Die späten 1990er und frühen 2000er Jahre markierten eine Phase tiefgreifender Transformation für Advanced Micro Devices, da das Unternehmen bestrebt war, über seine Rolle als kompatible Alternative hinauszugehen und sich als architektonischer Innovator zu etablieren. In einem Großteil seiner frühen Geschichte wurden die x86-CPU-Angebote von AMD, wie der Am486 und K5, oft als kostengünstigere, leistungsadequate Alternativen zur dominierenden Pentium-Serie von Intel wahrgenommen. Diese frühen Produkte basierten häufig auf älteren Fertigungsprozessen oder architektonischen Kompromissen, die ihre Wettbewerbsfähigkeit einschränkten. Der K5-Prozessor, der 1996 nach erheblichen Verzögerungen eingeführt wurde, hatte Schwierigkeiten, die zeitgenössischen Pentium-Chips von Intel signifikant zu übertreffen. In der Folge bot die K6-Serie (1997-1998), die auf Technologie von NexGen basierte, eine verbesserte Leistung, konkurrierte jedoch weitgehend innerhalb der Grenzen der älteren Socket-7-Plattform, was ihre Fähigkeit einschränkte, sich wirklich zu differenzieren. In dieser Zeit lag der Marktanteil von AMD im x86-Prozessorsegment im niedrigen einstelligen Bereich, was die Existenz des Unternehmens im ständigen Wettbewerb gegen Intels immense Forschungs- und Entwicklungsmöglichkeiten sowie das formidable Marketingbudget erschwerte.
Der wahre Wendepunkt kam 1999 mit der Einführung des Athlon-Prozessors, der die K7-Mikroarchitektur aufwies. Dieses Produkt stellte einen bedeutenden Bruch mit früheren Designs dar und verkörperte AMDs neu gewonnene Fähigkeit, leistungsstarke, proprietäre x86-Architekturen zu entwickeln, die tatsächlich die Marktbeherrschung von Intel herausfordern konnten. Der Athlon, zunächst auf einer Slot-A-Kartusche veröffentlicht, nutzte den effizienteren EV6-Systembus (abgeleitet von DEC Alpha-Technologie) und integrierte eine tiefere, breitere Ausführungspipeline. Diese Innovationen ermöglichten es ihm, häufig mit Intels Pentium III und frühen Pentium 4-Prozessoren in kritischen Leistungsbenchmarks gleichzuziehen oder sie sogar zu übertreffen. Kritisch begann AMDs Athlon-Prozessoren erhebliche Anerkennung zu gewinnen, insbesondere für ihre starke Gleitkomma-Leistung und ihr überzeugendes Preis-Leistungs-Verhältnis. Dies führte zu einem bemerkenswerten Anstieg des Marktanteils von AMD im Desktop-PC-Segment, der von etwa 10-15 % im Jahr 1999 auf rund 20 % bis 2001 stieg. Dieser Anstieg der Marktdurchdringung führte direkt zu einem erheblichen Umsatzwachstum und einer dringend benötigten Verbesserung der finanziellen Gesundheit des Unternehmens nach Jahren des Kampfes.
Aufbauend auf dem Erfolg des Athlon führte AMD 2003 die Opteron- und Athlon 64-Prozessoren ein. Diese Produkte waren revolutionär, da sie die ersten x86-kompatiblen Prozessoren waren, die 64-Bit-Computing-Fähigkeiten, bekannt als x86-64 (oder AMD64), integrierten. Diese Innovation kam Intel's ähnlicher EM64T-Implementierung um mehr als ein Jahr zuvor und setzte einen neuen Branchenstandard für das Mainstream-Computing. Die Konzeptualisierung und Implementierung von AMD64 sprach ein kritisches aufkommendes Bedürfnis für Server und High-End-Workstations an, größere Mengen RAM zu nutzen und über die 4-GB-Speichergrenze von 32-Bit-Systemen hinauszugehen, eine Einschränkung, die für Unternehmens- und komplexe professionelle Anwendungen zunehmend prohibitiv wurde. Der Opteron, speziell für Server und Workstations entwickelt, führte auch einen integrierten Speichercontroller (IMC) direkt auf dem CPU-Die ein. Dieser architektonische Sprung reduzierte die Speichervorlaufzeit erheblich und verbesserte die Gesamtleistung des Systems, indem er der CPU ermöglichte, direkt auf den RAM zuzugreifen, anstatt Anfragen über einen separaten, langsameren Northbridge-Chipsatz zu leiten. Dies verschaffte AMD einen vorübergehenden, aber tiefgreifenden technologischen Vorsprung, der Intel zwang, seinen eigenen 64-Bit-Fahrplan zu beschleunigen und schließlich ähnliche architektonische Prinzipien zu übernehmen, was effektiv AMDs Vision für die Zukunft des x86-Computings validierte. Branchenberichte aus dieser Zeit deuteten auf einen bemerkenswerten Wandel in der Marktwahrnehmung hin, wobei AMD oft als der primäre Innovator im Kern-CPU-Design angesehen wurde, mit einem Marktanteil im Desktop-Segment, der bis 2006 auf fast 25 % anstieg, und Opteron, der bedeutende Fortschritte im historisch von Intel dominierten Servermarkt machte.
