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Para que podamos entender la arquitectura interna del Phenom X3, debemos ver su radiografía interna (ver imagen), como ya comentamos este procesador está basado en un nuevo Stepping B3, es decir, una revisión que libera al procesador del error TLB en el cache L3, y dentro de su arquitectura tenemos en primer lugar un procesador fabricados en Dresden (Alemania) conformado por 450 millones de transistores y tres núcleos (cores) operativos bajo un proceso de manufactura de 65nm con tecnología a nivel de transistores consistente en SOI (Silicon On Insulator), tecnología ya conocida por AMD y que viene utilizando desde hace años en sus procesadores. Aunque para ser más precisos debemos aclarar que el procesador esta conformado por cuatro núcleos monolíticos o nativos, como los Opteron Barcelona y los Phenom X4 (Agena), solo que uno fue desactivado durante el proceso de manufactura (debido a algún defecto productivo o por que no alcanzo las frecuencias esperadas), quedando en cuatro núcleos físicos y 3 núcleos operativos. De esta forma AMD se ahorra costos de diseño y producción en crear un atípico procesador de tres núcleos de tomo y lomo, además abre y puebla un nicho de mercado entre un procesador de doble núcleo y uno de cuatro núcleos, que hasta ahora estaba inexplorado tanto por AMD como por Intel.

Cada núcleo del procesador cuenta con 128KB de memoria de primer nivel (L1), 512KB de memoria cache de segundo nivel (L2), dedicados, es decir, cada núcleo accede de manera exclusiva e independiente a esta memoria dentro del procesador, al contrario de la memoria cache de tercer nivel (L3) que son compartidos, donde cada núcleo comparte en total 2M para el intercambio de información y comunicación entre si, utilizando la tecnología Direct Connect de AMD. La memoria cache L3 ausente en los Athlon 64 X2 se incorporó desde los Phenom X4 y logicamente en los Phenom X3 que comparten la misma arquitectura.

Dentro del propio procesador tenemos también el controlador de memoria de doble canal con un ancho de datos de 128-bit (64 + 64-bits), en este caso tal como en los Phenom X4, este es para el estándar de memorias DDR2-1066, con un ancho de banda total de 17.1GB/s, que puede incrementarse si aumentamos la frecuencia de las memorias. El hecho de usar DDR2-1066 tambien incrementa por consiguiente el ancho de banda del soporte DDR-800, que llegaba los 12.8GB en los Athlon 64 X2.

El cuanto al set de instrucciones incorporadas en el procesador tenemos el mismo juego incorporado en los Phenom X4, mas que nada, son la misma arquitectura, estas consisten en las ya viejas y conocidas MMX (+), las propietarias de AMD 3D Now! (+) y las instrucciones SSE (Streaming SIMD Extensions), SSE2, SSE3, x86-64 y las mas recientes SSE4A, ausentes en los AMD Athlon 64 X2 e incorporadas desde los Phenom X4.

Por su parte el bus de intercomunicación que tiene el procesador con los demás componentes del sistema es el HyperTransport 3.0, la última revisión de esta tecnología de intercomunicación bi-direccional de baja latencia que puede funcionar tanto en modo serial o paralelo, su principal características es otorgar un gran ancho de banda para intercomunicación al procesador y a los núcleos que lo componen, en el caso del Phenom X3, el ancho de banda de este bus alcanza los 16GB/s con una velocidad de 1.8Ghz en modo direccional y una velocidad de 3.6Ghz en modo bi-direccional. Estos 16GB/s de ancho de banda superan los 8GB/s del bus HyperTransport 1.1 de los Athlon 64 X2.

Las características térmicas del procesador nos indican como ya mencionamos antes un TDP de 95W con un voltaje de operación entre 1.05-1.25v.