L'Athlon 64 FX est un processeur AMD de la série des K8 destiné aux utilisateurs exigeants. L'Athlon FX représente le haut de gamme des Athlon 64. Il s'agit des exemplaires les mieux gravés en usine, supportant les plus hautes fréquences. Le coefficient multiplicateur du processeur est laissé complètement débloqué (que ce soit vers le haut ou vers le bas), permettant aux utilisateurs de changer la fréquence des valeurs par défaut. L'Athlon 64 FX, qui était le meilleur microprocesseur sur le marché jusque mi-2006, est aujourd'hui dépassé par les Core 2 Duo d'Intel.
Il est prévu pour être utilisé en mono-processeur. Le processeur intègre les jeux d'instructions x86 et AMD64. Il présente 1 024 Kio (1 Mio) de cache niveau 2, et un contrôleur mémoire bi-canal 128-bit. Comme les autres processeurs de la série des K8, il présente un bus HyperTransport (800 MHz sur les premiers chipsets, plus tard 1000 MHz). L'HyperTransport des CPU AMD a toujours été compatible avec la norme HT 2.0 soit 1,6 GHz. Seuls les chipsets sont le facteur limitant, incapables de tenir une telle fréquence. Si les premiers FX étaient des Opteron renommés (socket 940, fonctionnant avec de la DDR400 ECC), la gamme a été déclinée sur socket 939 (DDR400/PC3200), puis actuellement en socket AM2 (DDR2-800/PC6400).
L'Athlon 64 FX est passé par 6 modèles : le FX-51 (2,2 GHz), le FX-53 (2,4 GHz, renommé plus tard Athlon 64 4000+), le FX-55 (2,6 GHz), le FX-57 (2,8 Ghz), le FX-60 (2,6 Ghz dual-core, appelé sur socket AM2 : Athlon 64 X2 5200+), et enfin le FX-62 (2,8 GHz dual-core). Ces processeurs ont toujours été supérieurs à leurs homologues Pentium de chez Intel, cependant le dernier FX-62 est inférieur aux Core 2 Duo d'Intel. Avec le passage à l'architecture K10, AMD renomme ses processeurs haut de gamme en Phenom FX.
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