Podobnie jak Pentium II i Pentium III Katmai Intela, Athlon miał także pamięć podręczną drugiego poziomu (L2 cache) o pojemności 512kB, która nie mieściła się bezpośrednio na rdzeniu procesora, ale znajdowała się w jego obudowie i była taktowana niższą prędkością niż rdzeń procesora.

Athlon Thunderbird Druga generacja Athlonów – nazwa kodowa „Thunderbird” – zadebiutowała w specyfikacji Slot A, później została zastąpiona formatem Socket A i była taktowana zegarem od 650 do 1400 MHz (650 MHz – 1 GHz dla Slot A). Główną różnicę w porównaniu z pierwszymi athlonami stanowiła struktura pamięci podręcznej. W czasie kiedy Intel zastąpił Pentium III Katmai znacznie szybszą wersją Coppermine P-III, AMD wymieniło 512 kB pamięci podręcznej taktowaną o połowę wolniej niż zegar procesora, na 256 kB pamięci podręcznej taktowanej z pełną szybkością i umiejscowioną na jednym chipie z procesorem (według ogólnej zasady: im więcej pamięci podręcznej, tym lepiej – ale szybsza pamięć podręczna jeszcze bardziej poprawia wydajność).