삼성전자 반도체는 과감한 투자와 지속적 기술 혁신을 기반으로 40년간 미세공정의 한계를 돌파해 왔다. 1983년 64Kb(킬로비트) D램 개발 이후, 삼성전자 반도체는 64Mb(메가비트) D램부터 최근 32Gb(기가비트) DDR5까지 업계 최초로 개발하며 또 한 번 혁신의 역사를 기록했다.

생성형 AI의 부상으로 데이터 처리량이 폭증하는 상황에서 이러한 성과는 삼성전자 메모리 반도체가 다음 세대를 향해 빠르고 안정적으로 도약할 수 있는 계기가 되었다. 현존 최대 용량 32Gb DDR5 D램이 탄생하기까지, 삼성전자 반도체가 지나온 여정을 살펴보면 그 이유를 확인할 수 있다.

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DDR SDRAM에서 DDR5까지, 속도는 UP! 소비전력은 DOWN!

DDR(Double Data Rate)은 현재 쓰이는 D램의 표준 기술 규격, 즉 D램 제품의 세대를 의미한다. D램은 연산 작업을 하는 중앙처리장치(CPU)와 주기적인 전기 신호(클럭)에 맞춰 데이터를 주고받으며, 데이터를 빠르게 저장하고 불러오는 역할을 수행한다. 이때 DDR D램은 기존 SDR(Single Data Rate) D램과 달리 클럭 한 번에 데이터를 두 번 전송한다. DDR3, DDR4, DDR5 등 세대를 거듭한 제품이 등장할수록 동작 속도는 더욱 빨라지고, 속도가 빨라질수록 동작 전압은 낮아져 더 낮은 전력으로 서버를 구동할 수 있게 된다.

특히 DDR5의 경우, 이전에 출시된 DDR4보다 최고 동작 속도가 2배 이상인 7,200Mbps*에 달해 데이터 처리량이 급증하고 있는 IT 분야에 최적의 솔루션으로 자리매김했다.

* Mbps(Megabit per second): 1초당 전송되는 메가 비트 단위의 데이터

초연결 시대를 주도하기 위해서는 동작 속도뿐만 아니라 많은 데이터를 담을 수 있는 용량도 중요한 요소다. 삼성전자 반도체가 가장 최근에 선보인 DDR5의 모듈 최대 용량은 무려 512GB(기가바이트). DDR4에 비해선 2배, DDR SDRAM에 비해서는 무려 256배에 달하는 용량이다.

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고용량은 물론, 환경에 미치는 영향까지 줄인 DDR5의 핵심 기술은?

이러한 성능을 지닌 DDR5가 탄생할 수 있었던 배경에는 두 가지 기술이 있다. 하나는 데이터센터를 비롯해 고성능 컴퓨팅 환경에서 데이터 처리 용량을 늘리면서도, 서버에서 메모리가 차지하는 전력 소모를 감소시킴으로서 환경에 미치는 영향도 줄일 수 있는 ‘HKMG(High-K Metal Gate)’* 공정이다.

* HKMG(High-K Metal Gate): 반도체 제조 과정에서 고저유전체 (High-K) 절연 물질과 금속 게이트를 활용하여 더 미세하고 효율적인 전자 회로를 만들고, 전력 소비를 줄이는 데에 도움을 주는 기술

메모리는 전하를 저장하는 셀로 이루어져 있는데, 각 셀 간 전하가 누출되지 않도록 절연되어야 한다. 그렇지 않으면 데이터 오염이 발생할 수 있고, 결과적으로 이 데이터가 필요한 프로그램이 작동되지 않을 수도 있다. 메모리 제조업체는 이에 대한 한계를 마주한 상태였는데, 삼성전자 반도체가 이러한 상황을 극복하기 위해 업계 최초로 HKMG(High-K Metal Gate) 공정을 적용한 DDR5를 개발한 것이다.

HKMG 공정은 전자기기에서 데이터 처리는 물론, 계산 및 논리 작업을 수행하는 데 활용되는 로직 칩에 주로 쓰이는 공정이다. 기존에는 D램 절연막에 ‘폴리실리콘옥시나이트라이드(pSiON)’이라는 물질을 사용해 왔으나, DDR5의 경우 유전율이 높은 High-K 물질을 절연막에 적용해 두께는 줄이면서 누설전류를 줄여 신뢰성을 높인 것이 특징이다. 게이트 역시 새로운 절연막에 적합한 메탈 게이트로 바꿨다.

HKMG 공정이 DDR5에 적용되면서 밀집된 셀 사이의 절연 상태를 개선할 수 있었고, 이를 통해 DDR4에 비해 2배 이상의 빠른 데이터 처리 속도를 지닐 수 있게 됐다. 또한, 에너지 사용량도 13% 줄임으로써, 고성능, 저전력이 필요한 응용처에 최적의 솔루션으로 자리매김하는 결과를 얻었다.

다른 하나는 고성능 컴퓨팅 환경에서 직접 회로의 밀도와 성능을 향상시키는 ‘TSV(Through-Silicon Via)’ 공정이다. TSV는 실리콘 칩 안에 수직으로 구멍을 뚫어 다른 칩과 연결하는 실리콘 관통 전극 기술이다. 칩 내부 연결을 단축해 저전력으로 고속 데이터 전송을 가능하게 하고, 작은 패키지에 높은 밀도의 칩 설계 역시 가능하게 하여 결과적으로 장치의 크기를 줄이는 데에도 도움을 주는 것이 강점이다.

