삼성전자가 세계 최초로 메모리 반도체와 인공지능 프로세서를 하나로 결합한 HBM-PIM(Processing-in-Memory)을 개발했습니다.

PIM(Processing-in-Memory)은 메모리 내부에 연산 작업에 필요한 프로세서 기능을 더한 차세대 신개념 융합기술입니다.

삼성전자는 PIM 기술을 활용해, 슈퍼컴퓨터(HPC)와 AI 등 초고속 데이터 분석에 활용되는 HBM2 Aquabolt에 인공지능 엔진을 탑재한 HBM-PIM을 개발했습니다.

AI 시스템에 HBM-PIM을 탑재할 경우 기존 HBM2를 이용한 시스템 대비 성능은 약 2배 이상 높아지고, 시스템 에너지는 70% 이상 감소됩니다.

또한 기존 HBM 인터페이스를 그대로 지원해 HBM을 이용하는 고객들은 하드웨어나 소프트웨어의 변경 없이 HBM-PIM을 통해 강력한 AI 가속기 시스템을 구축할 수 있게 됐습니다.

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데이터센터, AI 고객들과 PIM 표준화…에코 시스템 구축 협력

최근 인공지능의 응용 영역이 확대되고 기술이 고도화됨에 따라 고성능 메모리에 대한 요구가 지속적으로 커져왔으나 기존의 메모리로는 폰 노이만 구조의 한계를 극복하기 어려웠습니다.

폰 노이만 구조는 오늘날 대부분의 컴퓨터에서 사용하는 방식으로 CPU가 메모리로부터 명령어를 불러오고 실행하며 그 결과를 다시 기억장치에 저장하는 작업을 순차적으로 진행합니다. 이 과정에서 CPU와 메모리간 주고받는 데이터가 많아지면 작업처리가 지연되는 현상이 생깁니다.

삼성전자는 이를 극복하기 위해 메모리 내부의 각 뱅크에 인공지능 엔진을 장착하고 병렬처리를 극대화해 성능을 높였습니다. 또한 HBM-PIM은 메모리 내부에서 연산처리가 가능해 CPU와 메모리간 데이터 이동이 줄어들어 AI 가속기 시스템의 에너지 효율을 높일 수 있습니다.

삼성전자는 이러한 혁신기술을 D램 공정에 접목시켜 HBM-PIM을 제품화 하는데 성공하고 반도체 분야 세계 최고권위 학회인 ISSCC에서 논문을 공개했습니다.

삼성전자 메모리 사업부 상품기획팀장 박광일 전무는 “HBM-PIM은 AI 가속기의 성능을 극대화 시킬 수 있는 업계최초의 인공지능 맞춤형 PIM 솔루션으로 삼성전자는 고객사들과 지속적으로 협력을 강화해 PIM 에코 시스템을 구축해 나갈 것”이라고 밝혔습니다.

미국 아르곤 국립 연구소 CELS(컴퓨팅, 환경 및 생명과학) 연구실장 릭 스티븐스는 “HBM-PIM은 AI 응용을 위한 성능 및 에너지 효율 측면에서 놀라운 성과로 HBM-PIM 시스템 평가를 위해 향후에도 삼성전자와 지속적인 협력을 기대한다”고 밝혔습니다.

삼성전자는 상반기내 다양한 고객사들의 AI 가속기에서 HBM-PIM을 탑재해 테스트 검증을 완료할 예정이며 향후 고객사들과 PIM 플랫폼의 표준화와 에코 시스템 구축을 위해 협력을 강화해 나갈 계획입니다.

[인포그래픽]

[삼성전자의 ‘읽어주는 보도자료’]

HBM-PIM 읽어주는 보도자료(국문)

HBM-PIM 읽어주는 보도자료(영문)

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누구나 쉽고 빠르게 반도체 소식을 전하는 Hello, Chips! 오늘은 폭염도 싹쓸이 할 반도체 뉴스를 들고 왔습니다. 바로 삼성전자 평택 2라인에서 첫 양산을 시작했다는 소식입니다!

세계 최대 규모를 자랑하는 삼성전자 평택 2라인에서 양산을 시작한 제품은 바로 16Gb LPDDR5 D램인데요. 업계 최초로 양산에 EUV 공정을 적용한! 역대 최대 용량, 최고 속도를 자랑하는 LPDDR5에 대한 더욱 자세한 내용은 영상을 통해 확인해보세요!

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삼성전자, 세계 최대규모 평택 2라인 가동

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10나노급(1y) 16기가비트(Gb) D램 8개 쌓아 최고용량(16GB) 구현

‘플래시볼트’는 16기가바이트(GB) 용량의 3세대 HBM2E(고대역폭 메모리, High Bandwidth Memory 2 Extended) D램으로 기존 2세대 대비 속도와 용량이 각각 1.3배, 2.0배 향상됐습니다.