Diese Innovationsperiode war jedoch auch von strategischen Veränderungen und erheblichen Herausforderungen in einem sich wandelnden Computing-Landschaft geprägt. Im Jahr 2006 unternahm AMD einen mutigen Schritt, indem es ATI Technologies Inc., einen führenden Designer von Grafikprozessoren (GPUs), für etwa 5,4 Milliarden Dollar erwarb – eine Transaktion, die durch eine Kombination aus Bargeld und Aktien finanziert wurde. Diese Übernahme sollte es AMD ermöglichen, eine kombinierte CPU-GPU-Lösung anzubieten, in der Vorahnung einer Zukunft, in der diskrete Prozessoren zu einer einzigen, leistungsstärkeren Recheneinheit – der Accelerated Processing Unit (APU) – zusammengeführt würden. Die strategische Begründung zielte auch darauf ab, besser mit Intel zu konkurrieren, das zunehmend Grafikfähigkeiten in seine Chipsätze und Prozessoren integrierte, und sich vertikal in den aufstrebenden Markt für diskrete GPUs zu integrieren. Obwohl konzeptionell weitsichtig in Bezug auf die Zukunft des heterogenen Computings, erwies sich die Integration von ATI sowohl finanziell als auch operativ als herausfordernd. Die Übernahme belastete AMD mit erheblichen Schulden von fast 6 Milliarden Dollar und signifikanten Zinsaufwendungen, die die Rentabilität erheblich erodierten. Die angestrebten Synergien, insbesondere die nahtlose Integration von CPU- und GPU-Architekturen, benötigten länger als erwartet, um sich zu verwirklichen, was zu erheblichen finanziellen Schwierigkeiten und Phasen von Nettoverlusten für AMD in den folgenden Jahren führte.
Eine weitere Transformation fand 2009 statt, als AMD seine Fertigungsbetriebe in eine neue Einheit, GlobalFoundries, ausgliederte, an der AMD zunächst eine Minderheitsbeteiligung behielt (die schließlich bis 2012 vollständig verkauft wurde). Diese strategische Entscheidung markierte den Übergang von AMD zu einem fabless Halbleiterunternehmen, das sich ausschließlich auf das Chipdesign konzentrierte, während die Fertigung an spezialisierte Foundries ausgelagert wurde. Der Schritt, der als "Asset Smart" bezeichnet wurde, wurde hauptsächlich durch die prohibitive Kapitalausgaben motiviert, die erforderlich waren, um hochmoderne Fertigungsanlagen aufrechtzuerhalten; der Bau und die Ausstattung einer neuen hochmodernen Halbleiterfabrik könnten mehrere Milliarden Dollar kosten, eine Investition, die sich AMD angesichts seines finanziellen Zustands nach der ATI-Übernahme kaum leisten konnte. Die Ausgliederung sollte die Investitionen in Anlagevermögen reduzieren, die Kosteneffizienz durch die Nutzung externen Foundry-Expertise verbessern und AMD ermöglichen, seine wertvollen Ressourcen auf Forschung und Entwicklung für das Kern-Chipdesign zu konzentrieren. Während sie unmittelbare finanzielle Drucksituationen adressierte und es AMD ermöglichte, etwa 3.000 Fertigungsmitarbeiter abzubauen, bedeutete dies auch, dass AMD die direkte Kontrolle über seine Fertigungsprozesse aufgab. Diese Entscheidung, obwohl notwendig für das finanzielle Überleben, könnte die Fähigkeit beeinträchtigt haben, die Leistung auf Siliziumebene zu optimieren und rechtzeitig Zugang zu modernsten Prozessknoten zu gewährleisten, eine Herausforderung, die in den späteren Jahren zunehmend offensichtlich wurde, als die Fertigungskomplexitäten zunahmen.
