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随着互联网、多媒体、3D视频等技术的发展，信息时代的应用对计算机性能提出了越来越高的要求，32位单核处理器已不能满足这一要求。
一直以来，80x86处理器的更新换代都保持与早期处理器的兼容，以便继续使用现有的软硬件资源。但是，Intel公司迟迟不愿将80x86处理器扩展为64位，这给了AMD公司一个机会。AMD公司是生产IA-32处理器兼容芯片的厂商，是Intel公司最主要的竞争对手。AMD公司的IA-32兼容处理器，其价格低于Intel，但性能却没有超越Intel。于是，AMD公司于2003年9月率先推出支持64位、兼容80x86指令集结构的Athlon 64处理器（K8核心），将桌面PC引入了64位领域。
2005年，在PC用户对64位技术的企盼和AMD公司64位处理器的压力下，Intel公司推出了扩展存储器64位技术（Extended Memory 64 Technology，EM64T）。EM64T技术是IA-32结构的64位扩展，首先应用于支持超线程技术的Pentium 4终极版（支持双核技术）和6xx系列Pentium 4处理器。随着EM64T技术的出现，IA-32指令系统也扩展为64位，称为Intel 64结构。这之后的Pentium 4处理器、Pentium E系列多核处理器、酷睿（Core）2和酷睿i系列多核处理器等都支持Intel 64结构。
Intel 64结构为软件提供了64位线性地址空间，支持40位物理地址空间。IA-32处理器支持保护方式（含虚拟8086方式）、实地址方式和系统管理方式，Intel 64结构则引入了一种新的工作方式：32位扩展工作方式（IA-32e）。IA-32e除有一个运行32位和16位软件的兼容方式外，还有一个64位工作方式。在64位工作方式下，允许64位操作系统运行存取64位地址空间的应用程序，还可以存取8个附加的通用寄存器、8个附加的SIMD多媒体寄存器、64位通用寄存器和64位指令指针等。
单纯通过提高时钟频率来增加处理器复杂度的传统方法已经很难提升处理器性能，传统方法还带来功耗剧增、发热量巨大的问题。于是，多核（Multi-core）技术应运而生。多核处理器是指在一个集成电路芯片上存在两个或多个处理器执行核心，依靠多个处理器核心相互协作同时执行多个程序线程以提升性能。基于不同的处理器内部结构，Intel公司推出了多款多核处理器，目前主要是Intel奔腾E系列多核处理器、酷睿2和酷睿i系列多核处理器。
另外，SSE系列指令集继续丰富，酷睿2补充了SSE3指令（即32条SSSE3指令），又推出增加了54条指令的SSE4指令集。其中，47条指令在Intel公司面向服务器领域的至强（Xeon）5400系列和酷睿2至尊版QX9650中引入，称为SSE4.1指令，这些指令致力于提升多媒体、3D处理等的性能；其余7条指令称为SSE4.2指令。
Intel酷睿2系列之后是酷睿i系列处理器，面向高中低端市场分成i7、i5和i3系列。酷睿i系列处理器支持大容量三级高速缓冲存储器（L3 Cache），内部集成主存控制器和图形处理器（显示卡）等，性能进一步提升。例如，2013年推出的第4代i7系列具有4个处理器核心，支持8个线程，时钟频率可达3.90GHz，L3 Cache容量可达8MB，集成Intel HD Graphics 4600图形处理器。
为了满足移动设备（笔记本计算机和智能手机）的低功耗需要，Intel公司从2008年开始推出Atom（凌动）处理器。
Intel公司充分利用集成电路生产的先进技术和处理器结构的革新技术，推出了多种Intel 80x86系列处理器芯片。支持64位处理器和64位软件的个人计算机已获得广泛应用。