삼성전자는 2세대 8GB HBM2 D램 ‘아쿠아볼트(Aquabolt)’를 세계 최초로 개발해 업계에서 유일하게 양산한 지 2년만에 3세대 HBM2E D램 ‘플래시볼트’를 출시하며 차세대 프리미엄 메모리 시장 선점에 나섰습니다.

‘플래시볼트’는 1개의 버퍼 칩 위에 16기가비트(Gb) D램 칩(10나노급) 8개를 쌓아 16GB 용량을 구현해 차세대 고객 시스템에서 최고용량, 최고속도, 초절전 등 최적의 솔루션을 제공합니다.

삼성전자는 16Gb D램 칩에 5,600개 이상의 미세한 구멍을 뚫고 총 4만개 이상의 TSV 접합볼로 8개 칩을 수직 연결한 ‘초고집적 TSV 설계 기술’을 이 제품에 적용했습니다.

특히 이 제품은 ‘신호전송 최적화 회로 설계’를 활용해 총 1,024개의 데이터 전달 통로에서 초당 3.2기가비트의 속도로 410기가바이트의 데이터를 처리합니다. 풀HD(5기가바이트) 영화 82편을 1초에 전달할 수 있는 수준입니다.

향후 차세대 HBM D램 선행 개발로 프리미엄 메모리시장 성장 견인

삼성전자는 2020년 이 제품을 양산해 기존 인공지능 기반 초고속 데이터 분석과 고성능 그래픽 시스템을 개선하고 슈퍼컴퓨터의 성능 한계를 극복해 차세대 고성능 시스템 적기 개발에 기여할 계획입니다.

이 제품은 또 세계 최초로 초당 4.2기가비트까지 데이터 전달 속도 특성을 확보해 향후 특정 분야의 차세대 시스템에서는 538기가바이트를 1초에 처리할 수 있을 것으로 전망됩니다.

2세대 제품과 비교할 경우 초당 데이터 처리 속도가 1.75배 이상 향상되는 것입니다.

삼성전자 메모리사업부 전략마케팅실 최철 부사장은 “역대 최고 성능의 차세대 D램 패키지 출시로 빠르게 성장하는 프리미엄 시장에서 사업 경쟁력을 계속 유지할 수 있게 되었다”며, “향후 더욱 차별화된 솔루션을 제공해 독보적인 사업 역량을 강화시켜 나갈 것”이라고 강조했습니다.

삼성전자는 글로벌 IT 고객들에게 ‘아쿠아볼트’를 안정적으로 공급하는 한편, 차세대 시스템 개발 협력을 더욱 강화해 ‘플래시볼트’ 시장을 확대함으로써 프리미엄 메모리 시장의 수요 확대를 적극 주도해 나갈 계획입니다.

[참고]

□ HBM (High Bandwidth Memory)

최신 인공지능 서비스용 슈퍼컴퓨터, 네트워크, 그래픽카드 등의 프리미엄 시장에 최적의 솔루션을 제공하는 고대역폭 메모리

□ TSV(Through Silicon Via, 실리콘 관통 전극)

D램 칩을 일반 종이(100μm)두께의 절반수준으로 깎은 후, 수천 개의 미세한 구멍을 뚫고, 상단 칩과 하단 칩의 구멍을 수직으로 관통하는 전극으로 연결한 최첨단 패키징 기술

□ 삼성전자 TSV기술 기반 D램 제품 개발/양산 연혁

• 2010.12월: 40나노급 8GB 3D TSV DDR3 RDIMM 개발

• 2011.08월: 30나노급 32GB 3D TSV DDR3 RDIMM 개발

• 2014.08월: 20나노급 64GB 3D TSV DDR4 RDIMM 양산

          ※ CES 2015 ECO Tech부문 '혁신상' 수상 

          ※ 2015년 제25주차 IR52 장영실상 '장관상' 수상 

• 2015.10월: 20나노 128GB 3D TSV DDR4 RDIMM 양산

• 2015.10월: 20나노 4GB HBM2 D램 개발

• 2015.12월: 20나노 128GB 3D TSV DDR4 LRDIMM 양산

• 2015.12월: 20나노 4GB HBM2 D램 양산

          ※ 2016년 멀티미디어 기술대상 '장관상' 수상

• 2016.06월: 20나노 2.0Gbps 8GB HBM2 D램(Flarebolt) 양산

• 2017.12월: 20나노 2.4Gbps 8GB HBM2 D램(Aquabolt) 양산

• 2020.01월: 10나노급 3.2Gbps 16GB HBM2E D램(Flashbolt) 양산

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■ 멀티미디어 기술대상 시상식을 빛낸 삼성전자 4GB HBM2 D램!
HPC 시장에서 핵심적인 역할 기대

미래창조과학부 장관상을 수상한 4GB HBM2 D램은 삼성전자가 세계 최초 개발한 차세대 HBM2메모리 기술로, 현재 양산중인 메모리 가운데 최고 속도인 GDDR5 그래픽 D램의 9Gbps보다 7배나 빠른 속도를 구현한 제품입니다. 그뿐 아니라 ‘초절전, 초슬림, 고신뢰성’의 요소도 두루 갖춰 초고성능 컴퓨팅 HPC(High Performance Computing) 시장에서 핵심적인 역할을 할 것으로 기대를 모으고 있습니다.