Die Zeit nach der ATI-Übernahme und der Ausgliederung von GlobalFoundries war besonders schwierig für AMD und fiel mit einem globalen wirtschaftlichen Abschwung und intensiver Konkurrenz zusammen. Das Unternehmen hatte Schwierigkeiten, seine CPU- und GPU-Technologien effektiv zu integrieren, und sein Prozessorfahrplan, insbesondere für seine Desktop- und Server-CPUs, hinkte erheblich hinter Intels äußerst erfolgreichen Core-Mikroarchitekturen (z. B. Sandy Bridge, Ivy Bridge) hinterher. Dies führte zu einem signifikanten Verlust von Marktanteilen in allen Segmenten. Auch die Führung erlebte mehrere Wechsel, die die Kämpfe des Unternehmens widerspiegelten: Hector Ruiz, der die ATI-Übernahme vorantrieb, trat 2008 als CEO zurück, gefolgt von Dirk Meyer im Jahr 2011 und Rory Read im Jahr 2014. Jeder neue Führer stand vor der gewaltigen Aufgabe, das Unternehmen inmitten intensiver Konkurrenz, wachsender finanzieller Verluste und eines wahrgenommenen Innovationsdefizits wiederzubeleben. Die Mikroarchitekturen Piledriver und Bulldozer, die Anfang der 2010er Jahre auf den Markt kamen, waren kritische Misserfolge und erfüllten konsequent nicht die Markterwartungen an Leistung (insbesondere bei Single-Thread-Anwendungen) und Energieeffizienz im Vergleich zu Intels Angeboten. Diese Leistungslücke verschärfte die Wettbewerbsposition von AMD weiter, wobei der x86-Marktanteil auf unter 20 % im Desktop und auf niedrige einstellige Werte im entscheidenden, margenstarken Serversegment bis 2013-2014 fiel. Der Jahresumsatz von AMD, der 2006 bei etwa 6,5 Milliarden Dollar seinen Höhepunkt erreicht hatte, sank bis 2012 erheblich auf etwa 4,2 Milliarden Dollar und verdeutlichte den erheblichen finanziellen Druck.
Mitte der 2010er Jahre sah sich AMD existenziellen Herausforderungen gegenüber. Der Aktienkurs war von über 40 Dollar im Jahr 2006 auf unter 2 Dollar pro Aktie bis 2015 gefallen, und die Marktkapitalisierung spiegelte diesen Rückgang wider, was zu ernsthaften Solvenzbedenken unter Analysten und Investoren führte. Die Abhängigkeit des Unternehmens vom zunehmend wettbewerbsintensiven und schrumpfenden Desktop-PC-Markt, gekoppelt mit den anhaltenden Schwierigkeiten im margenstarken Serversegment, bedeutete, dass es kontinuierlich unter intensivem finanziellen und wettbewerblichen Druck stand. Trotz der Sicherung entscheidender Designgewinne für die Grafik- und benutzerdefinierten APUs innerhalb der PlayStation 4 und Xbox One-Spielkonsolen (beide 2013 eingeführt), konnten diese hochvolumigen, margenarmen Verträge, obwohl sie einen notwendigen Basiserlös lieferten, die erheblichen Verluste im Kerngeschäft PC und Server nicht vollständig ausgleichen. Das Unternehmen berichtete von konstanten Nettoverlusten, einschließlich eines Verlusts von 398 Millionen Dollar im Jahr 2012 und eines Verlusts von 83 Millionen Dollar im Jahr 2014, was seinen prekären finanziellen Zustand widerspiegelte. Doch inmitten dieser Schwierigkeiten nahm eine neue architektonische Strategie langsam Gestalt an unter der Führung von Dr. Lisa Su, die im Oktober 2014 CEO wurde. Diese Strategie, die von dem wieder eingestellten Architekten Jim Keller vorangetrieben wurde, konzentrierte sich auf ein grundlegendes Redesign der Kern-x86-Architektur, codiert als "Zen". Das Ziel war es, ein wirklich wettbewerbsfähiges, leistungsstarkes Produkt zu liefern, das das Schicksal des Unternehmens wenden und eine neue Ära wettbewerbsfähiger Produkte einleiten könnte, und die Grundlage für eine weitere grundlegende Transformation zu legen, die auf erneuerter architektonischer Innovation basierte.