AI 및 고성능 컴퓨팅 환경에서는 여러 작업을 동시에 처리하며 작업의 효율성을 높이는 하이코어 CPU가 필요한데, 해당 기술은 대량의 메모리와 대역폭이 필요하므로 개당 용량이 높은 D램 모듈을 사용하는 것이 효과적이다. 현재 용량이 큰 D램에 대한 수요가 점진적으로 증가하고 있는 이유다. 결과적으로 삼성전자 반도체는 DDR5에 TSV 공정을 적용함으로써 최대 512GB의 용량을 확보할 수 있었다.

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초거대 AI 시대, 차세대 D램 시장을 견인하다

최근 삼성전자 반도체는 TSV 공정 적용 없이 128GB 모듈을 제작할 수 있는 12나노급 고용량 32Gb DDR5 D램도 업계 최초로 개발했다. 이를 통해 16Gb D램을 탑재한 모듈보다 용량을 높이면서 제조 비용은 개선하고, 소비 전력은 약 10% 개선할 수 있게 되었다.

초거대 AI 기술이 탄생할수록 처리해야 할 데이터의 양 역시 기하급수적으로 늘어날 것이며, 메모리 용량에 대한 요구도 증가할 것이다. 이에 따라, 고성능 컴퓨팅이 대용량 데이터를 고속으로 처리하기 위한 필수 요소가 되었다.

DDR5는 고성능 컴퓨터뿐 아니라 클라우드, AI, 빅데이터, 자율주행과 같은 대용량 데이터 처리 응용 분야에서 빠른 성능과 효율을 제공한다. 특히, 전력 효율을 중요시하는 IT 기업에게 매우 유용한 솔루션이 될 것이며, 미래형 첨단 산업에서 중요한 역할을 할 것으로 많은 기대를 모으고 있다.

삼성전자 반도체가 12나노급 32Gb DDR5 D램과 같은 선도적인 기술을 선보인 데에는, 지난 40년간 업계를 선도해 오며 축적한 원천 기술과 긴밀한 협력 관계가 주요하게 작용했다. 삼성전자 반도체는 향후에도 고용량 D램 라인업을 꾸준히 확대해 가며, 다양한 응용처에 공급도 확대해 차세대 D램 시장을 견인해 나갈 계획이다.

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삼성전자가 업계 최초로 ‘하이케이 메탈 게이트 (High-K Metal Gate, 이하 HKMG)’ 공정을 적용한 업계 최대 용량의 512GB DDR5 메모리 모듈을 개발했습니다.

저전압에서 고성능 구현이 가능한 고유전율 물질을 DDR5 최초 적용

DDR5는 차세대 D램 규격으로 기존의 DDR4 대비 2배 이상의 성능이며, 향후 데이터 전송속도가 7200Mbps로도 확장될 전망입니다. 이는 1초에 30GB 용량의 UHD 영화 2편 정도를 처리할 수 있는 속도입니다.

삼성전자가 이번에 개발한 고용량 DDR5 모듈은 업계 최고 수준의 고용량ㆍ고성능ㆍ저전력을 구현해, 차세대 컴퓨팅, 대용량 데이터센터, 인공지능 등 첨단산업 발전의 핵심 솔루션 역할을 할 것으로 기대됩니다.

이번에 개발된 DDR5 메모리는 메모리 반도체 공정의 미세화에 따른 누설 전류를 막기 위해 유전율 상수(K)가 높은 물질을 공정에 적용해 고성능과 저전력을 동시에 구현한 것이 특징입니다.

HKMG가 적용된 삼성전자 DDR5 메모리 모듈은 기존 공정 대비 전력 소모가 약 13% 감소해, 데이터센터와 같이 전력효율이 중요한 응용처에서 최적의 솔루션이 될 것으로 기대됩니다.

8단 TSV 기술 적용, 고용량 512GB DDR5 제품 개발

또한 이번 제품에는 범용 D램 제품으로는 처음으로 8단 TSV(Through Silicon Via, 실리콘 관통 전극) 기술이 적용됐습니다.

삼성전자는 고용량 메모리 시장의 확대와 데이터 기반 응용처의 확산에 따라 16Gb(기가비트) 기반으로 8단 TSV 기술을 적용해 DDR5 512GB 모듈을 개발했습니다.

삼성전자는 2014년 세계최초로 범용 D램인 DDR4 메모리에 4단 TSV 공정을 적용해 64GB에서 256GB까지 고용량 모듈 제품을 서버 시장에 선보인 바 있습니다.

삼성전자 메모리사업부 상품기획팀 손영수 상무는 “삼성전자는 메모리 반도체와 시스템 반도체 기술 경쟁력을 바탕으로 업계 최초로 HKMG 공정을 메모리 반도체에 적용했다”며, “이러한 공정 혁신을 통해 개발된 DDR5 메모리는 뛰어난 성능과 높은 에너지 효율로 자율주행, 스마트시티, 의료산업 등으로 활용 분야가 확대될 고성능 컴퓨터의 발전을 더욱 가속화시킬 것으로 기대된다”고 밝혔습니다.

인텔 메모리 & IO 테크놀로지 총괄 VP 캐롤린 듀란(Carolyn Duran)은 “처리해야할 데이터 양이 기하급수적으로 늘어나는 클라우드 데이터센터, 네트워크, 엣지 컴퓨팅 등에서 차세대 DDR5 메모리의 중요성이 대두되고 있다”며, “인텔은 인텔 제온 스케일러블 (Intel® Xeon® Scalable) 프로세서인 사파이어 래피즈(Sapphire Rapids)와 호환되는 DDR5 메모리를 선보이기 위해 삼성전자와 긴밀하게 협력하고 있다”고 밝혔습니다.

삼성전자는 HKMG 공정과 8단 TSV 기술이 적용된 고용량 DDR5 메모리를 차세대 컴퓨팅 시장의 고객 수요에 따라 적기에 상용화할 계획입니다.

[인포그래픽]

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