대한민국 멀티미디어 기술대상에서 4GB HBM2 D램을 개발한 삼성전자 송호건 상무의 수상 소감을 들어봤습니다.

저는 오늘 4GB HBM2 D램의 탄생을 위해 노력해 온 모든 분들을 대표해서 나왔을 뿐입니다. 이렇게 훌륭한 성과를 낼 수 있었던 이유는 삼성전자 반도체의 모든 관련 부서가 한마음 한뜻으로 협심해 주어진 자리에서 최선을 다했기 때문입니다.
이 제품은 차세대 메모리 시장을 지속 주도해 나갈 한 차원 높은 초격차 기술을 성공적으로 개발하고 적기에 상용화 했다는 점에서 의미가 있습니다. 기존에 찾아볼 수 없었던 새로운 제품 기술이 등장하는 이 순간을 함께 할 수 있어 너무나 영광스럽습니다

송호건 상무 / 삼성전자 반도체연구소 연구임원

■ [Interview] 개발부터 장관상을 받기까지! 4GB HBM2 D램을 완성한 주인공들을 만나다!

입시상식이 끝난 다음날, HBM2 D램을 탄생시킨 삼성전자 반도체 사업부의 주인공들을 만나봤습니다. 기획부터 개발까지 제품 탄생의 일등공신이라 할 수 있는 연구원들을 소개합니다!

Q. 수많은 ICT 제품 중 HBM2 D램이 장관상을 수상한 요인은 무엇일까요?

HBM2 D램은 특별한 의미가 있는 제품입니다. 기존 슈퍼 컴퓨팅에서 보다 확장된 HPC(High Performance Computing)라는 개념이 있는데요. 슈퍼 컴퓨팅이 일기예보, 과학 계산 등 한정적인 분야에서 쓰였다면, HPC는 최근 주목을 받고 있는 인공지능뿐 아니라 금융상품 설계, 세일가스(shale gas) 산업 등 더욱 넒은 범위로 응용하는 것이 가능해집니다. 즉 HBM2 D램이 HPC 분야에서 요구하는 고성능의 컴퓨팅을 제공할 수 있는 핵심 역할을 수행함으로써 산업 전반에 걸쳐 큰 파급효과를 줄 것으로 예상됩니다. 또한 기술 자체의 개발 난이도가 굉장히 높은데, 지금의 반도체 시장에서 한층 업그레이드 된 기술을 실제 제품에 적용했다는 점에서 의미가 있다고 할 수 있습니다.

Q. 삼성전자 4GB HBM2 D램이 기존 제품에 비해 얼마나 뛰어난가요?

기존에도 고성능의 메모리 제품은 많이 있었지만, HBM2 D램은 현재 양산중인 D램 중 가장 빠른 4Gb GDDR5(9Gbps)보다 7배 빠른 데이터 처리 속도, 2배 이상 향상된 절전 효과를 보이면서도 면적은 1/3로 줄였습니다.
한 예로 우리 제품을 활용한 고객사가 개발한 차세대 시스템에서 기존보다 12배의 성능 향상을 이루기도 했는데요. 이를 보다 쉽게 설명하자면, HBM2 D램을 통해 12달 걸리던 일을 1달 만에 완료할 수 있는 환경을 제공하게 되었다는 이야기입니다.

Q. HBM2 D램에 적용된 TSV 기술에 대한 설명을 부탁드립니다.

TSV(Through Silicon Via) 기술은 칩에 미세한 구멍을 뚫어 상단 칩과 하단 칩을 전극으로 연결하는 패키징 기술입니다. HBM2에도 이러한 TSV 기술을 적용해 D램 칩에 5천 개 이상의 구멍을 뚫고 상하를 연결했습니다. 이로 인해 금선을 이용한 기존 D램 패키지와 비교해 데이터 처리 속도를 눈에 띄게 향상시킬 수 있었습니다.

