предоставляющую расширенные возможности по предварительной загрузке команд и данных в кэш и предсказанию ветвлений; поддержку памяти DDR SDRAM.
Выпускалась эта модель по 0, 18-микронной технологии с частотами от 850 МГц до 1, 4 ГГц. В названиях двух старших процессоров компания стала указывать не частоту, а рейтинг (1500+ и 1600+ соответственно), символизирующий большую производительность процессоров при меньшей частоте по сравнению с процессорами от Intel.
В июне 2002 появилось следующая модель ядра — Thoroughbred. Мобильные процессоры с этим ядром получили новое название — Athlon XP-M.