Компания Intel в 2000 году представила Pentium 4, новейший процессор из семейства IA-32. Компания также анонсировала процессор Itanium (кодовое имя Merced), который стал первым представителем 64-разрядных процессоров Intel (IA-64). Благодаря этому процессору в недалеком будущем появятся совершенно новые операционные системы и приложения, которые, тем не менее, будут совместимы с 32-разрядным программным обеспечением. В 2000 году произошло еще одно знаменательное событие, имеющее историческое значение: компании Intel и AMD пересекли барьер в 1 ГГц, который до того времени многим казался непреодолимым.

В 2001 году Intel представила новую версию процессора Pentium 4 с рабочей частотой 2 ГГц, который стал первым процессором ПК, достигшим подобного быстродействия. Кроме этого, компанией AMD был представлен процессор Athlon XP, созданный на основе нового ядра Palomino, а также Athlon МР, разработанный специально для многопроцессорных серверных систем. В течение 2001 года AMD и Intel продолжили работу над повышением быстродействия разрабатываемых микросхем и улучшением параметров существующих процессоров Pentium III/Celeron, Pentium 4 и Athlon/Duron.

В 2002 году Intel представила процессор Pentium 4, впервые достигший рабочей частоты 3,06 ГГц. Последующие за ним процессоры будут также поддерживать технологию HyperThreading (HT), благодаря которой компьютер с одним процессором превращается в виртуальную двухпроцессорную систему. Одновременное выполнение двух потоков приложений дает для процессоров с технологией HT прирост производительности 25–40% по сравнению с обычными процессорами Pentium 4. Данная технология совместима с Windows XP Home Edition, которая, однако, не поддерживает обычные двухпроцессорные системные платы.

В 2003 году компания AMD выпустила свой первый 64-разрядный процессор Athlon 64 (кодовое наименование ClawHammer, или K8). В отличие от серверных 64-разрядных процессоров Intel — Itanium и Itanium 2, оптимизированных для новой 64-разрядной архитектуры программных систем и довольно медленно работающих с традиционными 32-разрядными программами, Athlon 64 воплощает в себе 64-разрядное расширение семейства x86, представителями которого являются более ранние процессоры Athlon, Pentium 4 и др. Поэтому Athlon 64 выполняет 32-разрядные приложения так же эффективно, как и 64-разрядные.