Q. 개발과정에서 특별히 생각나는 에피소드가 있다면 말씀해주세요.

HBM2 D램은 기존에 존재하지 않던 제품을 만드는 작업이기 때문에 기존의 틀을 깨고 처음부터 다시 시작한다는 마음으로 설계에 임해야 했습니다. 이 제품은 패키지와 웨이퍼의 구분이 모호한 특징이 있습니다. 웨이퍼라고 하기도 어렵고, 그렇다고 패키지로 정의하기도 힘든 부분이 있기 때문에 모든 상황을 새롭게 셋업해야만 했습니다.

새로운 도전을 하면서 많은 시행착오를 거쳤습니다. HBM2 D램을 완성하기 위해 웨이퍼 공정 역시 새로운 기술이 필요했기 때문입니다.
가장 어려웠던 부분은 기존 선례가 없어 참고할만한 내용이 적었다는 것입니다. 이런 부분을 해결하기 위해 DS부문내 사업부의 관련 부서 엔지니어가 함께 머리를 맞대고 고민했던 것이 오늘 HBM2 D램이 탄생할 수 있었던 원동력인 것 같습니다.

HBM2 D램 개발을 하면서 테스트하기 위한 참고자료가 없어서 많이 힘들었습니다. 기존 제품은 과거에 진행했던 테스트 프로세스가 있어 풍부한 경험을 바탕으로 개발을 진행할 수 있었지만 이번 제품은 아무도 도전하지 않았던 미지의 분야라 항상 도전하는 마음으로 업무에 매진했습니다.
오늘 인터뷰 자리에는 오지 못했지만 HBM2 D램의 성공을 위해 애써주신 DS부문내 관련된 분들모두 너무 고생 많으셨습니다.

작지만 거대한 미세 기술의 차이가 성능의 차이로 이어지는 메모리 반도체 시장! 지금 이 시간에도 더욱 뛰어난 제품을 개발하기 위한 삼성전자 반도체 사업부 임직원들의 노력이 계속되고 있는데요. 국내를 넘어 글로벌 메모리 시장을 선도하고 있는 삼성전자 반도체의 활약을 앞으로도 쭉 기대해주세요.

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■ ‘8기가 DDR4 D램’으로 프리미엄 DDR4 서버 시장 고성장 주도

20나노 8기가비트 DDR4 서버 D램은 올해 하반기 DDR4 전용 서버 CPU 출시에 맞추어 양산을 시작한 차세대 제품으로 프리미엄 서버 시장에서 기존 DDR3에서 DDR4로의 전환을 주도할 차세대 D램 제품입니다.

삼성전자는 지난 3월 세계 최초로 20나노 PC용 D램 양산에 성공한 이후 현재까지도 유일하게 20나노 제품을 양산하고 있으며, 지난 9월 모바일 D램에 이어 이번에 서버용 D램에도 20나노 공정을 적용하며 ’20나노 D램 시대’를 주도할 풀 라인업을 구축했습니다.

20나노 8기가비트 D램 기반의 DDR4 서버용 모듈 제품은 기존 DDR3 기반의 모듈보다 약 30% 빠른 2,400Mbps의 고성능을 구현하는 반면 동작 전압은 1.2볼트(V)로 DDR3의 1.5볼트보다 낮게 동작할 수 있어 소비 전력이 더 낮은 것이 특징입니다.

또한, 기존 4기가비트 제품 기반으로는 최대 64기가바이트 용량의 모듈만 가능하지만, 이번 8기가비트 D램과 지난 8월 삼성전자가 세계 최초로 양산을 시작한 TSV기술을 접목함으로써 최대 128기가 바이트의 모듈을 공급할 수 있게 되었습니다.

■ 향후 PC용 4기가•모바일용 6기가•서버용 8기가비트로 다양화

삼성전자 메모리사업부 마케팅팀 백지호 상무는 “이번 20나노 8기가비트 DDR4 D램은 차세대 서버 시스템 구축을 위한 3가지 필요 요소인 ‘고성능, 고용량, 저전력’ 특성을 모두 만족시킨 제품”이라며 “향후 20나노 D램의 비중을 지속 확대해 글로벌 고객의 수요 증가에 맞춰 최고 특성의 제품을 공급할 것”이라고 말했습니다.

삼성전자는 향후 PC용은 생산 효율이 높은 4기가비트, 모바일용은 패키지 크기를 줄이면서 칩의 적층 수를 줄일 수 있는 6기가비트, 서버용은 고용량의 8기가비트 D램 등 응용처에 따라 최적화된 다양한 용량의 제품을 통해 차별화함으로써 D램 시장을 이끌어 갈 계획입니다.

※ 삼성 그린 메모리 홈페이지 : www.samsung.com/GreenMemory

☞ 삼성전자, 세계 최초 ’20나노 모바일 D램’ 본격 양산
☞ 삼성전자, 세계 최초 ’20나노 4기가비트 D램’ 양산

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